Lecture 18 中央处理器-指令运行的基本过程 - 作业参考答案 - 副本

【基础知识】CPU指令执⾏的五个阶段，cpu就是⽤来执⾏指令的IF(Instruction fetch) 取指：从 Instruction-Memory 中读取指令，并在下⼀个时钟上升沿到来时把指令送到 ID 级的指令缓冲器 id_ir 中。

该级控制信号决定下⼀个指令指针的 pc 信号(即 Instruction-Memory 的指令地址 i_addr)ID(Instruction decode)指令译码：对 IF 级的指令进⾏译码，根据指令操作码获取操作数read reg_1、read reg_2 或者要直接储存的数据内容 smdr，并在下⼀个时钟上升沿到来前把指令 id_ir(前 8 位，操作码+operand1)送到 EX 级的指令缓冲器 ex_ir 中EX(Execute)执⾏：该级进⾏算术运算(加、减)、简单传输(JUMP 操作)、逻辑运算(与、或、异或) 或移位操作(逻辑左移、逻辑右移、算术左移、算术右移)。

算术逻辑单元 ALU 根据指令对两个操作数 reg_A、 reg_B 进⾏操作，将获得的结果 ALUo 送到下⼀级的 reg_C，在此过程中，控制标志信号 cf、nf、zf 并将其传到相应的缓冲寄存器 ;或者产⽣存储数据的使能信号 d_we，同时将要直接储存的数据内容 smdr 传到MEM 级的 smdr1。

在下⼀个时钟上升沿到来前把指令 ex_ir 送到 MEM 级的指令缓冲器 mem_ir 中。

总的来说就是拿到译码后的数据在ALU 中进⾏计算，并将计算的结果放在MEM中的缓冲区中。

MEM(Memory Access)：数据存储器访问: 根据指令处理 reg_C 获取需要的内容存储到缓冲器 reg_C1，并在下⼀个时钟上升沿到来前把指令 mem_ir 送到 WB 级的指令缓冲器 wb_ir 中。

只有在执⾏ LOAD、STORE 指令时才对存储器进⾏读、写操作，对于此之外的其他指令，MEM 级只起到⼀个周期的作⽤。

计算机原理第六章中央处理器课堂笔记及练习题主题：第六章中央处理器学习时间： 2016年11月7日--11月13日内容：我们这周主要学习第六章中央处理器其中包括CPU的功能和组成、指令周期、时序产生器和控制方式、微程序控制器等内容。

希望通过这些内容的学习能使同学们进一步掌握计算机的中央处理器的相关知识。

一、学习要求1．了解CPU的功能和组成；2．掌握指令周期、时序产生器和控制方式的相关知识；3. 掌握微程序控制器的相关知识。

二、主要内容(一) CPU的功能和组成1．CPU的功能CPU（central processing unit）是电脑中的核心配件，是一台计算机的运算核心和控制核心。

电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。

CPU的结构：中央处理器CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。

中央处理器从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。

它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作，从而完成一条指令的执行。

指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。

指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字和特征码。

CPU的五大功能：---输入单元：用来读取给电脑处理的资料或程式---处理单元：用来执行计算；比较和判断等运算功能---输出单元：将电脑的运算结果和处理好的资料输出---记忆单元：用来储存资料或程式的地方---控制单元：按作业程序指挥上述单元的运作及交换资料通道的传送2．CPU的组成CPU内部结构大概可以分为控制单元、运算单元、存储单元和时钟等几个主要部分。

运算器是计算机对数据进行加工处理的中心，它主要由算术逻辑部件（ALU：Arithmetic and Logic Unit）、寄存器组和状态寄存器组成。

ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。

第五章中央处理器习题参考答案1．请在括号内填入适当答案。

在CPU中：(1) 保存当前正在执行的指令的寄存器是（指令寄存器IR）；(2) 保存当前正在执行的指令地址的寄存器是(程序计数器AR)；(3) 算术逻辑运算结果通常放在（通用寄存器）和（数据缓冲寄存器DR）。

