“微处理器系统原理与嵌入式系统设计”第三章习题解答
3.1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：
3.2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？
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。

3.3什么是冯·诺伊曼计算机结构的主要技术瓶颈？如何克服？
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。

3.5指令系统的设计会影响计算机系统的哪些性能？
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。

3.9某时钟速率为2.5GHz 的流水式处理器执行一个有150万条指令的程序。

流水线有5段，并以每时钟周期1条的速率发射指令。

不考虑分支指令和乱序执行带来的性能损失。

a)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？ b)此流水式处理器是吞吐量是多少（以MIPS 为单位）？ a.=51p T n m S T m
n =≈+-串流水速度几乎是非流水线结构的5倍。

b.2500M I P S p n T T =≈流水
3.10一个时钟频率为2.5 GHz 的非流水式处理器，其平均CPI 是4。

此处理器的升级版本引入了5级流水。

然而，由于如锁存延迟这样的流水线内部延迟，使新版处理器的时钟频率必须降低到2 GHz 。

(1) 对一典型程序，新版所实现的加速比是多少？
(2) 新、旧两版处理器的MIPS 各是多少？
（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s N N T 990
106.1)105.2/()4(-⨯=⨯⨯= 5级流水处理器的总执行时间s N N T 991
10)4(2)102/()15(-⨯+=⨯-+= 加速比=4
2.310+=N N T T ，N 很大时加速比≈
3.2 （2）非流水式处理器CPI=4，则其执行速度=2500MHz/4=625MIPS 。

5级流水处理器CPI=1，则其执行速度=2000 MHz /1=2000 MIPS 。

3.11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。

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。

3.13 什么是微代码体系结构？微指令的作用是什么？
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。

3.14微码体系结构与随机逻辑体系结构有什么区别？
（1）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。

3.15说明流水线体系结构中的5个阶段的操作。

能否把流水线结构分为6阶段？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。