山东大学计算机组成原理第6次作业及答案.doc

山东大学计算机组成原理第6次作业及答案 第6次作业及参考答案 第9章作业 9.3什么是指令周期､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,所有指令执行过程中(执行一步相对完整的操作)的一个基准时间,通常以访问一 次存储器所需的时间作为一个机器周期;时钟周期是指计算机主工作时钟的周期时间,它 是计算机运行时最基本的时序单位,通常时钟周期=计算机主频的倒数。 三者之间的关系:指令周期常常用若干个机器周期数来表示,机器周期也叫CPU周期;而 一个机器周期又包含若干个时钟周期(也称为节拍脉冲或T周期)。9.7题目略。解:1)平均 指令周期:1/106s=1us;2)时钟周期为0.1us;机器周期时间跨度为0.4us。 每个指令周期包含的平均机器周期数:1us/0.4us=2.5个机器周期。平均指令执行速度 为:0.25MIPS。应采用主频为8MHz的CPU芯片。 9.11题目略。 说明:本题数据通路结构参见教材P381图9.4。1) 取指周期 执行周期 PCO,MARi MDRi+1PCO,MARiMDRO,IRiCO,Yi BO,ALUi,"+"ZO,Bi ----------------------- 山东大学计算机组成原理第6次作业及答案全文共1页，当前为第1页。 计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的核心课程之一，它主要研究计算机系统的基本构成和工作原理。本篇作业涉及的知识点主要围绕指令周期、机器周期和时钟周期的概念及其相互关系，以及如何根据这些概念计算平均指令执行速度和选择合适的CPU主频。 1. **指令周期**：指令周期是CPU执行一条指令所需的时间，它包括了取指令、分析指令、执行指令等步骤。在实际操作中，不同的指令可能需要不同数量的时钟周期来完成，因此指令周期不是固定的，而是依据具体指令类型而变化。 2. **机器周期**：机器周期是CPU执行一个基本操作（如读取内存或写入内存）所需的时间。它是衡量CPU性能的一个基本单位，因为它规定了CPU执行操作的最小时间间隔。在一个同步控制的计算机中，所有指令的操作都会在这个时间间隔内进行。 3. **时钟周期**：时钟周期是计算机主时钟的周期时间，即时钟信号在两次连续翻转之间的时间。它是计算机中最基本的定时单位，通常与时钟频率成反比，即时钟周期等于主频的倒数。 这三个周期之间的关系可以总结如下：指令周期通常由几个机器周期组成，而一个机器周期又包含多个时钟周期。例如，在提供的作业中，平均指令周期是1us，而机器周期是0.4us，这意味着平均来说，执行一条指令需要2.5个机器周期。 4. **平均指令执行速度和主频选择**：作业中提到的计算平均指令执行速度的方法是将指令周期除以机器周期。例如，如果平均指令周期是1us，机器周期是0.4us，那么平均指令执行速度就是1us / 0.4us = 2.5个机器周期/指令。这个速度可以转换为MIPS（每秒百万指令数），这里是0.25MIPS。为了使CPU能匹配这个速度，需要选择合适的主频。由于1MIPS大约对应于1MHz的主频，0.25MIPS意味着需要选择一个8MHz（0.25 * 32 = 8）的CPU芯片。 5. **数据通路结构**：在作业的说明中提到了一个数据通路结构，这涉及到CPU内部数据的流动路径。例如，"取指周期"和"执行周期"描述了CPU从内存读取指令（PCO, MARi, MDRi+1）并执行操作（PCO, MARi, MDRO, IRi, CO, Yi, BO, ALUi, "+" ZO, Bi）的过程。这些操作涉及程序计数器（PC）、存储器地址寄存器（MAR）、存储器数据寄存器（MDR）、指令寄存器（IR）、算术逻辑单元（ALU）等组件，以及各种控制信号，它们共同协作完成指令的执行。 通过以上分析，我们可以看到计算机组成原理中的核心概念是如何在实际问题中被运用的，这对于理解和设计计算机系统至关重要。了解这些基础概念，有助于我们深入理解计算机硬件的工作方式，进而优化系统的性能。