1、第九章2. 控制单元的功能是什么？其输入受什么控制？答：控制单元的主要功能是发出各种不同的控制信号。其输入受时钟信号、指令寄存器的操作码字段、标志和来自系统总线的控制信号的控制。3. 什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？答：CPU 每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期；机器周期是在同步控制的机器中，执行指令周期中一步相对完整的操作（指令步）所需时间，通常安排机器周期长度等于主存周期；时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时序单位，对应完成一个微操作所需时间，通常时钟周期等于计算机主频的倒数。4. 能不能说机器的主频越快，机器的速度就越快，为什么？解：
2、不能说机器的主频越快，机器的速度就越快。因为机器的速度不仅与主频有关，还与数据通路结构、时序分配方案、ALU 运算能力、指令功能强弱等多种因素有关，要看综合效果。5. 设机器 A 的主频为 8MHz，机器周期含 4 个时钟周期，且该机的平均指令执行速度是0.4MIPS，试求该机的平均指令周期和机器周期，每个指令周期中含几个机器周期？如果机器 B的主频为 12MHz，且机器周期也含 4 个时钟周期，试问 B 机的平均指令执行速度为多少 MIPS?解：先通过 A 机的平均指令执行速度求出其平均指令周期，再通过主频求出时钟周期，然后进一步求出机器周期。B 机参数的算法与 A 机类似。计算如下：A 机
3、平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5sA 机时钟周期=1/8MHz=125nsA 机机器周期=125ns4=500ns=0.5s A 机每个指令周期中含机器周期个数=2.5s0.5s=5 个B 机时钟周期 =1/12MHz83nsB 机机器周期 =83ns4=332ns设 B 机每个指令周期也含 5 个机器周期，则：B 机平均指令周期=332ns5=1.66sB 机平均指令执行速度=1/1.66s=0.6MIPS 结论：主频的提高有利于机器执行速度的提高。6. 设某机主频为 8MHz，每个机器周期平均含 2 个时钟周期，每条指令平均有 4 个机器周期，试问该机的平均指令执行速度为多少 MI
4、PS？若机器主频不变，但每个机器周期平均含 4 个时钟周期，每条指令平均有 4 个机器周期，则该机的平均指令执行速度又是多少 MIPS？由此可得出什么结论？解：先通过主频求出时钟周期，再求出机器周期和平均指令周期，最后通过平均指令周期的倒数求出平均指令执行速度。计算如下：时钟周期=1/8MHz=0.12510 -6s机器周期=0.12510 -6s2=0.2510-6s平均指令周期=0.2510 -6s4=10-6s平均指令执行速度=1/10 -6s=1MIPS当参数改变后：机器周期= 0.12510 -6s4=0.510-6s平均指令周期=0.510 -6s4=210-6s平均指令执行速度=
5、1/（210 -6s） =0.5MIPS结论：两个主频相同的机器，执行速度不一定一样。7. 某 CPU 的主频为 10MHz，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 1MIPS，试求该机的平均指令周期及每个指令周期含几个机器周期？若改用时钟周期为0.4s 的 CPU 芯片，则计算机的平均指令执行速度为多少 MIPS？若要得到平均每秒 80 万次的指令执行速度，则应采用主频为多少的 CPU 芯片？解：先通过主频求出时钟周期时间，再进一步求出机器周期和平均指令周期。时钟周期=1/10MHz=0.110 -6s机器周期=0.110 -6s4=0.410-6s平均指令周期
6、=1/1MIPS=10 -6s每个指令周期所含机器周期个数=10 -6s /0.410-6s =2.5 个当芯片改变后：机器周期=0.4s4=1.6s平均指令周期=1.6s2.5=4s平均指令执行速度=1/4s=0.25MIPS若要得到平均每秒 80 万次的指令执行速度，则:平均指令周期=1/0.8MIPS=1.2510 -6=1.25s机器周期=1.25s2.5=0.5s时钟周期= 0.5s4=0.125sCPU 主频=1/0.125s=8MHz8. 某计算机的主频为 6MHz，各类指令的平均执行时间和使用频度如下表所示，试计算该机的速度（单位用 MIPS 表示） ，若上述 CPU 芯片升级
7、为 10MHz，则该机的速度又为多少？指令类别 存取 加、减、比较、转移 乘除 其它平均指令执行时间 0.6s 0.8s 10s 1.4s使用频度 35% 45% 5% 15%解: (1)指令平均运行时间 =（0.60.35+0.80.45+100.05+1.40.15）s= 1.28s机器平均运行速度 = 1/1.28s0.78MIPS(2)时钟周期 = 1/6MHz0.167s 指令平均运行周期数 = 1.28s 0.167s7.66CPI若 CPU 芯片升级为 10MHz，时钟周期 = 1/10MHz=0.1s指令平均运行时间 = 0.1s7.66=0.766s机器平均运行速度 = 1/
8、0.766s1.3MIPS10. 试比较同步控制、异步控制和联合控制的区别。答：同步控制是指任何一条指令或指令中任何一个微操作的执行都是事先确定的，并且都受同一基准时标的时序信号所控制的方式。异步控制无基准时标信号，微操作的时序是由专门的应答线路控制，即控制单元发出执行某一微操作的控制信号后，等待执行部件完成了该操作后发回“回答”或“结束”信号，再开始新的微操作。联合控制是同步控制和异步控制相结合的方式，即大多数操作（如 CPU 内部各操作）在同步时序信号的控制下进行，少数时间难以确定的微操作（如涉及 I/O 操作）采用异步控制。11. 设 CPU 内部结构如图 9.4 所示，此外还设有 B、
