计算机组成原理第8章课后题作业答案
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CPU的结构和功能
第 八 章
作业题： 2，7，8，11，12，17，18， 23，24，25，26，27
2. 什么是指令周期？指令周期是否有 一个固定值？为什么？ 解：指令周期是指一条指令从开始取 指令直到指令执行完这段时间。 由于计算机中各种指令执行所需的时 间差异很大，因此为了提高CPU运行效率， 即使在同步控制的机器中，不同指令的指 令周期长度都是不一致的，也就是说指令 周期对于不同的指令来说不是一个固定值。 讨论：指令周期长度不一致的根本原 因在于设计者，为了提高CPU运行效率而 这样安排的，与指令功能不同及指令实际 执行时间不同没有什么必然关系。
程序 L4服务 L3服务 L2服务 L1服务 L0服务 现行程序 L0 、 L1 、 L2 、 L3 、 L4 同时请求
t
26. 设某机配有A、B、C三台设备， 其优先级按A→B→C降序排列，为改 变中断处理次序，它们的中断屏蔽字 设置如下：
设备 A B C 屏蔽字 111 010 011
请按下图所示时间轴给出的设备 请求中断的时刻，画出CPU执行程序 的轨迹。设A、B、C中断服务程序的 执行时间均为20s。
解： CPU执行程序的轨迹图如下：
A服务 B服务 C服务
现行程序 0 10 A请求
20
B请求 C请求
30
40
50
60
70
80
90
t(µ s)
这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略了 中断响应时间。
主要注意问题：1）轨迹的连续性；2）程序的转出、 返回轨迹及时刻； 3）现行程序在坐标系中的位置。
INT标记目前是否正在运行中断程序； （INT标记在运行中断程序时已不存在） INT表示处于中断状态中； （INT并不是在整个中断过程中都存在） INT判断中断过程中是否接受其它中 断请求，INT=0时，开中断，允许中断嵌 套； （INT标记与中断嵌套技术没有任何关系。 它不能表示出中断过程中是否接受其它 中断请求，INT=0也不表示开中断） EINT判断CPU是否响应中断请求； （CPU根据EINT状态决定是否响应中断请 求）
当CPU响应中断时，EINT置1； （当EINT=1时，允许CPU响应中断） EINT确保CPU响应中断后，不受新 的中断干扰； （CPU响应中断在先，进入中断周期后 才使EINT=0，仅在单重中断时，整个中 断过程保持EINT=0，不接受新的中断请 求） EINT表示中断隐指令，INT起关中 断作用； （把EINT和INT的作用搞反了） INTR=1，判断哪个中断源有请求； （INTR对中断源的请求进行登记，当 INTR=1时，表示有请求）
7. 答案见课本第346页 系统的并行性。 粗粒度并行和细粒度并行的区 别。
8.答案见课本第346-347页 指令流水，二级流水示意图见 课本图8.14。
11.解： (1) 流水线的时钟周期应取完 成各步操作的时间中最大的即 90ns (2) 若相邻的指令发生数据相 关，则第2条指令的ID应在第1 条指令的WR之后，即应该推 迟两个时钟周期:90ns*2=180ns (3) 可采取定向技术，又称为 旁路技术。(P351)
17. 在中断系统中，INTR、INT、 EINT这三个触发器各有何作用？ 解：INTR——中断请求触发器，用 来登记中断源发出的随机性中断请求信号， 以便为CPU查询中断及中断排队判优线路 提供稳定的中断请求信号； EINT——中断允许触发器，CPU中 的中断总开关。当EINT=1时，表示允许 中断（开中断），当EINT=0时，表示禁 止中断（关中断）。其状态可由开、关中 断等指令设置； INT——中断标记触发器，控制器时 序系统中周期状态分配电路的一部分，表 示中断周期标记。当INT=1时，进入中断 周期，执行中断隐指令的操作。
