计算机组成原理第四版第五章

第五章中央处理器第五章中央处理器5.1CPU功能和组成5.2指令周期5.3时序产生器5.4微程序控制器及其设计5.5硬布线控制器及其设计5.6传统CPU5.7流水CPU5.8RISC的CPU5.9多媒体CPU5.1 CPU 的功能和组成1、CPU 的功能●指令控制（程序的顺序控制）●操作控制（一条指令有若干操作信号实现）●时间控制（指令各个操作实施时间的定时）●数据加工（算术运算和逻辑运算）执行指令取指令操作控制、时间控制−−−−−−→−2、CPU 的基本组成RD/WRLDDR LDIRPC+1LDPCLDAR2、CPU的基本组成（1）中央处理器CPU=运算器+控制器（2）运算器●ALU●累加器●暂存器2、CPU的基本组成（3）控制器控制器组成：程序计数器、指令寄存器、数据缓冲器、地址寄存器、通用寄存器、状态寄存器、时序发生器、指令译码器、总线（数据通路）●程序计数器PC(Programming Counter)用来存放正在执行的指令的地址或接着将要执行的下一条指令的地址。

顺序执行时，每执行一条指令，PC的值应加1要改变程序执行顺序的情况时，一般由转移类指令将转移目标地址送往PC ，可实现程序的转移。

●指令寄存器IR(Instruction Register)指令寄存器用来存放从存储器中取出的待执行的指令。

在执行该指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化，以保证实现指令的全部功能。

2、CPU的基本组成●指令译码器ID(Instruction Decoder)暂存在指令寄存器中的指令只有在其操作码部分经译码后才能识别出是一条什么样的指令。

译码器经过对指令进行分析和解释，产生相应的控制信号提供给时序控制信号形成部件。

●机器周期、工作节拍、脉冲及启停控制线路由脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲●时序控制信号形成部件时序控制信号形成部件又称微操作信号发生器，真正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的。

计算机组成原理蒋本珊第四版答案第五章计算机组成原理蒋本珊第四版答案第五章教材习题解答1．如何区别存储器和寄存器?两者是—回事的说法对吗?解:存储器和寄存器不是一回事。

存储器在CPU的外边，专门用来存放程序和数据，访问存储器的速度较慢。

寄存器属于CPU的一部分，访问寄存器的速度很快。

2．存储器的主要功能是什么?为什么要把存储系统分成若干个不同层次?主要有哪些层次?解:存储器的主要功能是用来保存程序和数据。

存储系统是由几个容量、速度和价存储系统和结构第5章129格各不相同的存储器用硬件、软件、硬件与软件相结合的方法连接起来的系统。

把存储系统分成若干个不同层次的目的是为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。

由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速缓存和主存间称为Cache -主存存储层次(Cache存储系统)﹔主存和辅存间称为主存—辅存存储层次(虚拟存储系统)。

3．什么是半导体存储器?它有什么特点?解:采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS型存储器和双极型存储器两大类。

半导体存储器具有容量大、速度快、体积小、可靠性高等特点。

半导体随机存储器存储的信息会因为断电而丢失。

4.SRAM记忆单元电路的工作原理是什么?它和DRAM记忆单元电路相比有何异同点?解: SRAM记忆单元由6个MOS 管组成，利用双稳态触发器来存储信息，可以对其进行读或写，只要电源不断电，信息将可保留。

DRAM记忆单元可以由4个和单个MOS管组成，利用栅极电容存储信息，需要定时刷新。

5．动态RAM为什么要刷新?一般有几种刷新方式?各有什么优缺点?解:DRAM记忆单元是通过栅极电容上存储的电荷来暂存信息的，由于电容上的电荷会随着时间的推移被逐渐泄放掉，因此每隔一定的时间必须向栅极电容补充一次电荷，这个过程就叫做刷新。