2．参见下图（课本P166图5.15）的数据通路。

画出存数指令"STA R1 ，(R2)"的指令周期流程图，其含义是将寄存器R1的内容传送至（R2）为地址的主存单元中。

标出各微操作信号序列。

解："STA R1 ，(R2)"指令是一条存数指令，其指令周期流程图如下图所示：3．参见课本P166图5.15的数据通路，画出取数指令"LDA（R3），RO"的指令周期流程图，其含义是将(R3)为地址的主存单元的内容取至寄存器R0中，标出各微操作控制信号序列。

5．如果在一个CPU周期中要产生3个脉冲 T1 = 200ns ,T2 = 400ns ,T3 = 200ns,试画时序产生器逻辑图。

解：节拍脉冲T1 ，T2 ，T3 的宽度实际等于时钟脉冲的周期或是它的倍数，此时T1 = T3 =200ns ，T2 = 400 ns ，所以主脉冲源的频率应为 f = 1 / T1 =5MHZ 。

为了消除节拍脉冲上的毛刺，环型脉冲发生器可采用移位寄存器形式。

下图画出了题目要求的逻辑电路图和时序信号关系。

根据关系，节拍脉冲T1 ，T2 ，T3 的逻辑表达式如下：T1 = C1·， T2 = ， T3 =6．假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。

已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量。

解：微指令条数为：（4-1）×80+1=241条取控存容量为：241×32/8=964B7. 某ALU器件使用模式控制码M，S3，S2，S1，C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。

第3章课后习题解析及答案3.1第1章习题解答1．简要解释下列名词术语【答】数字计算机：一种能存储程序，能自动连续地对各种数字化信息进行处理的快速工具。

硬件：是指组成计算机系统的设备实体，如CPU、存储器、I/O设备等。

软件：泛指各类程序、文档等。

CPU：即中央处理器，是由运算器和控制器组成的计算机硬件系统的核心部件。

主存储器：位于主机内部，用来存放CPU需要使用的程序和数据的部件。

外存储器：位于主机外部，用来存放大量的需要联机保存、但CPU暂不使用的程序和数据的部件。

外部设备：位于主机之外，和主机进行信息交换的输入设备或输出设备。

信息的数字化表示：注意，信息的数字化表示包含了两层含义，即：用数字代码表示各种信息，用数字信号（电平、脉冲）表示数字代码。

存储程序工作方式：事先编制程序，事先存储程序，自动、连续地执行程序。

模拟信号：在时间上连续变化的电信号，用信号的某些参数模拟信息。

数字信号：在时间上或空间上断续变化的电信号，依靠彼此离散的多位信号的组合表示信息。

脉冲信号：在时间上离散的电信号，利用脉冲的有无表示不同的状态。

电平信号：在空间上离散的电信号，利用信号电平的高低表示不同的状态。

系统软件：为保证计算机系统能够良好运行而设置的基础软件。

应用软件：用户在各自的应用领域中为解决各类问题而编写的软件。

操作系统：负责管理和控制计算机系统的硬件资源、软件资源与运行的核心软件，为用户提供软件的开发环境和运行环境。

语言处理程序：将源程序转换为目标程序的一类系统软件，包括各种解释程序、编译程序、汇编程序。

物理机：是指能够执行机器语言程序的实际的计算机。

虚拟机：是指通过配置软件，扩充机器功能后所形成的计算机。

总线：一组能为多个部件分时共享的公共的信息传送线路。

数据通路宽度：是指数据总线一次能并行传送的数据位数。

数据传输率：是指数据总线每秒钟传送的数据量。

接口：泛指两个部件的交接部分。

通道：能够执行专用的通道指令，用来管理I/O操作的控制部件。

计算机组成原理课后答案1. CPU结构和指令运行1.什么是CPU？它的主要功能是什么？CPU（中央处理器）是一种微处理器，它是计算机硬件系统的主要组成部分，主要功能是执行计算机指令集中的指令，并控制各种硬件设备协调工作。

