计算机组成原理第10章习题指导

T0 MDR→Bus→R2 R2→Bus→E
；E 通过总线送 ALU
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计算机组成原理第 10 章习题
（3）完成“STA @mem”指令所需的微操作命令及节拍安排 取指周期 T0 PC→Bus→MAR，1→R T1 M(MAR) →MDR，(PC) + 1→PC T2 MDR→Bus→IR，OP(IR) →微操作命令形成部件 间址周期 T0 Ad(IR) →Bus→MAR，1→R T1 M(MAR) →MDR 执行周期 T0 MDR→Bus→MAR，1→W T1 ACC→Bus→MDR T2 MDR→M(MAR)
操作控制
28位
判断
3位
下地址
9位
图 10.3 例 10.5 微指令格式
例 10.6 某机共有 52 个微操作控制信号，构成 5 个相斥类的微命令组，各组分别包含 5、 8、2、15、22 个微命令。已知可判定的外部条件有两个，微指令字长 28 位。
（1）按水平型微指令格式设计微指令，要求微指令的下地址字段直接给出后续微指令 地址。
#
（2）中央控制节拍包括取指阶段所有节拍和执行阶段的 T0 、T1 、T2 3 个节拍，完 成取指令和取操作数及乘法运算前的准备工作。局部控制节拍是执行阶段的 T0*和 T1*节拍， 其中 T0*为重复加操作，受 Q 寄存器末两位 Q14Q15 控制，最多执行 15 次；T1*为移位操作， 共执行 14 次。
计算机组成原理第 10 章习题
第 10 章 控制单元的设计
例 10.1 设 CPU 中各部件及其相互连接关系如图 10.1 所示。图中 W 是写控制标志，R 是读控制标志，R1 和 R2 是暂存器。
存储器
W R MAR
MDR
微操作命令形成部件
CPU
IR ACC
PC 内部总线Bus
R1
ALU
R2
图 10.1 例 10.1 CPU 内部结构框图
解：
（1）由于 (PC) + 1→PC 需由 ALU 完成，因此 PC 的值可作为 ALU 的一个源操作数，
靠控制 ALU 做＋1 运算得到 (PC) + 1，结果送至与 ALU 输出端相连的 R2，然后再送至 PC。 此题的关键是要考虑总线冲突的问题，故取指周期的微操作命令及节拍安排如下：
T0 PC→Bus→MAR，1→R
E、H、L 六个寄存器（图中未画），它们各自的输入端和输出端都与内部总线 Bus 相连，并
分别受控制信号控制。要求写出完成下列指令组合逻辑控制单元所发出的微操作命令及节拍
安排。
（1）ADD B，C ；(B)＋(C) →B （2）SUB E，@H ；(E)－((H)) →E 寄存器间接寻址 （3）STA @mem ；ACC→((mem)) 存储器间接寻址 解：
乘法开始前要将被乘数由 A→X，并将乘数从主存 α 单元取出送至 Q 寄存器。因
Q15（最末位）为附加位，还必须 0→Q15，并将 A 清 0。上述这些操作可安排在中央控制节 拍内完成。乘法过程的重复加操作受 Q 寄存器末两位 Q14、Q15 控制，重复移位操作在两个 串接的寄存器 A//Q 中完成，这两种操作可安排在局部控制节拍内完成。具体安排如下：
（1）假设要求在取指周期由 ALU 完成 (PC) + 1→PC 的操作（即 ALU 可以对它的一个
源操作数完成加 1 的运算）。要求以最少的节拍写出取指周期全部微操作命令及节拍安排。
（2）写出指令“ADD # α”（#为立即寻址特征，隐含的操作数在 ACC 中）在执行阶
段所需的微操作命令及节拍安排。
3+4+2+5+1+3+5+3=26
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计算机组成原理第 10 章习题
例 10.5 某微程序控制器中，采用水平型直接控制（编码）方式的微指令格式，后续微 指令地址由微指令的下地址字段给出。已知机器共有 28 个微命令，6 个互斥的可判定的外 部条件，控制存储器的容量为 512×40 位。试设计其微指令格式，并说明理由。
T0 Ad(IR) →Bus→R1 T1 (ACC) + (R1) →ALU→R2
；立即数→R1 ；ACC 通过总线送 ALU
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T2 R2→Bus→ACC
；结果通过总线送 ACC
例 10.2 设 CPU 内部结构如图 10.1 所示，且 PC 有自动加 1 功能。此外还有 B、C、D、
例 10.3 设寄存器均为 16 位，实现补码 Booth 算法的运算器框图图 10.2 所示。其中寄存 器 A、X 最高 2 位 A0、A1 和 X0、X1 为符号位，寄存器 Q 最高位 Q0 为符号位，最末位 Q15 为附加位。假设上条指令的运行结果存于 A（即为被乘数）中。
（1）若 CU 为组合逻辑控制，且采用中央和局部控制相结合的办法，写出完成“MUL α”（α 为主存地址）指令的全部微操作命令及节拍安排。
例 10.4 某机的微指令格式中，共有 8 个控制字段，每个字段可分别激活 5、8、3、16、 1、7、25、4 种控制信号。分别采用直接编码和字段直接编码方式设计微指令的操作控制字 段，并说明两种方式的操作控制字段各取几位。
解： （1）采用直接编码方式，微指令的操作控制字段的总位数等于控制信号数。即
