计算机组成与体系结构第2版习题答案补完计划-赵姝陈洁主编-第5章控制器 - 安徽大学出版社
含有“AI:”开头的题目的答案是问chat的，看个乐就行，不一定正确
1.
2。CPU中包含哪些基本的寄存器？分别起什么作用？
见191页 5.1.3寄存器的组织
3。指令的执行一般可以分为哪几个阶段?每个阶段的任务是什么？
AI:
指令的执行一般可以分为以下几个阶段：
1)取指令（Instruction Fetch, IF）：
这个阶段的任务是从内存中取出下一条要执行的指令。计算机通过程序计数器（PC）来确定下一条指令的地址，并将其从内存中读取到指令寄存器（IR）中。
2) 解码指令（Instruction Decode, ID）：
在这个阶段，控制单元解释指令寄存器中的指令，并确定需要哪些操作来执行这条指令。它还会启动必要的数据流和控制信号。
3) 执行指令（Execute, EX）：
这个阶段的任务是执行解码阶段确定的操作。这可能包括算术运算、逻辑运算、数据传输等。执行结果可能会更新寄存器文件中的值。
4) 访存（Memory Access, MEM）：
在这个阶段，指令可能会访问内存来读取或写入数据。例如，执行一个loads操作（从内存中加载数据到寄存器）或一个stores操作（将寄存器中的数据存储到内存中）。
5) 写回（Write Back, WB）：
如果执行阶段改变了寄存器文件的值，这个阶段的任务是将这些变化写回到寄存器中。这通常涉及到更新寄存器的值或状态。
4。控制器中一般包含哪些基本部件？每个部件的功能是什么？
见书本P189，5.1.2控制器的组成
5。什么是三级时序系统？具体到微型机中，其时序系统有何差异？
见书本195页，5.2.3多级时序系统
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。
1）机器周期（Machine Cycle）：机器周期是指执行一个完整的机器指令所需的时间。它包括了若干个节拍（Clock Cycle），以完成指令的取指、译码、执行、访存等操作。机器周期是衡量计算机性能和指令执行效率的重要指标之一。
2）节拍（Clock Cycle）：节拍是计算机内部时钟的一个周期。计算机的工作是通过不断的时钟脉冲推动的，每个时钟周期被分为若干个节拍。在每个节拍中，各个部件可以执行一些操作，如寄存器传输、算术运算等。
3）脉冲（Pulse）： 脉冲是时钟信号的一个周期，通常是一个高电平和低电平的变化。这个脉冲信号用来同步计算机内部各个部件的工作。
关于微型机的时序系统，不同的微型机架构可能会在机器周期、节拍和脉冲等方面有一些差异。设计合理的时序系统是确保微型机各个部件协同工作、指令正确执行的关键。时序系统的性能和稳定性对于微型机的整体性能和可靠性至关重要。
在微型机的设计中，时序系统需要考虑如何调配时钟周期以及如何同步各个部件的工作。时序系统的设计涉及到时钟频率的选择、流水线架构的优化、数据通路的设计等方面。通过合理的时序设计，可以提高微型机的性能和效率。
6。程序和微程序、机器指令和微指令、主存储器和控制存储器这几个概念有何区别？
AI:
程序和微程序、机器指令和微指令、主存储器和控制存储器这几个概念在计算机体系结构中扮演着不同的角色，它们之间的区别如下：
1) 程序和微程序：
- 程序是由一系列机器指令组成的，它定义了计算机执行任务的一系列操作。程序通常存储在主存储器中，可以是只读的（如ROM）或可写的（如RAM）。
- 微程序是一种控制存储器中的控制信号序列，它用于实现机器指令的功能。微程序控制器使用微程序来完成复杂的控制任务，通常用于实现指令集的微操作级细节。
2) 机器指令和微指令：
- 机器指令是计算机硬件能够直接理解和执行的基本指令，它通常由操作码和操作数组成，用于指定要执行的操作和操作的目标数据。
- 微指令是构成微程序的基本指令，它更细粒度，通常指定了控制存储器中一个微操作的具体细节，如数据传输、条件分支等。
3) 主存储器和控制存储器：
- 主存储器（如RAM和ROM）是用于存储程序、数据和中间结果的硬件设备。它提供快速的读写访问，是计算机中数据和指令的主要存储介质。
- 控制存储器（如微程序存储器）专门用于存储控制信息，如微程序、中断向量表等。在微程序控制器中，控制存储器用于存储实现机器指令集所需的各种微指令序列。
7。 微指令中的控制字段有哪些控制方法？各有什么优缺点?
