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计算机组成原理8

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《计算机组成原理》各章练习参考答案

《计算机组成原理》各章练习参考答案

《计算机组成原理》各章练习题参考答案第一章思考练习题一.填空1.电子数字计算机可以分为专用计算机和通用计算机两类。

2.硬件采用LSI或VLSI的电子计算机属于计算机发展过程中的第四代。

3.存储器中存放数据和程序。

4.一台计算机包括运算、存储、控制、输入及输出五个单元。

5.完成算术运算和逻辑运算的部件是运算器(或ALU)；运算器的核心是加法器；控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果的部件是控制器。

6.CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线是内部总线；CPU同存储器、通道等互相连接的总线是系统总线；中、低速I/O设备之间互相连接的总线是I/O总线。

7.在多总路线结构中，CPU总线、系统总线和高速总线相连通过桥实现。

8.计算机软件一般分为系统软件和应用软件。

9.完整的计算机系统由硬件系统和软件系统构成。

10.机器字长是指一台计算机一次所能够处理的二进制位数量。

11.数据分类、统计、分析属于计算机在数据处理方面的应用。

12.计算机是一种信息处理机，它最能准确地反映计算机的主要功能。

13.个人台式商用机属于微型机。

14.对计算机软硬件进行管理，是操作系统的功能。

15.用于科学技术的计算机中，标志系统性能的主要参数是MFLOPS。

16.通用计算机又可以分为超级机、大型机、服务器、工作站、微型机和单片机六类。

17.“存储程序控制”原理是冯.诺依曼提出的。

18.运算器和控制器构成CPU，CPU和主存构成主机。

19.取指令所用的时间叫取指周期，执行指令所用的时间叫执行周期。

20.每个存储单元都有一个编号，该编号称为地址。

21.现代计算机存储系统一般由高速缓存、主存和辅存构成。

22.计算机能够自动完成运算或处理过程的基础是存储程序和程序控制原理。

二.单选1.存储器用来存放( C )。

A.数据B.程序C.数据和程序D.正在被执行的数据和程序2.下面的描述中，正确的是( B )A.控制器能够理解、解释并执行所有的指令及存储结果。

计算机组成原理试题集含答案(8)

计算机组成原理试题集含答案(8)

计算机组成原理试题集含答案第五章a单选题1、一般机器周期的时间是根据（A ）来规定的。

主存中读取一个指令字的时间主存中读取一个数据字的时间主存中写入一个数据字的时间主存中读取一个数据字的时间2、存放微程序的控制存储器称为：（B）高速缓冲存储器控制存储器虚拟存储器主存储器3、以下叙述中正确描述的句子是： (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同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相交性微操作同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相斥性微操作同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫排他性微操作4、计算机操作的最小时间单位是：(A)时钟周期指令周期CPU周期微指令周期5、下列部件中不属于控制器的是：(D)IR操作控制器PCPSW6、同步控制是:(C)只适用于CPU控制的方式只适用于外围设备控制的方式由统一时序信号控制的方式所有指令执行时间都相同的方式7、在CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是：(B)MAR PC IR PSW判断题8、指令流水线中主要存在三种相关冲突：资源相关、数据相关及控制相关。

对9、并发性指两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。

对10、硬布线控制器的缺点：增加了到控存中读取微指令的时间，执行速度慢。

错11、微程序控制器的优点：规整性、灵活性、可维护性强。

对12、微操作是执行部件接受微命令后所进行的操作，是计算机硬件结构中最基本的操作对13、微命令指控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令，是构成控制信号序列的最小单位。