常见的刷新方式有集中式、分散式和异步式3种。

集中方式的特点是读写操作时不受刷新工作的影响，系统的存取速度比较高;但有死区，而且存储容量越大，死区就越长。

计算机组成原理第五章-有关cache的计算计算机组成原理第五章主要讲述了计算机中的缓存（Cache）技术。

缓存是一种用于提高计算机性能的关键技术，它位于CPU和内存之间，用于存储最近访问的数据和指令。

当CPU 需要访问某个数据或指令时，首先会检查缓存中是否存在该数据或指令，如果存在，则直接从缓存中获取，否则从内存中获取并存入缓存。

有关cache的计算主要包括以下几个方面：1. 命中率（Hit Rate）：命中率是指CPU在访问数据时，能够直接从缓存中找到所需数据的概率。

命中率越高，说明缓存的使用效果越好。

计算公式为：命中率= 命中次数/ (命中次数+ 未命中次数)2. 缺失率（Miss Rate）：缺失率是指CPU在访问数据时，无法从缓存中找到所需数据的概率。

缺失率越低，说明缓存的性能越好。

计算公式为：缺失率= 未命中次数/ (命中次数+ 未命中次数)3. 平均访问时间（Average Access Time）：平均访问时间是指CPU访问数据所需的总时间除以访问次数。

平均访问时间越短，说明缓存的性能越好。

计算公式为：平均访问时间= (命中时间* 命中次数+ 缺失时间* 缺失次数) / (命中次数+ 缺失次数)4. 缓存容量（Cache Capacity）：缓存容量是指缓存中可以存储的数据量。

缓存容量越大，能够存储的数据越多，从而提高缓存的命中率。

但是，缓存容量的增加也会增加成本和功耗。

5. 缓存行大小（Cache Line Size）：缓存行大小是指每次从内存中读取的数据量。

缓存行大小越大，每次读取的数据越多，从而提高缓存的命中率。

但是，过大的缓存行大小会增加内存带宽的需求。

6. 替换策略（Replacement Policy）：替换策略是指在缓存已满的情况下，如何选择要被替换的数据。

常见的替换策略有随机替换、先进先出（FIFO）替换、最近最少使用（LRU）替换等。

不同的替换策略会影响缓存的性能和命中率。

第五章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) 保存当前正要执行的指令地址的寄存器是(程序计数器PC)；(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,试画出时序产生器逻辑图。

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：256×32位=1KB7. 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。

计算机组成原理第五章课件白中英版1. 引言本文档是《计算机组成原理》第五章的课件白中英版。

该章节主要介绍了计算机的指令系统和地址模式，以及指令的执行和控制。

2. 指令系统2.1 指令的定义指令是计算机程序中的基本单位，它包含了完成某一操作或完成某项任务的操作码和操作数。

指令可以分为数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等多种类型。

2.2 操作码操作码是指令中用来表示操作类型的一组二进制码。

不同的计算机系统使用不同的操作码格式，常见的有定长操作码和变长操作码两种形式。

2.3 操作数操作数是指令中用来表示参与操作的数据或者地址的部分。

根据指令对操作数的要求和不同的寻址方式，操作数可以分为立即数、寄存器、寄存器间接寻址、直接寻址、寄存器相对寻址等多种方式。

3. 地址模式3.1 直接寻址直接寻址是指指令中给出操作数的有效地址，计算机通过该地址直接找到操作数的存储位置。

3.2 寄存器间接寻址寄存器间接寻址是指指令中给出的地址是寄存器中保存的另一个地址，计算机通过该寄存器间接找到操作数的存储位置。

3.3 立即寻址立即寻址是指指令中操作数的值直接给出，而不是通过地址间接寻址。

4. 指令的执行和控制4.1 指令执行过程指令的执行过程中，计算机根据指令的操作码判断执行的操作类型，然后根据操作数的寻址方式找到操作数的存储位置，并进行相应的操作。

4.2 程序计数器(PC)程序计数器是一个寄存器，用于存储即将被执行的指令的地址。

在每个指令执行完毕后，程序计数器自动加一，以指向下一条指令的地址。

4.3 控制单元控制单元是计算机的重要组成部分，用于控制指令的执行顺序和控制信号的产生。

控制单元根据指令的操作码产生相应的控制信号，从而控制计算机的各个部件协同工作。

5.本文档简要介绍了《计算机组成原理》第五章的课件白中英版。

主要内容包括指令系统的定义和操作码、操作数的介绍，以及地址模式的直接寻址、寄存器间接寻址和立即寻址的说明。