《计算机原理》教案
时钟周期是处理操作的最基本的单位，它通常被
称为节拍脉冲。
指令周期由若干个CPU周期组成，一个CPU周期
（机器周期）又包含若干个时钟周期。
CPU周期规定：由于CPU内部的操作速度快，CPU
访问内存操作速度慢，通常用从主存中取出一条指令
的最短时间来规定CPU周期。这就是说，取指所需的
时间为一个CPU周期。
执行一条速度最快的指令的时间，也需要一个CPU
周期。因此，一条指令的指令周期，至少需要两个CPU
周期。对于一些操作相对复杂的指令，则需更多的CPU
周期。
指令周期、CPU周期、时钟周期关系如图所示：
图定长机器周期指令周期
图变长机器周期指令周期
从图上看：指令周期由若干个CPU周期组成，所
有指令周期的第一个周期为取指周期，每个CPU周期
又由若干个T周期组成。根据指令操作的复杂程度不
同，各种指令所需的CPU周期也不相同。
二、典型指令周期
典型的指令周期有：非访内指令的指令周期、直
接访内指令的指令周期、间接访内指令的指令周期、
引导：学生看
图
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
第6章中央处理器答案 一．判断题 1．一个指令周期由若干个机器周期组成。 解：答案为正确。 2．非访内指令不需从内存中取操作数，也不需将目的操作数存放到内存，因此这类指令的执行不需地址寄存器参与。 解：答案为错误。 3．组合逻辑控制器比微程序控制器的速度快。 解：答案为正确。 4．流水线中的相关问题是指在一段程序的相邻指令之间存在某种信赖关系，这种关系影响指令的执行。 解：答案为正确。 5．微程序控制控制方式与硬布线控制方式相比，最大的优点是提高了指令的执行速度。 解：答案为正确。 6．微程序控制器中的控制存储器可用PROM、EPROM或闪存实现。 解：答案为正确。 7．指令周期是指人CPU从主存取出一条指令开始到执行这条指令完成所需的时间。 解：答案为正确。 8．控制存储器是用来存放微程序的存储器，它比主存储器速度快。 解：答案为正确。 9．机器的主频最快，机器的速度就最快。 解：答案为正确。 10．80X86的数据传送指令MOV，不能实现两个内存操作数的传送。 解：答案为正确。 二．选择题 C D B B B A C C D C C C DC D BD A B 三．填空题 1．答：运算器，控制器。 2．答：指令寄存器IR，程序计数器PC。 3．答：指令周期，机器周期，时钟周期。 4．答：取指令，执行指令。 5．答：空间，时间。 6．答：译码器，操作码。 7．答：控制存储器，只读存储器。 8．答：计数器方式，断定方式。 9．答：取指令。 10．答：微程序，微命令。 11．答：软件，控制器。 12．答：不可能同时出现，可以同时出现，相容的微命令。
13．答：同步控制。 14．答：栈顶指针SP。 15．答：⑴状态寄存器中的ZF。 ⑵状态寄存器中的OF。 ⑶CX。 ⑷AL/AX。 ⑸累加器。 四．综合题 1．在8086中，对于物理地址2014CH来说，如果段起始地址为20000H，则偏移量应为多少? 解：14CH。 2．解：⑴SP＝2000H－2＝1FFEH ⑵执行PUSH BX和POP AX后，SP＝1FFEH－2＋2＝IFFEH，BX＝5000H，指针变化图略。3．解：⑴源是寄存器直接寻址。目的是寄存器间接寻址。 ⑵源是变址/基址寻址，目的是寄存器直接寻址。 ⑶源是立即数寻址，目的是寄存器直接寻址。 ⑷源是寄存器间接寻址。目的是寄存器直接寻址。 ⑸源是变址/基址寻址，目的是寄存器直接寻址。 ⑹源是变址/基址加偏移量寻址，目的是寄存器直接寻址。 ⑺源是跨段的变址/基址寻址，目的是寄存器直接寻址。 ⑻源是寄存器直接寻址。目的是寄存器间接寻址。 ⑼源是存储器直接寻址。目的是寄存器直接寻址。 4．解：⑴MOV AX，1234H ；MOV DS，AX ⑵ADD AX，5678H ⑶MOV AX，DATAX ADD DATAY，AX ⑷AND AX，0FFFH ⑸OR AX，0003H 5．解：⑴根据“异或”操作的特点，与“0”做“异或”操作，操作数不变；与“1”做“异或”操作，即使操作数变反，此题仅使BH变反，所以结果为BX＝1111110001111001＝FC79H。 ⑵根据“与”操作的特点，对“0”做“与”操作，操作数为0；对“1”做“与”操作，即操作数不变。此题仅使BL清0，BH不变，所以结果为BX＝0000001100000000＝0300H。 ⑶根据“或”操作的特点，对“0”做“或”操作，操作数不变；对“1”做“或”操作，即操作数为1。此题仅使BH（即高8位）置1，BL（低8位）不变，所以结果为BX＝0000001110000110＝0386H。 6．解：第一条指令把数5传送到CL（CL是指定用于存放移位或循环次数的寄存器）中，第2条是逻辑右移指令，使BX逻辑右移5次（由CL给出移位次数），结果BX＝02AAH。7．解：算法为AX×10＝AX×2＋AX×8，指令序列如下： SHL AX，1 ；AX×2 MOV BX，AX ；AX×2保存到BX SHL AX，1 ；AX×4 SHL AX，1 ；AX×8 ADD AX，BX ；AX×10 8．解：⑴ADD DX，BX
第六章中央处理器综合练习题参考答案 一.填空题 1.算术逻辑运算结果通常放在__累加寄存器AC__和__通用寄存器__中. 2.一般而言,CPU至少有_程序计数器PC____,___缓冲寄存器DR__,__指令寄存器IR___,___地址寄存器MAR__,__累加寄存器AC___和__状态寄存器___6个寄存器. 3.在计算机中,基本的运算有__算术运算__和__逻辑运算__. 4.保存当前正在执行指令的寄存器是指令寄存器IR,保存当前正在执行指令地址的寄存器是__程序计数器PC__,保存当前栈顶地址的寄存器是__堆栈指令寄存器SP__. 二.单项选择题 1.中央处理器(CPU)是指( ). A.控制器 B.控制器和主存 C.运算器和控制器 D.运算器和寄存器 2.下列逻辑部件中,( )不包括在运算器内. A.累加器 B.状态条件寄存器 C.指令寄存器 D.ALU 3.程序计数器的功能是( B). A.存放指令 B.存放下一条机器指令的地址 C.计算程序长度 D.存放微指令的地址 4.状态寄存器用来存放( ). A.算术运算结果 B.运算类型 C.逻辑运算结果 D.算术运算,逻辑运算及指令的状态结果 5.在微程序控制器中,机器指令和微指令的关系是( ) A.每一条机器指令由一条微指令来执行 B.一条微指令由若干条机器指令组成 C.每一条机器指令由一段用微指令组成的微程序来解释执行 D.一段微程序由一条机器指令来执行 6.运算器在运算的过程中,得到的标志位中没有( ) A.进位标志位 B.溢出标志位 C.零标志位 D.正数标志位 三.是非题 1.在主机中,只有内存能存放数据.( ) 2.一个指令周期由若干个机器周期组成.( ) 3.非访内指令不需要从内存中取操作数,也不需要将目的操作数存放到内存,因此这类指令的执行不需要地址寄存器参与工作.( × ) 4.与微程序控制器相比,组合逻辑控制的速度较快.( √ )
第六章中央处理器 6.1 CPU组成与功能随堂测验 1、控制ＣＰＵ内数据通路传送的部件是（）（单选） A、程序控制器 B、时序产生器 C、指令译码器 D、操作控制器 2、下列可能是CPU组成部件的是( ）（多选） A、程序计数器ＰＣ B、指令寄存器ＩＲ C、累加器ＡＣ D、算术逻辑运算单元ＡＬＵ 3、下列属于ＣＰＵ功能的是（）（多选） A、算术逻辑运算功能 B、存储控制功能 C、操作控制功能 D、异常控制功能 4、下列关于程序计数器的下列描述中，正确的是（）（多选） A、指令执行过程中会保存当前正在执行的指令地址 B、指令执行过程中会保存下一条指令的地址 C、其值不一定按ＰＣ＋“１”的方式改变 D、ＣＰＵ中可以没有ＰＣ 6.2 数据通路随堂测验 1、下列关于数据通路的叙述中，正确的是（）（多选） A、数据通路是指令周期内信息传输的路径 B、不同指令执行使用的数据通路可以不同 C、同一指令在执行的不同阶段使用的数据路径不同 D、不同数据路径不能使用相同的功能部件 2、下图是数据通路中反映时间关系的原理图。下列关于该图中几个时间关系描述的描述中，正确的是（）（多选）
A、建立时间setup 指触发器时钟到来之前数据应该保持稳定不变时间，否则数据不能在该时钟有效时被打入触发器 B、保持时间hold 指触发器时钟到来之后数据应该保持稳定不变时间，否则数据不能在该时钟有效时被打入触发器 C、CLk-to-Q是指时钟有效之后新输入的值稳定出现在输出端所经历的时延 D、由此可知该电路的时钟最后最小值为setup + hold + Clk-to-Q 3、下列关于数据通路结构及其影响的描述中，正确的是（）（多选） A、常用的数据通路有专用通路和共享通路两种 B、相同指令在不同数据通路结构下数据路径不同 C、完成相同指令在不同数据通路结构下需要的控制信号不同 D、相同指令在不同数据通路结构下执行的效率不同 6.4 数据通路实例随堂测验 1、下图为单总线结构数据通路实例关于该数据通路的下列描述中，正确的是（) (多选) A、PC +“1" 的数据通路为PC -> X -> ALU ->Z -> PC