对14、时钟周期是CPU处理操作的最大时间单位。

错15、微程序控制器属于存储逻辑型，以微程序解释执行机器指令，采用存储逻辑技术实对16、地址寄存器用于存放当前执行的指令码，供进行指令译码。

错17、程序计数器用于存放CPU正在执行的指令的地址。

错18、指令寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元的地址。

错填空题19、请在括号内填入适当答案。

计算机组成原理(本全)课件

计算机组成原理(本全)课件
计算机组成原理(本 全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。

计算机组成原理课件

计算机组成原理课件

计算机组成原理课件
计算机组成原理课件通常包括以下几个部分：1.计算机系统概述
计算机的发展历史
计算机的基本组成
计算机的工作原理
2.数据表示与运算
二进制数系统
数据的表示方法：原码、反码、补码
基本运算：加法、减法、乘法、除法、逻辑运算3.计算机硬件组成
中央处理器(CPU)
指令系统
控制器
运算器
存储器
内存
外存
输入/输出设备
输入设备
输出设备
4.计算机指令系统
指令格式
指令分类：数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等
指令执行过程
5.存储系统
存储器层次结构
高速缓冲存储器（CaChe）
主存储器（内存）
辅助存储器（外存）
虚拟存储器
6.I/O系统
I/O设备的分类
I/O接口与总线
I/O控制方式：轮询、中断、直接内存访问（DMA）等
I/O设备管理
7.计算机性能评价与优化
计算机性能指标
影响计算机性能的因素
计算机性能优化方法
8.计算机体系结构
冯•诺依曼体系结构
哈佛体系结构
VonNeumann和Harvard体系结构的比较与优缺点9.多处理器系统与并行计算
多处理器系统的基本概念
多处理器系统的分类与特点
并行计算的基本概念与技术
多处理器与并行计算的应用实例。

计算机组成原理第8章习题指导

计算机组成原理第8章习题指导

第8章CPU的结构和功能例8.1假设指令流水线分取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、回写（WR）四个过程段，共有10条指令连续输入此流水线。

（1）画出指令周期流程。

（2）画出非流水线时空图。

（3）画出流水线时空图。

（4）假设时钟周期为100ns，求流水线的实际吞吐率。

（5）求该流水处理器的加速比。

解:（1）根据指令周期包括IF、ID、EX、WR四个子过程，图8.1（a）为指令周期流程图。

（2）非流水线时空图如图8.1（b）所示。

假设一个时间单位为一个时钟周期，则每隔4个时钟周期才有一个输出结果。

（3）流水线时空图如图8.1（c）所示。

由图可见，第一条指令出结果需要4个时钟周期。

当流水线满载时，以后每一个时钟周期可以出一个结果，即执行完一条指令。

(a)指令周期流程(b) 非流水线时空图(c) 标准流水线时空图图8.1 例8.1答图（4）由图8.1（c）所示的10条指令进入流水线的时空图可见，在13个时钟周期结束时，CPU执行完10条指令，故实际吞吐率为：10/(100ns×13) ≈ 0.77×107条指令/秒（5）在流水处理器中，当任务饱满时，指令不断输入流水线，不论是几级流水线，每隔一个时钟周期都输出一个结果。

对于本题四级流水线而言，处理10条指令所需的时钟周期数为T4 = 4 +（10 −1）= 13。

而非流水线处理10条指令需4×10 = 40个时钟周期。

故该流水处理器的加速比为40 ÷13 ≈ 3.08 例8.2设某机有四个中断源1、2、3、4，其硬件排队优先次序按1→2→3→4降序排列，各中断源的服务程序中所对应的屏蔽字如表8.1所示。

表8.1 例8.2各中断源对应的屏蔽字中断源 屏蔽字1 2 3 41 1 1 0 12 0 1 0 03 1 1 1 14 0 1 0 1（1）给出上述四个中断源的中断处理次序。

（2）若四个中断源同时有中断请求，画出CPU执行程序的轨迹。

计算机组成原理课后答案(第二版)_唐朔飞_第八章

计算机组成原理课后答案(第二版)_唐朔飞_第八章
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。
向量编码器——向量中断时，用 来产生向量地址； 中断允许触发器（EINT）—— CPU中的中断总开关，完成开、关中 断状态的设置； 中断标记触发器（INT）——用来 建立中断周期状态。INT=1，表示进 入中断周期，即开始执行中断隐指令； 中断屏蔽触发器——对于可屏蔽 的中断源进行开、关中断操作，可视 为各中断源的中断分开关； 采用程序中断技术时，指令系统 中往往有相关指令支持。常见的指令 有：开中断、关中断、中断返回等。
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。
4. 设CPU内有下列部件：PC、IR、 SP、AC、MAR、MDR和CU，要求： （1）画出完成间接寻址的取数指 令LDA@X（将主存某地址单元X的内 容取至AC中）的数据流（从取指令开 始）。 （2）画出中断周期的数据流。 解：CPU中的数据流向与所采用 的数据通路结构直接相关，不同的数 据通路中的数据流是不一样的。常用 的数据通路结构方式有直接连线、单 总线、双总线、三总线等形式，目前 大多采用总线结构，直接连线方式仅 适用于结构特别简单的机器中。