9、C、D、E、H、L 六个寄存器，它们各自的输入和输出端都与内部总线相通，并分别受控制信号控制（如 Bi 为寄存器 B 的输入控制；Bo 为B 的输出控制） 。要求从取指令开始，写出完成下列指令所需的全部微操作和控制信号。（1）ADD B，C (B)+(C) B)（2）SUB A,H (AC)-(H) AC)解：先画出相应指令的流程图，然后将图中每一步数据通路操作分解成相应的微操作，再写出同名的微命令即可。（1） ADD B，C 指令流程及微命令序列如下：P C B U S M A RM ( M A R ) M D RM D R B U S I RB B U S YC B U S A L UP
10、C + 1 P CY - B U S ZZ B U S A C取指周期执行周期P C o , M A R iM A R o , M D R iM D R o , I R i+ 1B o , Y iC o , A L U iY o , + , Z iZ o , B i（2） SUB A，H 指令流程及微命令序列如下：P C B U S M A RM ( M A R ) M D RM D R B U S I RA C B U S YH B U S A L UP C + 1 P CA C - B U S ZZ B U S A C取指周期执行周期P C o , M A R iM A R o , M D
11、 R iM D R o , I R i+ 1A C o , Y iH o , A L U iA C o , - , Z iZ o , A C i13. 设 CPU 内部结构如图 9.4 所示，此外还设有 R1R4 四个寄存器，它们各自的输入和输出端都与内部总线相通，并分别受控制信号控制（如 R2i 为寄存器 R2 的输入控制；R2o 为 R2 的输出控制） 。要求从取指令开始，写出完成下列指令所需的全部微操作和控制信号。（1）ADD R2，R4 ； (R2)+(R4) R2，寄存器间接寻址 )（2）SUB R1,mem ； (R1)-(mem) R1，存储器间接寻址 )解：（1）ADD R2，
12、R4 的指令周期信息流程图及微操作控制信号如下：P C B U S M A RM ( M A R ) M D RM D R B U S I RM D R B U S YR 2 B U S A L UP C + 1 P CB U S + Y ZZ B U S R 2取指周期执行周期P C o , M A R iM A R o , 1 R , M D R iM D R o , I R i+ 1M D R o , Y iR 2 o , A L U iY o , + , Z iZ o , R 2 iR 4 B U S A d （ I R ）R 4 o , I R i间址周期A d （ I R ） M
13、A RM ( M A R ) M D RM A R o , 1 R , M D R iI R o , M A R i（2）SUB R1,mem 指令周期信息流程图及微操作控制信号如下：P C B U S M A RM ( M A R ) M D RM D R B U S I RM D R B U S YR 1 B U S A L UP C + 1 P CB U S - Y ZZ B U S R 1取指周期执行周期P C o , M A R iM A R o , 1 R , M D R iM D R o , I R i+ 1M D R o , Y iR 1 o , A L U iY o , -
14、, Z iZ o , R 1 iA d ( I R ) B U S M A RI R o , M A R i间址周期A d （ I R ） M A RM ( M A R ) M D RM A R o , 1 R , M D R iI R o , M A R iM ( M A R ) M D RM A R o , 1 R , M D R iM D R A d ( I R )M D R o , I R i14. 设单总线计算机结构如图 9.5 所示，其中 M 为主存，XR 为变址寄存器，EAR 为有效地址寄存器，LATCH 为锁存器。假设指令地址已存于 PC 中，画出“LDA *D”和“SUB X
15、,D”指令周期信息流程图，并列出相应的控制信号序列。说明：（1） “LDA *D”指令字中*表示相对寻址，D 为相对位移量。（2） “SUB X,D”指令字中 X 为变址寄存器 XR，D 为形式地址。（3）寄存器的输入和输出均受控制信号控制，例如，PCi 表示 PC 的输入控制信号，MDRo 表示 MDR 的输出控制信号。（4）凡是需要经过总线实现寄存器之间的传送，需要在流程图中注明，如 PCBusMAR，相应控制信号为 PCo 和 MARi。解：（1） “LDA *D”指令周期信息流程图及微操作控制信号如下：P C B U S M A RM ( M A R ) M D RM D R B U
16、S I RM D R B U S A C CP C + 1 P C取指周期执行周期P C o , M A R iM A R o , 1 R , M D R iM D R o , I R i+ 1M D R o , A C C iE A R B U S M A RM ( M A R ) M D RM A R o , 1 R , M D R iE A R o , M A R iP C + A d ( I R ) E A RP C o , A d ( I R ) o , E A R i（2） “SUB X,D” 指令周期信息流程图及微操作控制信号如下：P C B U S M A RM ( M A R
17、 ) M D RM D R B U S I RL A T C H B U S A C CP C + 1 P C取指周期执行周期P C o , M A R iM A R o , 1 R , M D R iM D R o , I R i+ 1M D R o , A C C iE A R B U S M A RM ( M A R ) M D RM A R o , 1 R , M D R iE A R o , M A R iP C + A d ( I R ) E A RP C o , A d ( I R ) o , E A R iM D R B U S XA C C - X L A T C HA C C o , X o , K i = - , L A T C H iL A T C H o , A C C i
