计算机组成原理(蒋本珊)第六章

2024年3月17日发(作者：)

第六章

１ ．控制器有哪几种控制方式？ 各有何特点？

解：控制器的控制方式可以分为３ 种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。

同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目

的节拍电位和工作脉冲。这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说

会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。异步控制

方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多

少时间，就占用多少时间。异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但

是控制比较复杂。联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。

２ ．什么是三级时序系统？

解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。计算机中每个指令周期划分为若

干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。

３ ．控制器有哪些基本功能？ 它可分为哪几类？ 分类的依据是什么？

解：控制器的基本功能有：

（１） 从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。

（２） 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。

（３） 指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。控制器可分为组合

逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３ 类，分类的依据在于控制器的核心—

—— 微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。

４ ．中央处理器有哪些功能？ 它由哪些基本部件所组成？

解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上

实施正确的控制。对于冯· 诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成

的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。中央处理器由运算器和控制器组成。

５ ．中央处理器中有哪几个主要寄存器？ 试说明它们的结构和功能。

解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、

状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。通用寄存器可用来存放原始数据

和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。专用寄存器是专门用来

完成某一种特殊功能的寄存器，如程序计数器PC 、

指令寄存器IR 、存储器地址寄存器MAR 、存储器数据寄存器MDR 、状态标志寄存

器PSWR 等。

６ ．某机CPU 芯片的主振频率为８MHz ，其时钟周期是多少μs ？ 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０ ．８MIPS ，试问：