计算机组成原理习题 第八章输入输出系统

第八章输入输出系统一、填空题；1.直接内存访问（DMA）方式中，DMA控制器从CPU完全接管对的控制，数据交换不经过CPU,而直接在内存和之间进行。

2.通道是一个特殊功能的，它有自己的专门负责数据输入输出的传输控制。

3.并行I/O接口和串行I/O接口是目前两个最具有权威性的标准接口技术。

4.在计算机系统中，CPU对外围设备的管理，除了程序查询方式、程序中断方式外，还有方式、方式和方式。

5.程序中断方式控制输入输出的主要特点是，可以使A 和B 并行工作。

6.DMA控制器按其A 结构，分为B 型和C 型两种。

7.通道是一个特殊功能的A ，它有自己的B 专门负责数据输入输出的传输控制，CPU只负责C 功能。

8.通道有三种类型：A 通道、B 通道、C 通道。

9.二、选择题：1.下面有关“中断”的叙述，______是不正确的。

A.一旦有中断请求出现，CPU立即停止当前指令的执行，转而去受理中断请求B.CPU响应中断时暂停运行当前程序，自动转移到中断服务程序C.中断方式一般适用于随机出现的服务D.为了保证中断服务程序执行完毕以后，能正确返回到被中断的断点继续执行程序，必须进行现场保存操作2.中断向量地址是______。

A. 子程序入口地址B. 中断服务例行程序入口地址C. 中断服务例行程序入口地址的地址D. 主程序返回地址3.在数据传送过程中，数据由串行变并行或由并行变串行，其转换是通过______。

A. 移位寄存器B. 数据寄存器C. 锁存器D. 指令寄存器4.下述I/O控制方式中，主要由程序实现的是______。

A. PPU(外围处理机)方式B. 中断方式C. DMA方式D. 通道方式5.采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据要占用______的时间。

A. 一个指令周期B. 一个机器周期C. 一个时钟周期D. 一个存储周期6.发生中断请求的条件是______。

A. 一条指令执行结束B. 一次I/O操作开始C. 机器内部发生故障D. 一次DMA操作开始7.中断向量地址是______。

《计算机组成原理》实验报告---8位算术逻辑运算实验

.'.计算机专业类课程实验报告课程名称：计算机组成原理学 院：信息与软件工程学院专 业：软件工程学生姓名：学 号：指导教师：日 期： 2012 年 12 月 15 日电子科技大学实验报告一、实验名称：8位算术逻辑运算实验二、实验学时：2三、实验内容、目的和实验原理：实验目的：1.掌握算术逻辑运算器单元ALU（74LS181）的工作原理。

2.掌握模型机运算器的数据传送通路组成原理。

3.验证74LS181的组合功能。

4.按给定数据，完成实验指导书中的算术／逻辑运算。

实验内容：使用模型机运算器，置入两个数据DR1=35，DR2=48，改变运算器的功能设定，观察运算器的输出，记录到实验表格中，将实验结果对比分析，得出结论。

实验原理：1.运算器由两片74LS181以并/串形式构成8位字长的ALU。

.'. 2.运算器的输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连。

3.运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS273）锁存。

4.锁存器的输入连至数据总线，数据开关（INPUT DEVICE）用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74LS245）和数据总线相连。

5.数据显示灯（BUS UNIT）已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。

实验器材（设备、元器件）：模型机运算器四、实验步骤：1. 仔细查看试验箱，按以下步骤连线1）ALUBUS连EXJ32) ALU01连BUS13) SJ2连UJ24) 跳线器J23上T4连SD5) LDDR1,LDDR2,ALUB,SWB四个跳线器拨在左边6) AR跳线器拨在左边，同时开关AR拨在“1”电平2. 核对线路，核对正确后接通电源3. 用二进制数据开关KD0-KD7向DR1和DR2寄存器置入8位运算数据。

