CPU习题课练习

CPU习题课练习(总11页)

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1、设某运算器只由一个加法器和A,B两个D型边沿寄存器组成，A,B均可接加法器输出，A还可接收外部数据，如图所示，问：

（1）外部数据如何才能传送到B (2) 如何实现A+BA和A+B(3) 如何估算加法执行时间

S D ∑,M,CPB

FLAGS ACPA A B ∑加法BCPB B

CPF 二选一 解：(1) 外部数据传送到B的操作：S选D，CPA,A

(2) 实现A+BA的操作：A∑,B 实现A+B

∑,+,S选∑,CPA

B的操作：A∑,B∑,+,CPB

(3) 影响加法速度的关键因素是进位信号的传递问题，所以估算加法执行时间要看∑加法器采用何种进位方式，分析进位信号的产生时间。

2、四位运算器框图如图2所示。ALU为算术逻辑单元，A和B为三选一多路开关，预先已通过多路开关A的SW门向寄存器R1、R2送入数据如下，R1=0101，R2=1010，寄存器BR输出端接四个发光二极管进行显示，其运算过程依次如下：显示灯

(1) R1（A）+ R2（B）(3) R1（A）+ R1（B）(5) R2（A）+ BR（B）

BR(1010)；(2)R2（A）+ R1（B） BR(1010)；(4)R2（A）+ R2（B） BR(1111)； (6)R1（A）+ BR（B）

BR(1111)； BR(1111)； BR(1010)；

试分析运算器的故障位置，说明理由。

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显示

BR

LDBR BUS S3 S2 M ALU S1 CS 74181 S0

A B

AS0 ADC BDC BS0 01 10 11 01 10 11 AS1 BS1

R1 R2 BR R1 R2 BR LDR1 R1

图2

解：运算器的故障位置在多路开关B，其输出始终为R1的值。

分析如下：

(1) R1(A)+ R2(B)= 1010，输出结果错

(2) R2(A)+ R1(B)= 1111，结果正确，说明R2(A)，R1(B)无错 (3) R1(A)+ R1(B)= 1010，结果正确，说明R1(A)，R1(B)无错 由此可断定ALU和BR无错

(4) R2(A) + R2(B) =1001，结果错，由于R2(A)正确且R2(A)=1010

推知R2(B)=0101，显然多路开关B有问题

(5) R2(A) + BR(B) =1111，结果错，由于R2(A)=1010，BR(B)=1111，

但现推知BR(B)=0101，证明开关B输出有错

(6) R1(A)+BR(B) =1010，结果错，由于R1(A)=0101，本应BR(B)

=1111，但现推知BR(B)=0101，证明开关B输出有错

综上所述，多路开关B输出有错。故障性质：多路开关B输出始终为0101，这有两种可能：一是控制信号BS0，BS1始终为01，故始终选中寄存器R1；二是多路开关B电平输出始终嵌在0101上。

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3、某运算部件的基本结构如图3所示，假定此部件只有加(+)和减(-)两种基本操作，要求：

（1） 给出运算部件的所有微命令。

（2） 指出哪些微命令是相容的，哪些是相斥的 （3）试用位数最少的操作控制字段来表示全部微命令。

ALUALU DBUS

X Y + - R1 R2

图3

解：（1）运算部件的微命令如下图所示。

ALUALU DBUS X R1

X R1 DBUSR1 Y + - R2Y R1Y

R2 DBUS

R2

（2）R2是相容的；R1

Y与R1X与R2

Y是相斥的；+与-是相斥的；DBUSY是相容的。

R1与DBUS

R2在指令的执行过程

R1与DBUSR2

（3） 微命令采用字段直接编码法。DBUS

中不会同时出现，可以将它们放在同一字段，用2位来控制。

+与-也是相斥的，放在同一字段，用2位来控制，但由于能放在同一字段的微命令只有2位，采用直接控制法也只需用2位，所以采用直接控制。

根据以上分析，操作控制字段共有8个微命令，全部采用直接控制方式。

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4、图4所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器（具有自增功能），M为主存（受R/W信号控制），AR为主存地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器。ALU由加减控制信号决定完成何种操作。控制信号G控制的是一个门电路。另外，线上标注有控制信号，例如Yi表示Y寄存器的输入控制信号，R1o表示寄存器R1的输出控制信号。未标注的线为直通线，不受控制。

现有“ADD R2, R0”指令完成(R0) + (R2) → R0的功能操作。请画出该指令的指令周期流程图，并列出相应的微命令控制信号序列。假设该指令的地址已放入PC中。

图4

解：ADD指令是加法指令，参与运算的二数放在R0和R2中，相加结果放

在R0中。指令周期流程图如下图所示，包括取指令阶段和执行指令阶段两部分。每一方框表示一个CPU周期。其中框内表示数据传送路径，框外列出微操作控制信号。

PC→AR PCo,G ARi 取

M→DR 指 R/W=1

DR→IR DRo,G,IRi

R →Y R2o,G R →X 执 R0o,G 行 R+ R→R +，G,R0i 5

5、一台处理机具有如下指令格式 ２位 ６位 ３位 ３位

X OP

格式表明有８个通用寄存器（长度16位），X指定寻址模式，主存实际容量为256k字。假设不用通用寄存器也能直接访问主存中的每一个单元，并假设操作码域OP=6位，请问地址码域应分配多少位指令字长度应有多少位

