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408计算机考研计算机组成原理2009-2020年真题——中央处理器大题

408计算机考研计算机组成原理2009-2020年真题——中央处理器大题

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更新于 2026-10-12
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2009年

【2009年题44】(13分)某计算机字长为 16 位,采用 16 位定长指令字结构,部分数据通路结构如下图所示,图中所有控制信号为 1 时表示有效、为 0 时表示无效。例如,控制信号 MDRE 为 1 表示允许数据从 DB 打入 MDR,MDRin 为 1 表示允许数据从内总线打入 MDR。假设 MAR 的输出一直处于使能状态。加法指令“ADD (R1), R0”的功能为 (R0) + ((R1)) → (R1),即将 R0 中的数据与 R1 的内容所指主存单元的数据相加,并将结果送入 R1 的内容所指主存单元中保存。

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下表给出了上述指令取指和译码阶段每个节拍(时钟周期)的功能和有效控制信号,请按表中描述方式用表格列出指令执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。

解析:

题干已给出取值和译码阶段每个节拍的功能和有效控制信号,我们应以弄清楚指阶段中数据通路的信息流动作为突破口,读懂每个节拍的功能和有效控制信号。然后应用到解题思路中,包括划分执行步骤、确定完成的功能、需要的控制信号。

先分析题干中提供的示例(本部分解题时不做要求):

取指令的功能是根据 PC 的内容所指主存地址,取出指令代码,经过 MDR,最终送至 IR。这部分和后面的指令执行阶段的取操作数、存运算结果的方法是相通的。

C1: (PC)→MAR

在读写存储器前,必须先将地址(这里为(PC))送至 MAR。

C2: M(MAR)→MDR, (PC)+1→PC

读写的数据必须经过 MDR,指令取出后 PC 自增 1。

C3: (MDR)→IR

然后将读到 MDR 中指令代码送至 IR 进行后续操作。

指令“ADD (R1), R0”的操作数一个在主存中,一个在寄存器中,运算结果在主存中。根据指令功能,要读出 R1 的内容所指的主存单元,必须先将 R1 的内容送至 MAR,即(R1)→MAR。而读出的数据必须经过 MDR,即 M(MAR)→MDR。

因此,将 R1 的内容所指主存单元的数据读出到 MDR 的节拍安排如下:

C5: (R1)→MAR

C6: M(MAR)→MDR

ALU 一端是寄存器 A,MDR 或 R0 中必须有一个先写入 A 中,如 MDR。

C7: (MDR)→A

然后执行加法操作,并将结果送入寄存器 AC。

C8: (A) + (R0)→AC

之后将加法结果写回到 R1 的内容所指主存单元,注意 MAR 中的内容没有改变。

C9: (AC)→MDR

C10: (MDR)→M(MAR)

有效控制信号的安排并不难,只需看数据是流入还是流出,如流入寄存器 X 就是 Xin,流出寄存器 X 就是 Xout。还需注意其他特殊控制信号,如 PC+1、Add 等。

于是得到参考答案如下:

本题答案不唯一,如果在 C6 执行 M(MAR)→MDR 的同时,完成(R0)→A(即选择将(R0)写入 A),并不会发生总线冲突,这种方案可节省 1 个节拍,见下表。


心得笔记

  1. 2009年题,加法运算有一个暂存器A,而加法运算有两个操作数,一个是R0保存的数据,而对于 R1,其中保存的是地址,要用其值从主存中取数据,所以要走 MAR ——M—— MDR,但是哪个操作数放到暂存器 A ,谁不放 A,答案是要将无需访存、立即可用的通用寄存器数据(R0)先送入暂存器 A ,这样效率最高。另外要注意编排时不要造成总线冲突。图中有系统总线和片内总线。系统总线和片内总线倒是相互不会冲突,可以并行的

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