①调拨8位数据开关KD0-KD7为01100101（35H），准备向DR1送二进制数据。

②数据输出三态缓冲器门控信号ALUB=1（关闭）。

③数据输入三态缓冲器门控信号SWB=0（打开）。

(完整版)计算机组成原理试题解析8

一,判断题1.组成总线不仅要有传输信息的传输线,还应有实现总线传输控制的器件,即总线缓冲器和总线控制器.答:正确.2.大多数微机总线由地址总线,数据总线和控制总线组成,因此,它们是三总线结构的.答:错误.3.在计算机总线中,地址信息,数据信息和控制信息不能同时出现.答:正确.4.三态缓冲门可组成运算器的数据总线,它的输出电平有逻辑"1"或逻辑"0",高阻抗三种状态.答:正确.5.计算机使用总线结构的主要优点是便于积木化,同时减少了信息传输线的数目.答:正确.6.任何类型的计算机都包含地址总线,数据总线和控制总线.答:正确.7.地址线的条数反映了微处理器的寻址能力.答:正确.8.地址总线的特点是可双向传输,控制总线的特点是双向传输.答:错误.B全速版的最大传输速率比USB高速版大.答:错误.10.总线的发展与CPU的发展休戚相关,CPU的主频提高后,总线的数据传输如果不随之提高,必将妨碍整机性能的提高.答:正确.二.选择题1.CPU的芯片中的总线属于.解:答案为AA.内部B.局部C.系统D.板级2.下面所列的不属于系统总线接口的功能.A.数据缓冲B.数据转换C.状态设置D.完成算术和逻辑运算解:答案为D3.信息只用一条传输线,且采用脉冲传输的方式称为.A.串行传输B.并行传输C.并串行传输D.分时传输解:答案为A4.在的计算机系统中,外设可以主存储器单元统一编址.A.单总线B.双总线C.三总线D.以上三种都可以解:答案为A5.系统总线中地址线的功能是.A.用于选择主存单元地址B.用于选择进行信息传输的设备C.用于选择外存地址D.用于指定主存和I/O设备接口电路的地址解:答案为D6.同步通信比异步通信具有较高的传输频率,这是因为.A.同步通信不需要应答信号.B.同步通信方式的总线长度较短.C.同步通信一个公共时钟信号进行同步.D.同步通信中各部件存取时间比较短.解:答案为C7.异步控制常用于作为其主要控制方式.A.在单总线结构计算机中访问主存与外设时B.微机的CPU控制中C.组合逻辑控制的CPU控制中D.微程序控制器中解:答案为A8.在3种集中式总线控制中,_______方式响应时间最快,_______方式对电路故障最敏感.A.链式查询B.计数器定时查询C.独立请求解:答案为A9.在计数器定时查询方式下,若从0开始计数,则.A.用于选择主存单元地址B.用于选择进行信息传输的设备C.用于选择外存地址D.用于指定主存和I/O设备接口电路的地址解:答案为C10.CPU的控制总线提供.A.数据信号流B.存储器和I/O设备的时序信号和控制信号C.来自I/O设备和存储器的响应信号D.B和C解:答案为D11.在菊花链方式下,越靠近控制器的设备.A.得到总线使用权的机会越多,优先级越高B.得到总线使用权的机会越少,优先级越低C.得到总线使用权的机会越多,优先级越低D.得到总线使用权的机会越少,优先级越高解:答案为A12.在独立方式下,若有几个设备,则.A.有几个总线请求信号和几个总线响应信号B.有一个总线请求信号和一个总线响应信号C.