（１） 平均指令周期是多少μs ？

（２） 平均每个指令周期含有多少个机器周期？

（３） 若改用时钟周期为０ ．４μs 的CPU 芯片，则计算机的平均指令执行速度又

是多少MIPS ？

（４） 若要得到４０ 万次／s 的指令执行速度，则应采用主振频率为多少MHz 的

CPU芯片？

解：时钟周期＝ １ ÷ ８MHz ＝ ０ ．１２５μs

（１） 平均指令周期＝ １ ÷ ０ ．８MIPS ＝ １ ．２５μs

（２） 机器周期＝ ０ ．１２５μs × ４ ＝ ０ ．５μs

平均每个指令周期的机器周期数＝ １ ．２５μs ÷ ０ ．５μs ÷ ４ ＝ ２ ．５

（４） 主振频率＝ ４MHz

７ ．以一条典型的单地址指令为例，简要说明下列部件在计算机的取指周期和执行周

期中的作用。

（１） 程序计数器PC ；

（２） 指令寄存器IR ；

（３） 算术逻辑运算部件ALU ；

（４） 存储器数据寄存器MDR ；

（５） 存储器地址寄存器MAR 。

解：（１） 程序计数器PC ：存放指令地址；

（２） 指令寄存器IR ：存放当前指令；

（３） 算术逻辑运算部件ALU ：进行算逻运算；

（４） 存储器数据寄存器MDR ：存放写入或读出的数据／指令；

（５） 存储器地址寄存器MAR ：存放写入或读出的数据／指令的地址。以单地址指

令“加１（INC A）”为例，该指令分为３ 个周期：取指周期、分析取数周期、执行周期。

３ 个周期完成的操作如表６-２ 所示。

８ ．什么是指令周期？ 什么是CPU 周期？ 它们之间有什么关系？

解：指令周期是指取指令、分析取数到执行指令所需的全部时间。CPU 周期（机器周

期）是完成一个基本操作的时间。一个指令周期划分为若干个CPU 周期。

９ ．指令和数据都存放在主存，如何识别从主存储器中取出的是指令还是数据？

解：指令和数据都存放在主存，它们都以二进制代码形式出现，区分的方法为：

（１） 取指令或数据时所处的机器周期不同：取指周期取出的是指令；分析取数或执

行周期取出的是数据。

（２） 取指令或数据时地址的来源不同：指令地址来源于程序计数器；数据地址来源

于地址形成部件。

１０ ．CPU 中指令寄存器是否可以不要？ 指令译码器是否能直接对存储器数据寄存

器MDR 中的信息译码？ 为什么？ 请以无条件转移指令JMP A 为例说明。

解：指令寄存器不可以不要。指令译码器不能直接对MDR 中的信息译码，因为在取

指周期MDR 的内容是指令，而在取数周期MDR 的内容是操作数。以JMP A 指令为例，

假设指令占两个字，第一个字为操作码，第二个字为转移地址，它们从主存中取出时都需

要经过MDR ，其中只有第一个字需要送至指令寄存器，并且进行指令的译码，而第二个

字不需要送指令寄存器。

１１ ．设一地址指令格式如下：

＠ OP A

现在有４ 条一地址指令：LOAD（取数） 、ISZ（加“１”为零跳） 、DSZ（减“１”