解；
微指令中操作控制字段主要有三种控制方式。
（1）直接控制，又称直接编码，其特点是操作控制字段中的每一位代表一个微命令，如下图所示。其优点是简单直观，输出直接用于控制，执行速度快。缺点是微指令字较长，控存容量较大。
（2）字段直接编码控制，其特点是将微指令操作控制字段分成几段，并使每个字段经译码后发出各个微操作命令，如下图所示。每个字段中的微命令必须是互斥的。这种控制方式用较少的二进制信息表示较多的微命令信号，它缩短了微指令字长，但增加了译码电路，使微程序的执行速度降低。这种编码控制又叫显式编码。
（3）字段间接编码控制，这种方式一个字段的某些微命令还需由另一个字段中的某些微命令解释，才能使微操作命令有确切含义，故又称为隐式编码，如下图所示。这种方法更能缩短微指令字长。
此外还可把直接控制和字段编码（直接或间接）控制混合使用。
8。 微指令中的下址字段有哪些控制方法?各自的工作过程是什么样的?
搜不到
9。水平型微指令和垂直型微指令有何差异?
解；
水平型微指令一次能定义并执行多个并行操作，其并行操作能力强，效率高。而且水
型微指令的大多数微命令一般可直接控制对象，故执行每条微指令的时间短。又因水平型微
指令字长较长，故可用较少的微指令数来实现一条机器指令的功能。
垂直型微指令的结构类似于一般机器指令的结构，由微操作码译码确定微指令的功能。通常一条微指令只能有1~2个微操作命令。因为它要经过译码后控制对象，影响每条微指令的执行时间。而且垂直型微指令字长较短，实现一条机器指令的微程序要比水平型微指令编写的微程序长得多，它是用较长的微程序结构来换取较短的微指令结构。
两者的主要区别如下：
（1）水平型微指令的并行操作能力强，效率高，灵活性好；垂直型微指令则较差。
（2）水平型微指令执行一条机器指令的时间短；垂直型微指令执行时间长。
（3）水平型微指令字比较长，由此构成的微程序比较短；垂直型微指令字较短，由此构成的微程序较长。
（4）水平型微指令用户难以掌握；垂直型微指令与机器指令的结构相似，用户比较容易掌握。
10。硬布线控制与微程序控制有何差异？
解；
(1)硬布线控制与微程序控制器相同之处是根据指令操作码和时序信号，产生各种控制信号，以便正确地建立各种数据通路，完成取指令和执行指令的控制。 (2)硬布线控制的优点是，由于控制器的速度取决于电路延迟，所以速度较快。 (3)硬布线控制的主要缺点是，由于将控制部件看成专门产生固定时序控制信号的逻辑电路，所以把用最少元件和取得最高速度作为设计目标。一旦设计完成，不可能通过其他的修改添加新功能。 (4)微程序控制的主要优点是，与硬布线控制器相比，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点。 (5)微程序控制的主要缺点是，由于微程序控制器采用了存储程序原理，所以每条指令都要从控制存储器中取一次，因此影响了速度。
11. 某机采用微程序控制方式，水平型编码控制的微指令格式，共有微命令 30个，构成4个互斥类，各包含5个、8个、14个和3个微命令，外部条件3个。
（1）若采用字段直接编码方式和直接控制方式，微指令的操作控制字段各 取几位？
（2）假设微指令字长为24位，设计出微指令的具体格式。
（3）在（2）的情况下，控制存储器允许的最大容量为多少？
解；
(1) 若采用字段直接编码方式，由于有4个互斥类，微命令各为5、8、14、3个，考虑类必须增加一种不发命令的情况，所以每组应各需6、9、15、4种状态，对应3、4、4、2位。外部条件共3个，对应3位。因此操作控制字段=3+4+4+2+3=16位。
若采用直接控制方式，则操作控制字段的位数等于微命令的位数为30位，外部条件共3个，对应3位。因此操作控制字段=30+3=33位。
（2）假设微指令字长为24位，则只能采用字段直接编码方式，其中下地址字段的位数=24-16=8位，编码格式如下图所示。
(3）根据下地址字段为8位，微指令字长为24位，得控制存储器的最大容量为256×24位。
12。 已知某计算机有80条指令，平均每条指令由12条微指令组成，其中有一条 取指微指令是所有指令公用的，设微指令长度为32位，请计算出控制存储器容量。
13。某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为1024×48位。微指令字 长48位，微程序可在整个控制存储器中实现转移，可控制微程序转移条件共有4 个（直接控制），微指令采用水平型格式，如图所示：
控制字段 | 判别测试字段 | 下地址字段
（1）微指令中3个字段分别为多少位？
（2）画出使用这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。
解；
（1）假设判别测试字段中每一位作为一个判别标志，那么由于有4个转移条件，故该字段为4位；又因为控存容量为1024（210）个单元，所以下地址字段为10位。控制字段则是48-4-9=35位。
（2）对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如下图所示。其中微地址寄存器对应下地址字，P字段即为判别测试字段，控制字段即为微命令字段，后两部分组成微指令寄存器。地址转移逻辑的输入是指令寄存器的OP码、各种状态条件以及判别测试字段所给的判别标志（某一位为1），其输出用于控制修改微地址寄存器的适当位数，从而实现微程序的分支转移（此例微指令的后继地址采用断定方式）。
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