解： CPU执行程序的轨迹图见下页：
CPU执行程序的轨迹图
程序
1服务 2服务 3服务 现行程序
0
τ ①②
2τ
③
3τ
②①
4τ
5τ
6τ百度文库
t
屏
中
断
L0 L1 L2 L3 L4
源
0
1 1 1 0 1
1
0 1 0 0 0
蔽 2 0 1 1 0 1
字 3 1 1 1 1 1
4
0 1 0 0 1
表中：设屏蔽位=1表示屏蔽，屏蔽 位=0表示中断开放。 为了使所有中断都能得到及时响应， 现行程序的中断屏蔽字一般设为全开放 （全0）状态。 讨论：按照修改过的优先次序，当 五个中断请求信号同时到来时，CPU中 断处理过程如下图： 图中括号内为各程序的屏蔽码。 注意：中断屏蔽码的判优作用体现 在对低级中断请求的屏蔽上，对于多个 同时到来的高级中断请求信号之间则只 有开放作用，没有判优作用。此时还需 依赖硬件排队线路完成进一步的判优。
A服务 B服务 C服务 D服务 现行程序
B与C请求
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 t(µ s)
D请求 B请求 A请求
这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略 了中断响应时间。
25. 设某机有五个中断源L0、L1、L2、 L3、L4， 按中断响应的优先次序由高向低排序为L0L1 L2 L3 L4，现要求中断处理次序改为L1L4 L2 L0 L3，根据下面的格式，写出各中断源的屏蔽字。 解：各中断源屏蔽状态见下表：
讨论： 回答时首先应给出该触发器的中文名 称，然后说明其主要作用。 当进入中断周期时，INT=1； （INT=1时，进入中断周期） INT与EINT配合使用以实现关中断功 能，即INT=1，反相后使EINT=0； （关中断并不是INT的主要功能，进入中 断周期后要执行中断隐指令的全部三个功 能） INT表示自愿中断，完成系统调用； （尽管INT触发器的英文缩写与INT指令 助记符完全相同，但它们一个是硬件设置， 一个是软中断指令，其作用完全不同）
讨论：当从B中断转到C中断时，不返回现行程序， 下述程序运行轨迹是错误的：
A服务
B服务 C服务 现行程序 0 10 A请求
20 30
B请求 C请求
40 50
60 70 80 90 t(µ s)
注意现行程序的运行轨迹在横坐标上，即此程序 运行轨迹是相对于现行程序而言的。
27. 设某机有3个中断源，其优先级 按1→2→3降序排列。假设中断处理时 间均为τ，在下图所示的时间内共发生5 次中断请求，图中①表示1级中断源发 出中断请求信号，其余类推，画出CPU 执行程序的轨迹。
12.解：由题意可知，时钟周期应取 10ns，即∆t=10ns, 指令条数n=12，指令 流水段数m=5，于是得，采用流水线需 时间 T=m*∆t+(n-1) ∆t=(m+n-1) ∆t =(5+12-1) *10ns=160ns 等效的非流水线需时间 T' =12*(10+8+10+10+7)ns=540ns 故加速比为 SP = T' /T=540ns/160ns=3.375 实际吞吐率为 TP =n/T=12/160ns=7.5*107 条指令/秒
现行程序（00000）
五级中断请求同时到来。 L0中断服务（10010）
保存现场 开中断 L1中断服务（11111）
L3中断服务 （00010）
执行一 条指令
中断返回
执行一条指令
L2中断服务（10110）
L4中断服务 （10111）
中断返回 关中断 恢复现场 中断返回 中断返回 中断返回
中断处理过程示意图（画法二：时空图表示）
18.答案见于课本第363页 中断隐指令及其功能
23. 答案见于课本第364页 保护现场的任务及其实现
24. 现有A、B、C、D四个中断源，其优先级由高 向低按A→B→C→D顺序排列。若中断服务程序的执 行时间为20µ s，请根据下图所示时间轴给出的中断源 请求中断的时刻，画出CPU执行程序的轨迹。 解： CPU执行程序的轨迹图如下：