为零跳） 、STORE（存数） ，在一台单总线单累加器结构的机器上运行，试排出这４ 条

指令的微操作序列。要求：当排ISZ 和DSZ 指令时不要破坏累加寄存器Acc 原来的内容。

解：（１） LOAD（取数）指令

PC → MAR ，READ ；取指令

MM → MDR

MDR → IR ，PC ＋ １ → PC

A → MAR ，READ ；取数据送Acc

MM → MDR

MDR → Acc

（２） ISZ（加“１”为零跳）指令

取指令微操作略。

A → MAR ，READ ；取数据送Acc

MM → MDR

MDR → Acc

Acc＋ １ → Acc ；加１

If Z ＝ １ then PC ＋ １ → PC ；结果为０ ，PC ＋ １

Acc → MDR ，WRITE ；保存结果

MDR → MM

Acc － １ → Acc ；恢复Acc

（３） DSZ（减“１”为零跳）指令

取指令微操作略。

A → MAR ，READ ；取数据送Acc

MM → MDR

MDR → Acc

Acc － １ → Acc ；减１

If Z ＝ １ then PC ＋ １ → PC ；结果为０ ，PC ＋

Acc → MDR ，WRITE ；保存结果

MDR → MM

１

Acc＋ １ → Acc ；恢复Acc

（４） STORE（存数）指令：

取指令微操作略。

A → MAR ；Acc 中的数据写

入主存单元

Acc → MDR ，WRITE

MDR → MM

１２ ．某计算机的CPU 内部结构如图６唱２２ 所示。两组总线之间的所有数据传送

通过ALU 。ALU 还具有完成以下功能的能力：

F ＝ A ； F ＝ B

F ＝ A ＋ １ ； F ＝ B ＋ １

F ＝ A － １ ； F ＝ B － １

写出转子指令（JSR）的取指和执行周期的微操作序列。JSR 指令占两个字，第一个

字是操作码，第二个

字是子程序的入口地址。返回地址保存在存储器堆栈中，堆栈指示器始终指向栈顶。

解： ① PC → B ，F ＝ B ，F → MAR ，Read

② PC → B ，F ＝ B ＋ １ ，F → PC

③ MDR → B ，F ＝ B ，F → IR

④ PC → B ，F ＝ B ，F → MAR ，Read

⑤ PC → B ，F ＝ B ＋ １ ，F → PC

⑥ MDR → B ，F ＝ B ，F → Y

⑦ SP → B ，F ＝ B － １ ，F → SP ，F → MAR

址压入堆栈

⑧ PC → B ，F ＝ B ，F → MDR ，Write

；取指令的第一个字

；取指令的第二个字

；修改栈指针，返回地

⑨ Y → A ，F ＝ A ，F → PC ；子程序的首地址→ PC

⑩ End

１３ ．某机主要部件如图６-２３ 所示。

（１） 请补充各部件间的主要连接线，并注明数据流动方向。

（２） 拟出指令ADD （R１ ） ，（R２ ） ＋ 的执行流程（含取指过程与确定后继

指令地址） 。该指令的含义是进行加法操作，源操作数地址和目的操作数地址分别在寄存

器R１ 和R２中，目的操作数寻址方式为自增型寄存器间址。

解：（１） 将各部件间的主要连接线补充完后如图６-２４ 所示。

（２） 指令ADD （R１ ） ，（R２ ） ＋ 的含义为

（（R１ ）） ＋ （（R２ ）） → （R２ ）

（R２ ） ＋ １ → R２

指令的执行流程如下：

① （PC） → MAR ；取指令

② Read

③ M（MAR） → MDR → IR

④ （PC） ＋ １ → PC

⑤ （R１ ） → MAR ；取被加数

⑥ Read

⑦ M（MAR） → MDR → C

⑧ （R２ ） → MAR ；取加数

⑨ Read

⑩ M（MAR） → MDR → D

（R２ ） ＋ １ → R２ ；修改目的地址

（C） ＋ （D） → MDR ；求和并保存结果

Write

MDR → MM

１４ ．CPU 结构如图６唱２５ 所示，其中有一个累加寄存器AC 、一个状态条件寄

存器和其他４ 个寄存器，各部件之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。

（１） 标明４ 个寄存器的名称。

（２） 简述指令从主存取出送到控制器的数据通路。

（３） 简述数据在运算器和主存之间进行存取访问的数据通路。

解：（１） 这４ 个寄存器中，a 为存储器数据寄存器MDR ，b 为指令寄存器IR ，c

为存储器地址寄存器MAR ，d 为程序计数器PC 。

（２） 取指令的数据通路：PC → MAR → MM → MDR → IR

（３） 数据从主存中取出的数据通路（设数据地址为X） ：X → MAR → MM →

MDR → ALU → AC

数据存入主存中的数据通路（设数据地址为Y） ：Y → MAR ，AC → MDR → MM

１５ ．什么是微命令和微操作？ 什么是微指令？ 微程序和机器指令有何关系？ 微

程序和程序之间有何关系？

解：微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令。微操作是指计算机中最

基本的、不可再分解的操作。微命令和微操作是一一对应的，微命令是微操作的控制信号，

微操作是微命令的操作过程。微令是若干个微命令的集合。微程序是机器指令的实时解释

器，每一条机器指令都对应一个微程序。微程序和程序是两个不同的概念。微程序是由微

指令组成的，用于描述机器指令，实际上是机器指令的实时解释器，微程序是由计算机的

设计者事先编制好并存放在控制存储器中的，一般不提供给用户；程序是由机器指令组成