第六章中央处理器综合测试卷（一） 一、选择题： 1、下列哪一个是计算机硬件的核心部件（） A、CPU B、ROM C、RAM D、CACHE 2、传统的CPU由（）构成。 A、内存和运算器 B、运算器和CACHE C、控制器和存储器 D、控制器和存储器 3、下列哪一项不是CPU的功能（） A、指令控制 B、时间控制 C、数据加工 D、输入数据 4、下列哪一项不是控制器的组成部分（） A、程序计数器 B、指令寄存器 C、指令译码器 D、寄存器组 5、程序计数器中存放的是（） A、当前指令 B、下一条指令 C、当前指令地址 D、下一条指令的地址 6、下列哪一项不是CPU的组成部分（） A、地址寄存器 B、时序产生器 C、ALU D、ROM 7、指令的执行由（）完成 A、指令寄存器 B、程序计数器 C、地址寄存器 D、指令译码器 8、CPU中用于存放当前正在执行的指令并为译码器提供信息的部件是（） A、指令译码器 B、指令寄存器 C、地址译码器 D、地址寄存器 9、算术逻辑单元简称（） A、CAM B、PC C、ALU D、CPU 10、高速缓冲存储器简称为（） A、ROM B、CACHE C、RAM D、CAM 11、衡量运算器的运算速度的重要指标是（） A、BIPS B、KBPS C、MIPS D、MBPS 12、下列不属于CPU新技术的是（） A、流水线 B、RISC C、CISC D、超标量 13、能够区分某寄存器中存放的是数值还是地址的，只有计算机的（） A、译码器 B、判断程序 C、指令 D、时序信号 14、控制器的主要功能是（） A、控制程序的运行速度 B、对指令进行译码 C、对高级语言进行编绎 D、控制指令的运行速度 15、计算机的工作过程是执行（）的过程 A、命令 B、指令 C、程序 D、语言 16、读取并执行一条指令的时间称为（） A、CPU周期 B、时钟周期 C、指令周期 D、存储周期 17、一节拍脉冲维持的时间长短是一个（） A、时钟周期 B、节拍 C、机器周期 D、指令周期 18、计算机中有多种周期，其中哪一个周期最长（） A、机器周期 B、指令周期 C、CPU周期 D、时钟周期 19、一个指令周期至少包含（）个CPU周期。 A、1 B、2 C、3 D、4 二、判断题： 1、计算机系统由CPU、存储器、I/O设备组成。
计算机组成原理 第六章中央处理器 6.8 硬布线控制器设计（1）
1基本原理 ?将控制器看成产生固定时序控制信号的逻辑电路 ? ?输出信号：功能部件控制信号序列 ?设计目标：最少元件，最快速度 ?理论基础：布尔代数 ?组成器件：门电路，触发器 指令 译码 微操作控制信号序列 指 令 寄 存 器 IR 反馈信号 I1 I m n B1 B j ID 硬布线控制器 CLK 机器指令字→控制器信号序列
2 单总线结构CPU ID 操作控制器 时序部件 PC PC in PC out IR in IR IR out +1ALU X Z A B ADD X in Z out SUB R0in R2 R1R0 R0out R1in R1out R2in R2out MEM AR DR W rite R ead AR in DR in DR out DRE out DRE in 总线 ：数据流：控制流 操作控制信号 … 1.LOAD R0,6# 2.MOVE R1,10 3.ADD R0,R1 4.STORE R0,(R2) 5.JMP 1000
3单总线结构CPU指令周期 取指令周期 执行周期?定长指令周期：传统三级时序 ◆2个机器周期，8个时钟周期、慢、设计简单?变长指令周期：现代时序 ◆ 时钟周期数可变，快，设计复杂
节拍脉冲 T 3T 4 T 2 T 1 取指执行 固定2个机器周期，8个时钟节拍 构建时序产生器 输出：M IF ，M EX ，T1，T2，T3，T4 4 定长指令周期时序产生器传统三级时序