第 八 章
作业题： 2，7，8，11，12，17，18， 23，24，25，26，27
2. 什么是指令周期？指令周期是否有 一个固定值？为什么？ 解：指令周期是指一条指令从开始取 指令直到指令执行完这段时间。 由于计算机中各种指令执行所需的时 间差异很大，因此为了提高CPU运行效率， 即使在同步控制的机器中，不同指令的指 令周期长度都是不一致的，也就是说指令 周期对于不同的指令来说不是一个固定值。 讨论：指令周期长度不一致的根本原 因在于设计者，为了提高CPU运行效率而 这样安排的，与指令功能不同及指令实际 执行时间不同没有什么必然关系。
程序 L4服务 L3服务 L2服务 L1服务 L0服务 现行程序 L0 、 L1 、 L2 、 L3 、 L4 同时请求
t
26. 设某机配有A、B、C三台设备， 其优先级按A→B→C降序排列，为改 变中断处理次序，它们的中断屏蔽字 设置如下：
设备 A B C 屏蔽字 111 010 011
请按下图所示时间轴给出的设备 请求中断的时刻，画出CPU执行程序 的轨迹。设A、B、C中断服务程序的 执行时间均为20s。
解： CPU执行程序的轨迹图如下：
A服务 B服务 C服务
现行程序 0 10 A请求
20
B请求 C请求
30
40
50
60
70
80
90
t(µ s)
这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略了 中断响应时间。
主要注意问题：1）轨迹的连续性；2）程序的转出、 返回轨迹及时刻； 3）现行程序在坐标系中的位置。
INT标记目前是否正在运行中断程序； （INT标记在运行中断程序时已不存在） INT表示处于中断状态中； （INT并不是在整个中断过程中都存在） INT判断中断过程中是否接受其它中 断请求，INT=0时，开中断，允许中断嵌 套； （INT标记与中断嵌套技术没有任何关系。 它不能表示出中断过程中是否接受其它 中断请求，INT=0也不表示开中断） EINT判断CPU是否响应中断请求； （CPU根据EINT状态决定是否响应中断请 求）
当CPU响应中断时，EINT置1； （当EINT=1时，允许CPU响应中断） EINT确保CPU响应中断后，不受新 的中断干扰； （CPU响应中断在先，进入中断周期后 才使EINT=0，仅在单重中断时，整个中 断过程保持EINT=0，不接受新的中断请 求） EINT表示中断隐指令，INT起关中 断作用； （把EINT和INT的作用搞反了） INTR=1，判断哪个中断源有请求； （INTR对中断源的请求进行登记，当 INTR=1时，表示有请求）
7. 答案见课本第346页 系统的并行性。 粗粒度并行和细粒度并行的区 别。
8.答案见课本第346-347页 指令流水，二级流水示意图见 课本图8.14。
11.解： (1) 流水线的时钟周期应取完 成各步操作的时间中最大的即 90ns (2) 若相邻的指令发生数据相 关，则第2条指令的ID应在第1 条指令的WR之后，即应该推 迟两个时钟周期:90ns*2=180ns (3) 可采取定向技术，又称为 旁路技术。(P351)
17. 在中断系统中，INTR、INT、 EINT这三个触发器各有何作用？ 解：INTR——中断请求触发器，用 来登记中断源发出的随机性中断请求信号， 以便为CPU查询中断及中断排队判优线路 提供稳定的中断请求信号； EINT——中断允许触发器，CPU中 的中断总开关。当EINT=1时，表示允许 中断（开中断），当EINT=0时，表示禁 止中断（关中断）。其状态可由开、关中 断等指令设置； INT——中断标记触发器，控制器时 序系统中周期状态分配电路的一部分，表 示中断周期标记。当INT=1时，进入中断 周期，执行中断隐指令的操作。
解： CPU执行程序的轨迹图见下页：
CPU执行程序的轨迹图
程序
