计算机组成原理习题-3

前言

本文主要回答了几道关于CPU、存储器和显示器等计算机硬件方面的问题,内容涵盖中断响应条件、CPU功能、DMA操作、存储保护、指令格式设计、时序发生器设计、显示刷新等问题,答案来自网络搜集和ChatGPT,可能不完全正确

一、回答下列问题

1.CPU响应中断应具备哪些条件？

(1)CPU内部设置的中断屏蔽触融发器必须是开放的。
(2)外设没有中断请求时，中断请求触发器必须处于"1"状态，保持中断请求信号.
(3)外没(接口)中断允许触发器必须为“1".这样才能能把外设中断请求送至CPU.
(4)当上述三个条件具备时，CPU在现行指令结束的最后一个状态周期响应中断。

2.中央处理器的基本功能有哪些？并给出简要说明。

指令功能，操作功能，时间功能，数据加工。

3.简要描述外设进行DMA操作的过程及DMA方式主要优点。

(1)外设发出DMA请求;
(2)CPU响应请求,DMA控制器从CPU接管总线的控制;
(3)由DMA控制器执行数据传送操作;
(4)向CPU报告DMA操作结束。
主要优点是数据数据速度快

4.什么是存储保护？通常采用什么方法？

当多个用户共享主存时，为使系统能正常工作，应防止由于一个用户程序出错而破坏其它用户的程序和系统软件，还要防止一个用户程序不合法的访问不是分给它的主存区域。方法是:存储区域保护和访问方式保护.

二、如下所示的处理机是按下列规则设计的①所有指令的字长都是16位；②其中OP码域宽度为2位；③在进行所有算数运算时，累加器的内容总是作为一个操作数，而运算结果放到。和均不必在指令中指出；④数据存储器（DM）字长16位，最大容量65536；⑤指令存储器（IM）最大容量为16384字；⑥四个合法的操作码中，任一操作码指定的任何一个操作数都可以按直接寻址方式从DM中找到；⑦每个通用寄存器（Ri）的宽度都是16位；⑧四个合法的OP码：LDA=00，从DM位置XXX取数放在，STA=01，将的内容存入DM位置XXX；ADD=10，内容与DM位置XXX里的内容相加，UNA=11未用。

请问：

（1）下述各寄存器多少位？PC，LDA（M地址寄存器），LDR（数据寄存器），IR（指令寄存器），和，变址寄存器，
（2）先假设将DM扩充128K字，指令字字长保持不变，也不允许进行间接寻址，那么对现有的这一DM寄存器进行哪一种简单改动，就能满足要求？

（3）在OP码域保持不变的条件下，如何增加另外的指令？

（4）假定使用“扩充操作码”码域，请写出以下操作的指令格式。

①将一个通用寄存器内容与的内容相加。

②将的内容存放到DM的某个位置，具体位置由某个变址寄存器的内容与位移量之和来确定。
解
(1) 下述各寄存器的位数为：

PC (程序计数器): 16位，用于存储下一条要执行的指令的地址。
LDA (M地址寄存器): 16位，用于存储从指令中取得的内存地址。
LDR (数据寄存器): 16位，用于存储从数据存储器 (DM) 中取得的数据。
IR (指令寄存器): 16位，用于存储当前正在执行的指令。
Ri (通用寄存器，其中i表示寄存器编号): 16位，每个通用寄存器的宽度都是16位。
变址寄存器: 16位，用于存储变址寄存器的内容。
(2) 将DM扩充为128K字，指令字长保持不变，不允许进行间接寻址，为满足要求，可以将现有的2位OP码扩充为3位OP码。这样，可以增加更多的指令来扩展处理机的功能。

(3) 在OP码域保持不变的条件下，可以增加另外的指令通过增加额外的操作数字段来实现。假设我们将指令格式扩展为：

| OP (3 bits) | Rs (3 bits) | Rd (3 bits) | Address (7 bits) |

其中：

OP是操作码，扩充为3位。
Rs是源操作数寄存器编号，用于指定源操作数寄存器。
Rd是目标操作数寄存器编号，用于指定目标操作数寄存器。
Address是7位地址字段，用于指定内存地址或偏移量。
这样，我们可以在原有的2位OP码的基础上增加更多的指令，同时保持操作码域的宽度不变。

(4) 使用“扩充操作码”码域后，以下操作的指令格式如下：

① 将一个通用寄存器Ri的内容与LDR寄存器的内容相加。

| OP (3 bits) | Ri (3 bits) | Address (7 bits) |

其中：

OP是操作码，用于指定ADD操作，为了扩充操作码，我们使用了3位OP码。
Ri是通用寄存器的编号，用于指定一个通用寄存器。
Address是7位地址字段，用于指定要与通用寄存器内容相加的地址或偏移量。
② 将LDR寄存器的内容存放到DM的某个位置，具体位置由LDA寄存器的内容与位移量之和来确定。

| OP (3 bits) | Address (7 bits) |

其中：

OP是操作码，用于指定STA操作，为了扩充操作码，我们使用了3位OP码。
Address是7位地址字段，用于指定要存储数据的内存地址或偏移量，由LDA寄存器的内容与位移量之和确定。

三、时序发生器需要一个CPU周期中产生三个节拍脉冲信号T1（200ns）T2（400ns）T3（200ns），请设计时序逻辑电路（不考虑启停控制）

解:
取节拍脉冲Tl、T2、T３的宽度为时钟周期或者是时钟周期的倍数即可。所以取时钟源提供的时钟周期为200ns,即,其频率为5MHz.;由于要输出3个节拍脉冲信号,而T3的宽度为2个时钟周期,也就是一个节拍电位的时间是4个时钟周期,所以除了C４外,还需要3个触发器——Cｌ、C2、C3;并令



,由此可画出逻辑电路图如下:

四、刷新寄存器（简称刷存）的重要性指标是它的带宽，实际工作中，显示适配器的几个功能部分要争取刷存的带宽，假设总带宽50%用于刷新屏幕，保留50%的带宽用于其他非刷新功能。

（1）若显示工作方式采用分配率为1024×768.颜色深度为3B，刷新频率为72HZ，计算刷存总带宽应为多少？

（2）为达到这样高的刷存带宽，应采取那种技术措施？

解
(1)因为刷新所需带宽 = 分辨率×每个像素点颜色深度×刷新速率
所以 1024×768×3B×72/S = 165888 KB/S = 162 MB/S
刷新总带宽应为162MB/S×100/50 = 324MB/S
(2)为达到这样高的刷存带宽,可采取如下技术措施:
使用高速DRAM芯片组成刷存
刷存采用多体交叉结构
刷存至显示控制器的内部总线宽度由32位提高到64位,甚至128位
刷存采用双端口存储器,将刷新端口与更新端口分开。

总结

通过回答和分析这些问题,我们进一步理解了计算机系统中的中断响应、CPU功能、DMA操作、存储保护等基本原理,并对指令格式设计、时序电路设计、显示器刷新等具体实现方面有了更深入的认识。这对我们分析和设计计算机系统具有重要意义。