解： 水平型微指令由操作控制字段，判别测试字段和下地址字段三部分构成。因为微指令采 用直接控制（编码）方式，所以其操作控制字段的位数等于微命令数，为 28 位。又由于后 续微指令地址由下地址字段给出，故其下地址字段的位数可根据控制存储器的容量（512× 40 位）定为 9 位。当微程序出现分支时，后续微指令地址的形成取决于状态条件，6 个互斥 的可判定外部条件，可以编码成 3 位状态位。非分支时的后续微指令地址由微指令的下地址 字段直接给出。微指令的格式如图 10.3 所示。
；PC 通过总线送 MAR
T1 M(MAR)→MDR，
(PC)→Bus→ALU+1→R2
；PC 通过总线送 ALU 完成 (PC)+1→R2
T2 MDR→Bus→IR，
；MDR 通过总线送 IR
OP(IR)→微操作命令形成部件
T3 R2→Bus→PC
；R2 通过总线送 PC
（2）立即寻址的加法指令执行周期的微操作命令及节拍安排如下：
5+8+3+16+1+7+25+4=69 （2）采用字段直接编码方式，需要的控制位少。根据题目给出的 10 个控制字段及各段 可激活的控制信号数，再加上每个控制字段至少要留一个码字表示不激活任何一条控制线， 即微指令的 8 个控制字段分别需给出 6、9、4、17、2、8、26、5 种状态，对应 3、4、2、5、 1、3、5、3 位。故微指令的操作控制字段的总位数为：
5个 微命令
8个 微命令
2个 微命令
15个 微命令
3位
4位
2位
4位
22个 微命令
5位
2个 判定条件
条件 测试
2位
下地址 8位
图 10.4 例 10.6 微指令格式 5
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（2）根据下地址字段为 8 位，微指令字长为 28 位，得控制存储器的容量为 256 × 28
位。
例 10.7 某机有 5 条微指令，每条微指令发出的控制信号如表 10.4 所示。采用直接控制 方式设计微指令的控制字段，要求其位数最少，而且保持微指令本身的并行性。
（2）指出控制存储器的容量。 解： （1）根据 5 个相斥类的微命令组，各组分别包含 5、8、2、15、22 个微命令，考虑到 每组必须增加一种不发命令的情况，条件测试字段应包含一种不转移的情况，则 5 个控制字 段分别需给出 6、9、3、16、23 种状态，对应 3、4、2、4、5 位（共 18 位），条件测试字段 取 2 位。根据微指令字长为 28 位，则下地址字段取 28－18－2 = 8 位，其微指令格式如图 10.4 所示。
a bh cgi d e f j
12
3
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图 10.5 例 10.7 压缩后的微指令控制字段
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（1）完成“ADD B，C”指令所需的微操作命令及节拍安排 取指周期
T0 PC→Bus→MAR，1→R T1 M(MAR) →MDR，(PC) + 1→PC T2 MDR→Bus→IR，OP(IR) →微操作命令形成部件 执行周期
T0 C→Bus→R1
T1 (B) + (R1) →ALU→R2
；B 通过总线送 ALU
解：
表 10.1 例 10.7 表格
微指令
激活的控制信号
abcdef ghi j
I1
√
√
√
√
√
I2
√√
√
√
√
√
I3
√
√√√
I4
√
I5
√
√
√
由表 10.1 可见，控制信号 c、g、i 仅在微指令 I1 同时出现，可合并用 1 位控制字段表 示。控制信号 b、h 仅在微指令 I2 中同时出现，也可合并用 1 位控制字段表示。这样 10 个 控制信号 a～j 可压缩到 7 个，其格式如图 10.5 所示。
T0 Ad(IR)→MAR，1→R，A→X
T1 M(MAR)→MDR，0→Q15，0→A
T2 MDR→Q0～14
（Q 寄存器仅取一位符号位）
T0* Q14 Q15x(A + X) + Q14 Q15 x(A + X + 1) + Q14 Q15 xA + Q14Q15xA→A
T1* L(A//Q) →R(A//Q) （A//Q 算术右移一位）
（2）指出哪些节拍属于中央控制节拍，哪些节拍属于局部控制节拍，局部控制最多需 几拍？
0
A
n+1
n+2 位加法器
控制门
0
00, 11 01 10
Q
n n+1
右移
移位和加 控制逻辑
0
X
n+1
计数器 C
GM
图 10.2 补码比较法运算基本硬件配置
解：
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计算机组成原理第 10 章习题
（1）取指阶段
T0 PC→MAR，1→R T1 M(MAR)→MDR，(PC) + 1→PC T2 MDR→IR，OP(IR)→ID 执行阶段
T2 R2→Bus→B
（2）完成“SUB E，@H”指令所需的微操作命令及节拍安排
取指周期
T0 PC→Bus→MAR，1→R T1 M(MAR) →MDR，(PC) + 1→PC T2 MDR→Bus→IR，OP(IR) →微操作命令形成部件 间址周期
T0 H→Bus→MAR，1→R T1 M(MAR) →MDR 执行周期