1服务 2服务 3服务 现行程序
0
τ ①②
2τ
③
3τ
②①
4τ
5τ
6τ百度文库
t
屏
中
断
L0 L1 L2 L3 L4
源
0
1 1 1 0 1
1
0 1 0 0 0
蔽 2 0 1 1 0 1
字 3 1 1 1 1 1
4
0 1 0 0 1
表中：设屏蔽位=1表示屏蔽，屏蔽 位=0表示中断开放。 为了使所有中断都能得到及时响应， 现行程序的中断屏蔽字一般设为全开放 （全0）状态。 讨论：按照修改过的优先次序，当 五个中断请求信号同时到来时，CPU中 断处理过程如下图： 图中括号内为各程序的屏蔽码。 注意：中断屏蔽码的判优作用体现 在对低级中断请求的屏蔽上，对于多个 同时到来的高级中断请求信号之间则只 有开放作用，没有判优作用。此时还需 依赖硬件排队线路完成进一步的判优。
A服务 B服务 C服务 D服务 现行程序
B与C请求
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 t(µ s)
D请求 B请求 A请求
这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略 了中断响应时间。
25. 设某机有五个中断源L0、L1、L2、 L3、L4， 按中断响应的优先次序由高向低排序为L0L1 L2 L3 L4，现要求中断处理次序改为L1L4 L2 L0 L3，根据下面的格式，写出各中断源的屏蔽字。 解：各中断源屏蔽状态见下表：
讨论： 回答时首先应给出该触发器的中文名 称，然后说明其主要作用。 当进入中断周期时，INT=1； （INT=1时，进入中断周期） INT与EINT配合使用以实现关中断功 能，即INT=1，反相后使EINT=0； （关中断并不是INT的主要功能，进入中 断周期后要执行中断隐指令的全部三个功 能） INT表示自愿中断，完成系统调用； （尽管INT触发器的英文缩写与INT指令 助记符完全相同，但它们一个是硬件设置， 一个是软中断指令，其作用完全不同）
讨论：当从B中断转到C中断时，不返回现行程序， 下述程序运行轨迹是错误的：
A服务
B服务 C服务 现行程序 0 10 A请求
20 30
B请求 C请求
40 50
60 70 80 90 t(µ s)
注意现行程序的运行轨迹在横坐标上，即此程序 运行轨迹是相对于现行程序而言的。
27. 设某机有3个中断源，其优先级 按1→2→3降序排列。假设中断处理时 间均为τ，在下图所示的时间内共发生5 次中断请求，图中①表示1级中断源发 出中断请求信号，其余类推，画出CPU 执行程序的轨迹。
12.解：由题意可知，时钟周期应取 10ns，即∆t=10ns, 指令条数n=12，指令 流水段数m=5，于是得，采用流水线需 时间 T=m*∆t+(n-1) ∆t=(m+n-1) ∆t =(5+12-1) *10ns=160ns 等效的非流水线需时间 T' =12*(10+8+10+10+7)ns=540ns 故加速比为 SP = T' /T=540ns/160ns=3.375 实际吞吐率为 TP =n/T=12/160ns=7.5*107 条指令/秒
现行程序（00000）
五级中断请求同时到来。 L0中断服务（10010）
保存现场 开中断 L1中断服务（11111）
L3中断服务 （00010）
执行一 条指令
中断返回
执行一条指令
L2中断服务（10110）
L4中断服务 （10111）
中断返回 关中断 恢复现场 中断返回 中断返回 中断返回
中断处理过程示意图（画法二：时空图表示）
18.答案见于课本第363页 中断隐指令及其功能
23. 答案见于课本第364页 保护现场的任务及其实现
24. 现有A、B、C、D四个中断源，其优先级由高 向低按A→B→C→D顺序排列。若中断服务程序的执 行时间为20µ s，请根据下图所示时间轴给出的中断源 请求中断的时刻，画出CPU执行程序的轨迹。 解： CPU执行程序的轨迹图如下：