的，由程序员事先编制好并存放在主存储器中。

１６ ．什么是垂直型微指令？ 什么是水平型微指令？ 它们各有什么特点？ 又有什

么区别？

解：垂直型微指令是指一次只能执行一个微命令的微指令；水平型微指令是指一次能

定义并能并行执行多个微命令的微指令。垂直型微指令的并行操作能力差，一般只能实现

一个微操作，控制１ ～ ２ 个信息传送通路，效率低，执行一条机器指令所需的微指令数

目多，执行时间长；但是微指令与机器指令很相似，所以容易掌握和利用，编程比较简单，

不必过多地了解数据通路的细节，且微指令字较短。水平型微指令的并行操作能力强，效

率高，灵活性强，执行一条机器指令所需微指令的数目少，执行时间短；但微指令字较长，

增加了控存的横向容量，同时微指令和机器指令的差别很大，设计者只有熟悉了数据通路，

才有可能编制出理想的微程序，一般用户不易掌握。

１７ ．水平型和垂直型微程序设计之间各有什么区别？ 串行微程序设计和并行微程

序设计有什么区别？

解：水平型微程序设计是面对微处理器内部逻辑控制的描述，所以把这种微程序设计

方法称为硬方法；垂直型微程序设计是面向算法的描述，所以把这种微程序设计方法称为

软方法。在串行微程序设计中，取微指令和执行微指令是顺序进行的，在一条微指令取出

并执行之后，才能取下一条微指令；在并行微程序设计中，将取微指令和执行微指令的操

作重叠起来，从而缩短微周期。

１８ ．图６唱２６ 给出了某微程序控制计算机的部分微指令序列。图中每一框代表

一条

微指令。分支点a 由指令寄存器IR 的第５ 、６ 两位决定。分支点b 由条件码C０ 决

定。现

采用下址字段实现该序列的顺序控制。已知微指令地址寄存器字长８ 位。

（１） 设计实现该微指令序列的微指令字之顺序控制字段格式。

（２） 给出每条微指令的二进制编码地址。

（３） 画出微程序控制器的简化框图。

解：（１） 该微程序流程有两处有分支的地方，第一处有４ 路分支，由指令操作码

IR５ IR６ 指向４ 条不同的微指令，第二处有２ 路分支，根据运算结果C０ 的值决

定后继微地

址。加上顺序控制，转移控制字段取２ 位。图６唱２６ 中共有１５ 条微指令，则下

址字段至少

需要４ 位，但因已知微指令地址寄存器字长８ 位（μMAR７ ～ μMAR０ ） ，故

下址字段取８

位。微指令的顺序控制字段格式如图６-２７ 所示。

（２） 转移控制字段２ 位：

００ 顺序控制

０１ 由IR５ IR６ 控制修改μMAR４ ，μMAR３ 。

１０ 由C０ 控制修改μMAR５ 。

微程序流程的微地址安排如图６-２８ 所示。每条微指令的二进制编码地址见表６-

３ 。

注：每条微指令前的微地址用十六进制表示。图６-２８ 微程序流程的微地址安排

（３） 微程序控制器的简化框图略。

１９ ．已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量５１２ × ４８ 位，微程

序可在整个控制存储器中实现转移，可控制转移的条件共４ 个，微指令采用水平型格式，

后继指令地址采用断定方式，微指令格式如图６-２９ 所示。

（１） 微指令中的３ 个字段分别应为多少位？

（２） 画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。

解：（１） 因为控制转移的条件共４ 个，则判别测试字段为２ 位；因为控存容量为

５１２个单元，所以下地址字段为９ 位；微命令字段是（４８ － ２ － ９） ＝ ３７ 位。

（２） 对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如图６-３０ 。

２０ ．某机有８ 条微指令I１ ～ I８ ，每条微指令所含的微命令控制信号如表６-

４ 所列。

图６唱３０ 微程序控制器逻辑框图

a ～ j 分别代表１０ 种不同性质的微命令信号，假设一条微指令的操作控制字段为

８

位，请安排微指令的操作控制字段格式，并将全部微指令代码化。

解：因为微指令的操作控制字段只有８ 位，所以不能采用直接控制法。又因为微指令

中有多个微命令是兼容性的微命令，如微指令I１ 中的微命令a ～ e ，故也不能采用最短

编码法。最终选用字段编码法和直接控制法相结合的方法。将互斥的微命令安排在同一段

内，兼容的微命令安排在不同的段内。b 、i 、j 这３ 个微命令是互斥的微命令，把它们

安排在一个段内，e 、f 、h 这３ 个微命令也是互斥的，把它们也安排在另一个段内。此

微指令的操作控制字段格式如图６-３１ 所示。

其中：字段１ 的译码器输出对应的微命令为

００ 无

０１ b

１０ i

１１ j

字段２ 的译码器输出对应的微命令为

００ 无

０１ e

１０ f

１１ h

将全部８ 条微指令代码化可以得到

I１ ： １１１００１０１

I２ ： １０１１００１０

I３ ： ０００００１１１

I４ ： ０１００００００

I５ ： ０１０１１００１

I６ ： １０００１１１１

I７ ： ０１１０００１１

I８ ： １００００１１１

２１ ．在微程序控制器中，微程序计数器μPC 可以用具有加“１”功能的微地址寄

存器

μMAR 来代替，试问程序计数器PC 是否可以用具有加“１”功能的存储器地址寄存

器

MAR 代替？

解：在微程序控制器中不可以用MAR 来代替PC 。因为控存中只有微指令，为了降低

成本，可以用具有计数功能的微地址寄存器（μMAR）来代替μPC 。而主存中既有指令又

有数据，它们都以二进制代码形式出现，取指令和数据时地址的来源是不同的。取指令：

（PC） → MAR

取数据：地址形成部件→ MAR

所以不能用MAR 代替PC 。