总线请求信号多于总线响应信号D.总线请求信号少于总线响应信号解:答案为A13.在链式查询方式下,若有n个设备,则.A.有几条总线请求信号B.公用一条总线请求信号C.有n-1条总线请求信号D.无法确定解:答案为B三.填空题1.计算机中各功能部件是通过连接的,它是各部件间进行信息传输的公共通路.答:总线.2.CPU内部的总线是级总线,也叫内部总线.答:芯片.3.总线控制方式可分为式和式两种.答:集中,分布.4.同步方式下,总线操作有固定的时序,设备之间应答信号,数据的传输在的时钟信号控制下进行.答:没有,一个公共.5.异步方式下,总线操作周期不固定,通过信号相互联络.答:握手(就绪/应答).6.决定总线由哪个设备进行控制称为,实现总线数据的定时规则叫.答:总线仲裁,总线协议.7.衡量总线性能的一个重要指标是总线的,即单位时间内总线传输数据的能力.答:数据传输速率.8.总线技术可使不同的信号在同一条信号线上传输,分时使用.答:复用.9.总线协议是指.答:实现总线数据传输的定时规则.10.总线设备与总线的连接界面是.答:总线接口.11.总线的基本特性包括, 和电气特性.答:物理特性,功能特性.12.总线控制主要解决问题.集中式仲裁有, 和.答:总线控制权,链式查询方式,计数器定时查询方式,独立请求方式.B接口通过使用,理论上可使一台PC机连接的外设多达台.答:集线器(HUB),127台.14.在单总线,双总线,三总线三种系统中,从信息流传送效率的角度看, 的工作效率最低,从吞吐量来看, 最强.答:单总线,双总线.15.AGP总线不同于PCI总线,它是提供专用的,它在与系统内存之间提供了一条直接访问的途径.答:图形加速卡,图形卡.16.根据总线传输的信息内容的不同,总线可分为, 和.任何类型的计算机总线都包括这三种总线.答:数据,地址,控制总线.四.计算题1.在一个16位的总线中,若时钟频率为100MHz,总线数据周期为5个时钟周期传输一个字.试计算总线的数据传输率.解:时钟频率为100MHz,所以5个时钟周期=5×100μs=0.05μs数据传输率=16bit/0.05μs=40×106字节/秒2.⑴某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据,若一个总线周期等于一个时钟周期,总线频率为33MHz,问总线带宽是多少⑵若一个总线周期中并行传送64位数据,总线时钟提高为66MHz,问总线带宽是多少⑶分析影响带宽的有哪些因素解:⑴设带宽用Dr表示,总线时钟周期用T=1/f 表示,一个总线周期传送的数据量用D表示,根据定义可得Dr=D/T=D×f=4B×33×106/S=132MB/S⑵因为64位=8B,所以Dr=D/T=D×f=8B×66×106/S=528MB/S⑶总线带宽是总线能提供的数据传送速率,通常用每秒传送信息的字节数(或位数)来表示.影响总线带宽的主要因素有:总线宽度,传送距离,总线发送和接收电路工作频率限制及数据传送形式.3.在异步串行传输系统中,若每秒可传输20个数据帧,一个数据帧包含1个起始位,7个数据位,一个奇校验位和1个结束位.试计算其波特率和比特率.解:波特率=(1+7+1+1)×20=200b/s,比特率=20×7=140b/s.。

