微处理器系统结构与嵌入式系统设计第2版 第3章答案

“微处理器系统原理与嵌入式系统设计”第三章习题解答处理器有哪些功能？说明实现这些功能各需要哪些部件，并画出处理器的

3.1基本结构图处理器的基本功能包括数据的存储、数据的运算和控制等功能其有5个主要功能

①指令控制

②操作控制

③时间控制

④数据加工

⑤中断处理其中，数据加工由ALU、移位器和寄存器等数据通路部件完成，其他功能由控制器实现处理器的基本结构图如下数据传送数据来自数据传送指令来自处理器内部有哪些基本操作？这些基本操作各包含哪些微操作？

3.2处理器基本操作有取指令、分析指令、执行指令取指令当程序已在存储器中时，首先根据程序入口地址取出一条程序，为此要发出指令地址及控制信号分析指令对当前取得的指令进行分析，指出它要求什么操作，并产生相应的操作控制命令执行指令根据分析指令时产生的“操作命令”形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器及输入/输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成什么是冯•诺伊曼计算机结构的主要技术瓶颈？如何克服

3.3冯•诺伊曼计算机结构的主要技术瓶颈是数据传输和指令串行执行可以通过以下方案克服采用哈佛体系结构、存储器分层结构、高速缓存和虚拟存储器、指令流水线、超标量等方法指令系统的设计会影响计算机系统的哪些性能

3.5指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合，其决定了一台计算机硬件主要性能和基本功能指令系统一般都包括以下几大类指令1）数据传送类指令

（2）运算类指令包括算术运算指令和逻辑运算指令

（3）程序控制类指令主要用于控制程序的流向

（4）输入/输出类指令简称I/O指令，这类指令用于主机与外设之间交换信息因而，其设计会影响到计算机系统如下性能数据传送、算术运算和逻辑运算、程序控制、输入/输出另外，其还会影响到运算速度以及兼容等某时钟速率为的流水式处理器执行一个有万条指令的程序流

3.

92.5GHz150水线有段，并以每时钟周期条的速率发射指令不考虑分支指令和乱序执51行带来的性能损失）同样执行这个程序，该处理器比非流水式处理器可能加速多少？a）此流水式处理器是吞吐量是多少（以为单位）？b MIPSa5速度几乎是非流水线结构的5倍b.T=-^-«230CMPSp一个时钟频率为的非流水式处理器，其平均是此处理器

3.

102.5GHz CPI4o的升级版本引入了级流水然而，由于如锁存延迟这样的流水线内部延迟，5使新版处理器的时钟频率必须降低到2GHzo（）对一典型程序，新版所实现的加速比是多少？1（）新、旧两版处理器的各是多少？2MIPS

（1）对于一个有N条指令的程序来说非流水式处理器的总执行时间彳5级流水处理器的总执行时间力口速比二%=乌上，N很大时加速比

3.2T N+4j

（2）非流水式处理器CPI=4,则其执行速度=2500MHz/4=625MIPS5级流水处理器CPI=1,则其执行速度二2000MHz/1=2000MIPSo随机逻辑体系结构的处理器的特点是什么？详细说明各部件的作用

3.11随机逻辑的特点是指令集设计与硬件的逻辑设计紧密相关，通过针对特定指令集进行硬件的优化设计来得到逻辑门最小化的处理器，以此减小电路规模并降低制造费用主要部件包括产生程序地址的程序计数器，存储指令的指令寄存器，解释指令的控制逻辑，存放数据的通用寄存器堆，以及执行指令的ALU等几个主要部分构成什么是微代码体系结构？微指令的作用是什么？

3.13在微码结构中，控制单元的输入和输出之间被视为一个内存系统控制信号存放在一个微程序内存中，指令执行过程中的每一个时钟周期，处理器从微程序内存中读取一个控制字作为指令执行的控制信号并输出微指令只实现必要的基本操作，可以直接被硬件执行通过编写由微指令构成的微代码，可以实现复杂的指令功能微指令使处理器硬件设计与指令集设计相分离，有助于指令集的修改与升级，并有助于实现复杂的指令微码体系结构与随机逻辑体系结构有什么区别？

3.141指令集的改变导致不同的硬件设计开销在设计随机逻辑结构时，指令集和硬件必须同步设计和优化，因此设计随机逻辑的结构比设计微码结构复杂得多，而且硬件和指令集二者中任意一个变化，就会导致另外一个变化在微码结构中，指令设计通过为微码ROM编写微码程序来实现的，指令集的设计并不直接影响现有的硬件设计因此，一旦修改了指令集，并不需要重新设计新的硬件2从性能上比较随机逻辑在指令集和硬件设计上都进行了优化，因此在二者采用相同指令集时随机逻辑结构要更快一些但微码结构可以实现更复杂指令集，因此可以用较少的指令完成复杂的功能，尤其在存储器速度受限时，微码结构性能更优说明流水线体系结构中的个阶段的操作能否把流水线结构分为阶

3.1556段？如果可能，试给出你的方案流水线若分为5个阶段应包括取指，译码，取操作数，执行，数据回写流水线若分为6个阶段应包括取指，译码，计算操作数地址，取操作数，执行，数据回写。