时序产生器 S 0 T1=1M IF =1 取指令周期 S 1 T2=1M IF =1 S 2 T3=1M IF =1 S 3 T4=1M IF =1 S 4 T1=1M EX =1 执行指令周期 S 5 T2=1M EX =1 S 6 T3=1M EX =1 S 7 T4=1M EX =1 5 时序产生器状态机 首先实现状态机构建时序产生器 M IF T1M EX T2T3T4 时序产生器组合逻辑 现态 状态机组合逻辑 状态寄存器 时钟CLK 现态 次态 次态
习题 1．控制器有哪几种控制方式?各有何特点? 2．什么是三级时序系统? 3．控制器有哪些基本功能?它可分为哪几类?分类的依据是什么? 4．中央处理器有哪些功能?它由哪些基本部件所组成? 5．中央处理器中有哪几个主要寄存器?试说明它们的结构和功能。 6．某机CPU芯片的主振频率为8MHz，其时钟周期是多少微秒?若已知每个机器周期平均包含4个时钟周期，该机的平均指令执行速度为0．8MIPS，试问： (1)平均指令周期是多少微秒? (2)平均每个指令周期含有多少个机器周期? (3)若改用时钟周期为0.4us的CPU芯片，则计算机的平均指令执行速度又是多少MIPS? (4)若要得到40万次／s的指令执行速度，则应采用主振频率为多少MHz的CPU芯片? 7．以一条典型的单地址指令为例，简要说明下列部件在计算机的取指周期和执行周期中的作用。 (1)程序计数器(PC)， (2)指令寄存器(IR)； (3)算术逻辑运算部件(ALU)； (4)存储器数据寄存器(MDR)； (5)存储器地址寄存器(MAR)。 8．什么是指令周期?什么是CPU周期?它们之间有什么关系? 9．指令和数据都存放在主存，如何识别从主存储器中取出的是指令还是数据? 10．CPU中指令寄存器是否可以不要?指令译码器是否能直接对存储器数据寄存器MDR中的信息译码?为什么?以无条件转移指令JMPA为例说明。 11．设一地址指令格式如下：
现在有4条一地址指令：LOAD(取数)、ISZ(加“1”为零跳)、DSZ(减“1”为零跳)、STORE(存数)，在一台单总线单累加器结构的机器上运行，试排出这4个指令的微操作序列。 注意：当排ISZ和DSZ指令时不要破坏累加寄存器Acc原来的内容。 12．某计算机的CPU内部结构如图6—26所示。两组总线之间的所有数据传送通过ALU，AI 还具有完成以下功能的能力； F＝AD F＝B F=A+1 F＝B+i F=A-1 F=B-l 写出转子指令(JSR)的取指和执行周期的微操作序列。JSR指令占两个字，第一个字是操作码二个字是子程序的入口地址。返回地址保存在存储器堆栈中，堆栈指示器始终指向栈顶。 13．某机主要部件如图6-27所示。 (1)补充各部件间的主要连接线，并注明数据流动方向。 (2)写出指令ADD(R1)，(R2)+的执行过程(含取指过程与确定后继指令地址)。该指令的含义是进行加法操作，源操作数地址和目的操作数地址分别在寄存器R1和R2中，目的操作数寻址方式为自增型寄存器间址。
哈尔滨学院2014年秋季学期单元测试试卷 课程名称：计算机组成原理 单元名称：第六章中央处理器 一、填空题 1．控制器由于设计方法的不同可分为________型、________型和________型控制器。 2．控制器在生成各种控制信号时，必须按照一定________的进行，以使对各种操作实施时间上的控制。 3．微程序控制的计算机中的控制存储器CM是用来存放________的。 4．在微指令的字段编码法中，操作控制字段的分段并非是任意的，必须遵循的分段原则中包括： ①把________性的微命令分在同一段内； ②一般每个小段要留出一个状态，表示________。 5．微指令分为________和________微指令两类，________可以同时执行若干个微操作，所以执行机器指令的速度比________快。 二、选择题 1．在CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是。 A．主存地址寄存器B．程序计数器 C．指令寄存器D．状态标志寄存器 2．指令寄存器的位数取决于。 A．存储器的容量B．指令字长 C．机器字长D．存储字长 3．在计算机系统中，表征系统运行状态的部件是。 A．程序计数器B．累加寄存器 C．中断寄存器D．程序状态字 4．通用寄存器是。 A．可存放指令的寄存器 B．可存放程序状态字的寄存器 C．本身具有计数逻辑与移位逻辑的寄存器 D．可编程指定多种功能的寄存器 5．指令译码器是对进行译码。