假设X=11时，指定的那个通用寄存器用做基值寄存器，请提出一个硬件设计规划，使得被指定的通用寄存器能访问1M主存空间中的每一个单元。 解：（１）因为218=256K，所以地址码域＝18位, 操作码域＝6位 指令长度＝18 + 3 + 3 + 6 + 2 = 32位

（２）此时指定的通用寄存器用作基值寄存器（16位），但16位长度不足以覆盖1M字地址空间，为此将通用寄存器左移，４位低位补0形成20位基地址。然后与指令字形式地址相加得有效地址，可访问主存1M地址空间中任何单元。

6、某计算机有微指令I1—I8，每条微指令所包含的微命令控制信号见下表所示，a—j 分别对应10种不同性质的微命令信号。假设微指令的控制字段仅限8位，请安排微指令的控制字段格式。

源寄存器 目标寄存器 地 址 解：微指令的控制字段为 8 位。

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根据 10 个微命令的兼容性和互斥性，分成 3 组。分别为 2 位、2 位和 4 位的小字段。每个2 位的组是3 个微命令的编码，需译码。4 位的组每位是 1 个微命令，不需译码。 本题可以有以下4种不同的解答。 ⑴互斥的 d，h，i 为一组。互斥的 e，f，j 为 一组。其余的 a，b，c，g 为一组。 ⑵互斥的 b，i，j 为一组。互斥的 e，f，h 为 一组。其余的 a，c，d，g 为一组。

⑶互斥的 b，g，j 为一组。互斥的 f，h，i 为一组。其余的 a，c，d，e 为一组。

⑷互斥的 b，g，j 为一组。互斥的 e，f，h 为一组。其余的 a，c，d，i 为一组。

7、设某一微操作控制信号C1既发生在指令1（设操作码 OP为I1I2 = 11）的节拍电位M3、节拍脉冲T1时间，也发生在指令2（设 OP为I1I2 = 01）的节拍电位M2节拍脉冲 T2时间，写出Ci的逻辑表达式，并表示在如图所示的GAL器件中。

解：（1） C1= I1 I2 M3 T1+ I1 I2 M2 T2 （2）画图

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8、CPU数据通路为双总线结构，如图所示。图中：ALU:运算器IR:指令寄存器

RA:ALU的输入寄存器 PC:程序计数器 R1~R4:程序员可用通用寄存器 MAR:存储器地址寄存器 MDR: 存储器数据寄存器 (1) 画出修正错误后的连线图。

(2) 描述指令ADD addr,R1(功能是R1+(addr)addr)的执行过程。

32 MDR ALU RA MAR R4 R3 R2 R1 PC IR M 32

解：（1）画图

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32 MAR ALU RA MDR R4 R3 R2 R1 PC IR M 32

（2）指令ADD addr,R1的执行过程 PCR1

MAR; M

MDR; MDR

IR; IR(addr)

MAR; M

MDR; MDR

RA

MDR; +; ADDMDR; addrMAR; MDRM

其中前3条微指令用来取指令；第4、5、6条微指令用来将IR地址部分给出的直接地址addr的内容送入RA；第9条微指令实现加法并将结果送入MDR；第11条微指令将加法结果送回addr的存储器。

9、某计算机的数据通路如下图所示，其中M—主存， MBR—主存数据寄存器， MAR—主存地址寄存器， R0-R3—通用寄存器， IR—指令寄存器， PC—程序计数器（具有自增能力）， C、D--暂存器， ALU—算术逻辑单元（此处做加法器看待）， 移位器—左移、右移、直通传送。所有双向箭头表示信息可以双向传送。

请按数据通路图画出“ADD（R1），（R2）”指令的指令周期流程图。该指令的含义是两个数进行求和操作。其中源操作地址在寄存器R1中，目的操作数寻址方式为自增型寄存器间接寻址（先取地址后加1）。

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解：解：“ADD （R1），（R2）+”指令是SS型指令，两个操作数均在主存中。其中源操作数地址在R1中，所以是R1间接寻址。目的操作数地址在R2中，由R2间接寻址，但R2的内容在取出操作数以后要加1进行修改。指令周期流程图如下：（每个步骤1分）

送指令地址

10、某指令系统指令字长为20位，具有双操作数、单操作数和无操作数3种指令格式，每个操作数地址规定用6位二进制表示，当双操作数指令和单操作数指令条数均取最大值时，这3种指令最多可能拥有的指令数各是多少 解：解：按控制操作码的思想来设计，双操作数指令条数最大为28-1＝255条，单操作数指令条数最大为63条，无操作数指令条数最大为条。

00000000 ×××××× ×××××× … … … 255条二地址指令 ×××××× ×××××× 0 0 0 0 0 0 ××××××

… … … 63条一地址指令 1 1 1 1 1 0 ××××××

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1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

… … … 条零地址指令 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

11、单总线CPU结构如图所示，其中有运算部件ALU、寄存器Y和Z，通用寄存器R0～R3、指令寄存器IR、程序计数器PC、主存地址寄存器MAR和主存数据寄存器MDR等部件。试拟出转移指令 JMP #A的读取和执行流程。

解：（1）PC

MAR PC+1

IR

PC PC

（2）DBUSMDR，MDR

（3）PC

12、假设某机器有86条指令，平均每条指令由12条微指令组成，其中

一条是取指微指令，是公用的，已知微指令字长48位，请问控制存储器的容量需多大

解：共有微指令（12-1）×86＋1＝947条，控存的容量为947×48bit。

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Y IR（地址段）+YZ Z