《计算机组成原理》8-输入输出系统


允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
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计算机组成原理
18
执行步骤所需的控制信号
分支 取指令 操作 PCMAR, PC+1, read MDRIR R1Y ADD 操作 LOAD 操作 R2+YZ ZR3 IRMAR, read MDRR1 STORE 操作 IRMAR R1MDR, write PCY JMP 操作 IR+YZ ZPC
计算机组成原理 6
时序产生器
多级时序的概念 (1)指令周期:在时序系统中通常不为指令周期设置时间标志 信号,因而也不将其作为时序的一级. (2)机器周期:设置一组周期状态触发器,以标志不同的机器周 期.任一时刻只允许其中的一个触发器为1,表明CPU当前处在 哪个机器周期. (3)时钟周期:一个时钟周期内完成一步基本操作. (4)时钟脉冲信号:作为时序系统的基本定时信号. 多级时序信号之间的关系: 指令周期不作为时序的一级,下图反映了机器周期、 时钟周期、时钟脉冲三级时序信号的关系。 通常硬布线逻辑使用三级时序系统。 微程序控制逻辑使用两级时序系统
计算机组成原理 7
一个指令周期 机器周期M1
机器周期M2
机器周期M3 时钟周期T1 时钟周期T2 时钟周期T3 时钟脉冲CLK
计算机组成原理
三级时序信号间的关系
8
时序产生器的主要逻辑电路
T4 T1 T2 T3
Q C1 D +5V
Q C2 CP
Q D
Q C3 CP
Q D
Q CP
R
2
Q D
3
φ
脉冲源
计算机组成原理
20
控制器的逻辑表达式
PC+1 = T1 PCin = T5*JMP PCout = T1 + T3*JMP Yin = T3*(ADD + JMP) Add = T4*(ADD + JMP) Zin = T4*(ADD + JMP) Zout = T5*(ADD + JMP) END = T5*(ADD + JMP) ...
计算机组成原理
21
组合逻辑控制器的特点
优点:速度快,可用于速度要求较高的机器中.
缺点:(1) 缺乏规整性:将几百个微操作的执行逻辑组合在 一起,构成的微操作产生部件,是计算机中最复杂、最不规整的 逻辑部件.不适合于指令复杂的机器. (2)缺乏灵活性:各微命令的实现是用硬连的逻辑电路完 成,改动不易,设计困难.
计算机组成原理
22
PLA控制器
PLA控制器的设计步骤与组合逻辑控制器相同,只是实现 方法不同,它采用PLA阵列(Programmed Logic Array). 从 设计思想来看是组合逻辑控制器,从实现方法来看,是存储逻 辑控制器. 特点:可使杂乱无章的组合逻辑规整化、微型化，而且可 以利用PLA的可编程特性，用存储逻辑部分地取代组合逻辑， 增加了一定的灵活性。
计算机组成原理 2
控制器的组成
程序计数器(PC)：存当前正在执行的指令的地址 存即将执行的下一条指令的地址 存下一条预取指令的地址
指令寄存器(IR)：存放当前正在执行的指令 指令译码器（ID）：对操作码进行分析, 产生相应控制信号 脉冲源：时钟信号, reset信号 启停控制线路：开启、封锁机器工作时钟 时序控制信号形成部件：产生节拍序列脉冲信号 程序状态字（PSW）：状态寄存器，标志位, 控制位
用于存放全部指令的所有微程序,采用只读存储器结构(固 化).控制存储器的字长等于微指令的长度,其总容量决定于所 有微程序的总长度.
计算机组成原理
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5.微指令周期:从控制存储器中读取一条微指令并执行这条微指 令所需的时间,通常一个微指令周期与一个CPU周期的时间相等. 微指令中的微命令可以用节拍脉冲来同步定时.
微周期 子周期 T2 T3 T4
读微指令
T1
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时序系统的组成
一个时序系统的组成如图所示: 脉冲源 周期状态 触发器 M1 M2
启动 T1 脉冲发生器 节拍发生器 T2 暂停 1.脉冲源:由石英晶体震荡器及“与非门”组合的震荡电路组 成 2.脉冲发生器:通常是一个环行脉冲发生器,采用循环移位寄 存器的形式,产生一组有序的、间隔相等或不等的脉冲序列 3.节拍发生器:按先后顺序,循环地发出若干时钟周期信号,最 后通过译码电路,产生最后所需的节拍脉冲,通常由计数译码 器电路组成.
计算机组成原理 3
控制器逻辑框图
微操作控制信号
微操作控制 CPU外部状态 形成部件 时序脉冲 发生器 指令 译码器 操作码
MAR
+1
PC
脉冲源
地址形成电路
(控制台)
启停
地址码
IR
1.根据不同指令的操作码产生所需的微操作命令,即指令译码 2.操作命令与时序脉冲结合形成一定时序的微命令 实现方法: 组合逻辑:硬布线逻辑；可编程逻辑阵列(PLA) 存储逻辑:微程序控制逻辑
控制器
主要功能 从内存中取指令，计算下一条指令的地址； 对指令进行译码，产生操作控制信号； 控制指令执行的步骤和数据流动的方向。 生成控制信号的方法 硬连线逻辑方式 微程序方式 阵列逻辑方式
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控制器的主要功能
