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 ＋ １ Acc → MDR ，WRITE ；保存结果 MDR → MM
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 ；取指令的第一个字 ② PC → B ，F ＝ B ＋ １ ，F → PC ③ MDR → B ，F ＝ B ，F → IR
④ PC → B ，F ＝ B ，F → MAR ，Read ；取指令的第二个字 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 ；修改栈指针，返回地址压入堆栈 ⑧ PC → B ，F ＝ B ，F → MDR ，Write
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，