A．整条指令B．指令的操作码字段 C．指令的地址D．指令的操作数字段 6.微操作信号发生器的作用是。 A．从主存中取出指令B．完成指令操作码的分析功能 C．产生控制时序D．产生各种微操作控制信号 7．下列说法中是正确的。 A．指令周期等于机器周期B．指令周期小于机器周期 C．指令周期大于机器周期D．指令周期是机器周期的两倍 8．三级时序系统提供的三级时序信号是。 A．指令周期、机器周期、节拍B．指令周期、机器周期、时钟周期 C．机器周期、节拍、脉冲D．指令周期、微指令周期、时钟周期9．采用同步控制的目的是。 A．提高执行速度B．简化控制时序 C．满足不同操作对时间安排的需要D．满足不同设备对时间安排的需要10．异步控制常用于。 A．CPU访问外围设备时B．微程序控制器中 C．CPU的内部控制中D．主存的内部控制中 11．以下叙述中，正确的是。 A．同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相容性微操作 B．同一个CPU周期中，不可以并行执行的微操作叫相容性微操作 C．同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相斥性微操作 D．都不对 12．以下说法正确的是。 A．采用微程序控制器是为了提高速度B．控制存储器采用高速RAM电路组成C．微指令计数器决定指令执行顺序D．一条微指令存放在控制存储器的一个单元中13．以下说法正确的是。 A．微程序控制方式与硬布线控制方式相比较，前者可以使指令的执行速度更快 B．若采用微程序控制方式，则可用μPC取代PC C．控制存储器可以用掩膜ROM、EPROM或闪速存储器实现 D．指令周期也成为CPU 14．以下说法正确的是。
第6章习题与解答 6-1 什么是总线？计算机系统有哪几种总线结构？各有何特点？ 答：所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线，并且能够分时地发送和接收信息。 一个计算机系统中的总线，大致分为三类： （1）同一部件如CPU内部连接各寄存器及运算器之间的总线，称为内部总线。 （2）同一台计算机系统的各部件，如CPU、内存、通道和各类I/O接口间互相连接的总线，称为系统总线。 （3）多台处理机之间互相连接的总线，称为外部总线。 6-2 集中式总线控制有哪三种方式？各有什么优缺点？ 答：集中式总线控制有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求方式。 优缺点：链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式判优速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。 6-3 什么是同步通讯和异步通讯？比较两者的优缺点。 答：同步通信——由统一时钟控制的通信，控制方式简单，灵活性差，当系统中各部件工作速度差异较大时，总线工作效率明显下降。适合于速度差别不大的场合； 异步通信——不由统一时钟控制的通信，部件间采用应答方式进行联系，控制方式较同步复杂，灵活性高，当系统中各部件工作速度差异较大时，有利于提高总线工作效率。 6-4 比较串行传送与并行传送的特点。 答：串行传送是数据在一条传输线上一位一位地依传输，传输线路少，传输速度慢，可用成本长距离的数据输送。 并行传送是每个数据位都有独立的一条传输线，各个数据位同时进行传送。传输速度快，可用成本智短距离数据输送。 6-5 什么是接口？它有哪些作用？接口是如何进行分类的？ 答：广义的讲，“接口”这一术语是指中央处理器（CPU）和内存、外围设备、或两种外围设备、或两种机器之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口部件在它所连接的两部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。 按数据传输宽度分类：分为并行接口和串行接口 按操作的节拍分类: 分为同步接口和异步 按接口信息传送的控制方式，可以将接口分为：有程序控制的输入输出接口、程序中断输入输出接口和直接存储器存取（DMA）接口三种。 6-6 主机与外围设备之间如何连接。 答：主机与外围设备通过接口连接。如图所示 图中CPU、接口和外围设备之间的连接方式图。外围设备本身带有自己的设备控制器，它是控制外围设备进行操作的控制部件。通常在总线和每个外围设备的设备控制器使用一个