1、取指令：根据程序入口地址取出第一条指令 2、分析指令： 确定指令的操作 产生相应的操作 形成操作数的地址 3、执行指令：根据操作命令和操作数地址形成操作控制信号 序列 4、控制程序和数据的输入和结果输出 5、对异常情况和某些请求进行处理 陷阱 中断请求 DMA请求
计算机组成原理
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设计步骤
1、设计指令的操作码，确定指令长度是固定的还是可变长的。 确定机器周期、节拍与主频，确定机器周期是固定的还是可 变长的。 2、选择合适的控制方式和控制时序。 3、根据CPU的结构图，写出每条指令的操作流程图并分解成 微操作序列.确定每一条指令所需的机器周期以及每一周期 所完成的操作。 4、对微操作流程图安排时序,排出微操作时间表. 5、根据操作时间表写出微操作的表达式,即 微操作=周期*节拍*脉冲*指令码*其它条件 6、根据微操作的表达式,综合所有指令的每一个操作命令， 写出逻辑表达式，并进行化简。
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… …
4.周期状态触发器:产生电路与节拍发生器产生电路类似.表 示CPU当前处于指令周期的哪个机器周期
5.启停控制逻辑:控制时钟系统,只有当启动机器运行时,才允 许发出所需的时钟脉冲,而且,由于机器的启停是随机的,必须 考虑发出的脉冲是完整的. 时序控制逻辑基本概念 指令周期：取出一条指令并执行该指令的时间 机器周期：CPU同主存或外设进行一次信息交换所需的时间─ 总线周期、CPU周期 时钟周期：CPU执行一个微操作的最小时间单位─节拍周期、T 周期 三者关系：一个指令周期包含若干个CPU周期，一个CPU周期的 功能由多个时钟周期来完成
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指令周期的确定
固定时钟信号环形脉冲发生器： ——指令执行的时钟数固定。 可变长度时钟信号环形脉冲发生器： ——指令执行的时钟数不固定。 实现方法：用END信号，如 END = T5*ADD + T3*CLA +
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指令流程图
PC → M AR PC + 1 → PC
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异步控制方式：采用“结束——起始”的工作方式，无统一 的时序信号。特点： a）每条指令按实际需要产生节拍数 b）指令执行完毕，发出“结束”信号 c）控制器收到“结束”信号，开始执行下条指令 优点：运行速度快 缺点：控制电路比较复杂
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联合控制方式：将同步控制方式与异步控制方式结合使用。 特点： a）大部分指令按同步控制执行——中央控制 b）小部分特殊指令（过长、过短），采用异步控制方式执 行——局部控制 优点：能保证一定的运行速度 缺点：电路设计相对复杂
D B U S → M D R → IR ADD R1 → Y R2 +Y → Z Z → R3 ST O R E AR → M AR R1 → M DR LOAD IR → M A R DBUS → M DR M DR → R1 JM P PC → Y Y + IR → Z Z → PC
一个操作步骤代表在一个机器周期中可完成的操作
2.异步控制方式(分散控制方式):每条指令、每个微操作需要
多少时间就占用多少时间，不采用统一的周期和节拍，时间
上的衔接通过应答通讯方式(握手方式)实现.特点:无时间浪
费,但时序控制比较复杂. 3.联合控制方式:同步控制与异步控制相结合.
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同步控制方式：对机器的所有指令采用统一的时序信号。 特点： a）以微操作序列最长的指令为标准，确定控制微操作运行 的节拍数 b) 控制器产生统一的,顺序固定的,周而复始的节拍脉冲 c) 微操作序列短的指令可空着一部分不用 优点:电路简单 缺点:运行速度慢
计算组成原理
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微程序控制的基本概念
1.微命令与微操作 微命令:构成控制信号序列的最小单位。 微操作：控制器中执行部件接受微指令后所进行的操作。 2.微指令和微程序
微指令:在机器的一个节拍中,一组实现一定操作功能的微 命令,或者说,控制存储器中每个单元存放的微命令信息组成一 条微指令. 微程序:由微指令组成的序列称为微程序,一个微程序的功 能对应一条机器指令的功能.
转移 +1 地址
周期状态 触发器
T1
译码器
…
中断 控制 逻辑
节拍发生器
T4
硬布线逻辑 (组合逻辑)
结果反 馈信息
中断信号
…
时钟源
P
微操作控制命令
… …
组合逻辑控制器总框图
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控制器的控制方式
1.同步控制方式(集中控制方式):对机器的所有指令采用统一 的时序信号.用相同数目的机器周期,相同数目的节拍脉冲来 形成每条指令的控制操作序列.特点:时序关系简单,但以牺 牲速度为代价.