2. CPU执行指令的步骤是什么？CPU执行指令的步骤主要包括以下几个步骤：1）取指令：将指令从内存中读取到指令寄存器中；2）译码：根据指令码对指令进行译码；3）执行：按照指令的要求进行处理，包括算术运算、逻辑运算、存储访问等；4）结果存储：将运算结果存储到寄存器或内存中。

3. CPU的主要寄存器有哪些？它们分别用来存储什么？CPU主要寄存器有以下几个：1）程序计数器（PC）：用于存储下一条指令的地址；2）指令寄存器（IR）：用于存储当前正在执行的指令；3）累加器（ACC）：用于存储算术运算的结果；4）数据寄存器（DR）：用于存储操作数；5）地址寄存器（AR）：用于存储内存地址；6）状态寄存器（SR）：用于存储CPU的状态信息。

4. 什么是指令周期？它包括哪些阶段？指令周期是指一个CPU执行一条指令所需要的时间，一般包括取指、译码、执行和访存等几个阶段。

具体包括：1）取指周期：将指令从内存中取到指令寄存器中；2）译码周期：对指令进行译码，确定指令类型和操作对象；3）执行周期：按照指令要求进行计算或存储访问等操作，产生结果；4）访存周期：用于访问内存，将结果写回内存中。

5. CPU的字长是什么？它对CPU的性能有什么影响？CPU的字长是指一次可以处理的最大数据位数，通常以比特数表示。

字长越长，CPU一次处理的数据就越多，计算能力越强，执行同一指令时所需的时钟周期也相应减少，因此影响了CPU的性能。

此外，字长还与CPU的寻址能力、数据传输速率等有关。

2. 存储器层次结构1. 计算机存储器的层次结构包括哪些？计算机存储器的层次结构包括以下几层：1）寄存器：位于CPU内部，存储最频繁使用的数据和指令；2）高速缓存（cache）：位于CPU与主存之间，缓存最近使用过的数据和指令；3）主存：存储程序执行时需要的数据和指令；4）辅助存储器：存储大量的数据和程序，如硬盘、光盘等。

计算机基础习题答案计算机基础是学习计算机科学和信息技术的入门课程，它涵盖了计算机的基本原理、硬件组成、软件应用以及操作系统等方面的知识。

以下是一些计算机基础习题的答案，供参考：1. 计算机的发展历程计算机的发展可以追溯到20世纪40年代，最初的计算机体积庞大，如ENIAC。

随着技术的进步，计算机逐渐实现了小型化、智能化。

现代计算机已经从最初的电子管计算机发展到集成电路计算机，再到现在的大规模集成电路计算机。

2. 计算机硬件组成计算机硬件主要由以下几个部分组成：- 中央处理器（CPU）：计算机的大脑，负责执行程序指令。

- 内存（RAM）：临时存储数据和指令，断电后数据会丢失。

- 硬盘（HDD）或固态硬盘（SSD）：用于存储操作系统、应用程序和用户数据。

- 主板：连接所有硬件的中心。

- 输入输出设备：如键盘、鼠标、显示器、打印机等。

3. 计算机软件分类计算机软件分为两大类：- 系统软件：如操作系统（Windows、macOS、Linux等），它们为计算机提供基本运行环境。

- 应用软件：为用户完成特定任务而设计的程序，如文字处理软件、图像编辑软件、数据库管理软件等。

4. 操作系统的作用操作系统是计算机系统的核心软件，它管理计算机硬件资源，提供用户界面，以及运行应用程序。

它的作用包括：- 管理内存和处理进程。

- 协调输入输出设备。

- 提供文件系统管理。

- 保护系统安全。

5. 计算机病毒计算机病毒是一种恶意软件，它可以自我复制并传播到其他计算机。

病毒可以破坏数据、窃取信息或使系统无法正常运行。

预防计算机病毒的措施包括：- 安装防病毒软件。

- 定期更新操作系统和应用程序。

- 不打开不明来源的电子邮件附件。

6. 计算机网络基础计算机网络由硬件（如路由器、交换机、网络接口卡等）和软件（如TCP/IP协议）组成。

网络的基本功能包括：- 数据传输：通过网络传输信息。

- 资源共享：允许用户访问网络上的资源，如文件、打印机等。