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控制单元CU,第 九 章,3. 什么是指令周期、机器周期和时钟周期?三者有何关系? 解: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=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=计算机主频的倒数。,14,4. 能不能说CPU的主频越快,计算机的运行速度就越快?为什么? 解: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CPU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CPU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机平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5s A机时钟周期=1/8MHz=125ns A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 =1/12MHz 83ns B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=1.66s B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. 设某计算机的CPU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,试问该计算机的平均指令执行速度为多少MIPS?若CPU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=0.12510-6 =125ns 机器周期=125ns2=250ns 平均指令周期=250ns4=1000ns=1s 平均指令执行速度=1/1s=1MIPS 当参数改变后: 机器周期= 125ns4=500ns=0.5s 平均指令周期=0.5s4=2s 平均指令执行速度=1/2s=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=0.110-6 =100ns 机器周期=100ns4=400ns=0.4s 平均指令周期=1/1MIPS =110-6=1s 每个指令周期所含机器周期个数 = 1s/0.4s=2.5个,当芯片改变后,相应参数变为: 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,则应采用的主频为: 平均指令周期=1/0.8MIPS =1.25 10-6=1.25s 机器周期=1.25s2.5=0.5s 时钟周期= 0.5s4=0.125s 主频=1/0.125s=8MHz 应采用主频为8MHz的CPU芯片。,8. 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芯片升级为10MHz,则该机的运行速度又为多少? 指令类别 存取 加、减、比较、转移 乘除 其他 平均指令 执行时间 0.6s 0.8s 10s 1.4s 使用频度 35% 45% 5% 15%,解:指令平均运行时间 =(0.60.35 +0.80.45+100.05+1.40.15)s = 0.21+0.36+0.5+0.21 = 1.28s 机器平均运行速度 = 1/1.28s = 0.78125MIPS CPU芯片升级后,机器平均运行速度计算: 方法一: 0.78125MIPS(10MHz/ 6MHz)1.3MIPS 方法二: 时钟周期 = 1/6MHz0.16667s 指令平均运行周期数=1.28s/0.16667s7.68CPI 升级后时钟周期 = 1/10MHz 0.1s 指令平均运行时间0.1s7.680.768s 机器平均运行速度1/0.768s1.3MIPS,11. 设CPU内部结构如图9.4所示,此外还设有B、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为寄存器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。,控制信号举例:图9.4 在此基础上再加B、C、D、E、H、L六个寄存器,连法和控制信号定义方式与图中其它寄存器一样。,(1) ADD B,C指令流程及微命令序列如下: ,PCo,MARi 1 R +1(图中未标出, 可与前一步并行) MDRo,IRi,Bo,Yi Co,ALUi,+ Zo,Bi,ADD ,BY,ZB,(Y)+(C)Z,(2) SUB A,H指令流程及微命令序列如下: ,PCo,MARi 1 R +1(图中未标出, 可与前一步并行) MDRo,IRi,Ho,Yi ACo,ALUi, Zo,ACi,SUB ,HY,ZAC,(AC)(H)Z,12. CPU结构同上题,写出完成下列指令所需的全部微操作和控制信号(包括取指令)。 (1)寄存器间接寻址的无条件转移指令“JMP B”。 (2)间接寻址的存数指令“STA X”。 解:解题方法步骤同上题。 (1) “JMP B”指令的流程图和全部微操作控制信号如下:,“JMP B”指令流程图及微命令序列: ,PCo,MARi 1 R +1(图中未标出, 可与前一步并行) MDRo,IRi Bo,PCi 注:指令中B为寄存器名。,(2) “STA X”指令流程图及微命令序列如下: ,PCo,MARi 1 R +1(图中未标出, 可与前一步并行) MDRo,IRi,MDRo,MARi 1 R MDRo,MARi ACo,MDRi 1 W 注:指令中X为形式地址,13. 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为寄存器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:解题方法步骤同第11题。 (1) “ADD R2, R4”指令的流程图和全部微操作控制信号如下:,“ADD R2, R4”指令的流程图和全部微操作命令:,PCo,MARi 1 R +1(图中未标出, 可与前一步并行) MDRo,IRi,R2o,Yi R4o,MARi 1 R MDRo,ALUi,+ Zo,R2i,(2)SUB R1, mem指令流程图和全部微命令如下:,PCo,MARi 1 R +1(图中未标出, 可与前一步并行) MDRo,IRi,MDRo,MARi 1 R R1o,Yi MDRo,ALUi, Zo,R1i,14. 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 D(XR)”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 D(XR)”指令字中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,需在流程图中注明,如PCBusMAR,相应的控制信号为PCo和MARi。,(1)“LDA * D”指令周期流程图及控制信号序列:,PCo,MARi R/-W=R(MAR、MDR与M直连,故不需控制) MDRo,IRi +1(图中未标出, 可与前一步并行),PCo,IRo,+,EARi EARo,MARi R/-W=R MDRo,ACCi,(2)“SUB D(XR)”指令周期流程图及控制信号序列:,PCo,MARi R/-W=R(MAR、MDR与M直连,故不需控制) MDRo,IRi +1(图中未标出, 可与前一步并行),XRo,IRo,+,EARi EARo,MARi R/-W=R MDRo,ACCo,Ki= LATCHi LATCHo,ACCi 注:设MDR通过总线可直达ALU右输入端。,
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