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1、CPU的结构和功能的结构和功能第第 八八 章章|作业题：|2，7，8，11，12，17，18，23，24，25，26，27 2.2.什么是什么是什么是什么是指令周期指令周期指令周期指令周期？指令周期是否有？指令周期是否有？指令周期是否有？指令周期是否有一个一个一个一个固定值固定值固定值固定值？为什么？为什么？为什么？为什么？解：指令周期是指一条指令从解：指令周期是指一条指令从解：指令周期是指一条指令从解：指令周期是指一条指令从开始取开始取开始取开始取指令直到指令执行完指令直到指令执行完指令直到指令执行完指令直到指令执行完这段时间。这段时间。这段时间。这段时间。由于计算机中各种指令执行所需的时由
2、于计算机中各种指令执行所需的时由于计算机中各种指令执行所需的时由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大，因此间差异很大，因此间差异很大，因此间差异很大，因此为了提高为了提高为了提高为了提高CPUCPU运行效率运行效率运行效率运行效率，即使在即使在即使在即使在同步控制同步控制同步控制同步控制的机器中，不同指令的指的机器中，不同指令的指的机器中，不同指令的指的机器中，不同指令的指令周期长度都是令周期长度都是令周期长度都是令周期长度都是不一致不一致不一致不一致的，也就是说指令的，也就是说指令的，也就是说指令的，也就是说指令周期对于不同的指令来说周期对于不同的指令来说周期对于不同的指令来说周期对于不
3、同的指令来说不是一个固定值不是一个固定值不是一个固定值不是一个固定值。讨论：讨论：讨论：讨论：指令周期长度不一致的指令周期长度不一致的指令周期长度不一致的指令周期长度不一致的根本原根本原根本原根本原因因因因在于设计者，为了提高在于设计者，为了提高在于设计者，为了提高在于设计者，为了提高CPUCPU运行效率而运行效率而运行效率而运行效率而这样安排的，与这样安排的，与这样安排的，与这样安排的，与指令功能不同指令功能不同指令功能不同指令功能不同及及及及指令实际指令实际指令实际指令实际执行时间不同执行时间不同执行时间不同执行时间不同没有什么必然关系没有什么必然关系没有什么必然关系没有什么必然关系。|7
4、.答案见课本第346页|系统的并行性。|粗粒度并行和细粒度并行的区别。|8.答案见课本第346-347页|指令流水，二级流水示意图见课本图8.14。|11.解：|(1)流水线的时钟周期应取完成各步操作的时间中最大的即90ns|(2)若相邻的指令发生数据相关，则第2条指令的ID应在第1条指令的WR之后，即应该推迟两个时钟周期:90ns*2=180ns|(3)可采取定向技术，又称为旁路技术。(P351)|12.解：由题意可知，时钟周期应取10ns，即t=10ns,指令条数n=12，指令流水段数m=5，于是得，采用流水线需时间 T=m*t+(n-1)t=(m+n-1)t =(5+12-1)*10ns
5、=160ns 等效的非流水线需时间 T=12*(10+8+10+10+7)ns=540ns故加速比为 SP =T/T=540ns/160ns=3.375实际吞吐率为 TP =n/T=12/160ns=7.5*107 条指令/秒 17.17.在中断系统中，在中断系统中，在中断系统中，在中断系统中，INTRINTR、INTINT、EINTEINT这三个触发器各有何作用？这三个触发器各有何作用？这三个触发器各有何作用？这三个触发器各有何作用？解：解：解：解：INTRINTR中断请求触发器，中断请求触发器，中断请求触发器，中断请求触发器，用用用用来来来来登记登记登记登记中断源发出的随机性中断请求信号，
6、中断源发出的随机性中断请求信号，中断源发出的随机性中断请求信号，中断源发出的随机性中断请求信号，以便为以便为以便为以便为CPUCPU查询中断及中断排队判优线路查询中断及中断排队判优线路查询中断及中断排队判优线路查询中断及中断排队判优线路提供提供提供提供稳定的稳定的稳定的稳定的中断请求信号；中断请求信号；中断请求信号；中断请求信号；EINTEINT中断允许触发器，中断允许触发器，中断允许触发器，中断允许触发器，CPUCPU中中中中的的的的中断总开关中断总开关中断总开关中断总开关。当。当。当。当EINT=1EINT=1时，表示允许时，表示允许时，表示允许时，表示允许中断（开中断），当中断（开中断）
7、，当中断（开中断），当中断（开中断），当EINT=0EINT=0时，表示禁时，表示禁时，表示禁时，表示禁止中断（关中断）。其状态可由开、关中止中断（关中断）。其状态可由开、关中止中断（关中断）。其状态可由开、关中止中断（关中断）。其状态可由开、关中断等指令设置；断等指令设置；断等指令设置；断等指令设置；INTINT中断标记触发器，中断标记触发器，中断标记触发器，中断标记触发器，控制器控制器控制器控制器时时时时序系统序系统序系统序系统中周期状态分配电路的一部分，表中周期状态分配电路的一部分，表中周期状态分配电路的一部分，表中周期状态分配电路的一部分，表示示示示中断周期标记中断周期标记中断周期标记
8、中断周期标记。当。当。当。当INT=1INT=1时，进入中断时，进入中断时，进入中断时，进入中断周期，执行周期，执行周期，执行周期，执行中断隐指令中断隐指令中断隐指令中断隐指令的操作。的操作。的操作。的操作。讨论：讨论：讨论：讨论：回答时首先应给出该触发器的回答时首先应给出该触发器的回答时首先应给出该触发器的回答时首先应给出该触发器的中文名中文名中文名中文名称称称称，然后说明其，然后说明其，然后说明其，然后说明其主要作用主要作用主要作用主要作用。当进入中断周期时，当进入中断周期时，当进入中断周期时，当进入中断周期时，INT=1INT=1；（INT=1INT=1时，进入中断周期）时，进入中断周期
9、）时，进入中断周期）时，进入中断周期）INTINT与与与与EINTEINT配合使用以实现关中断功配合使用以实现关中断功配合使用以实现关中断功配合使用以实现关中断功能，即能，即能，即能，即INT=1INT=1，反相后使，反相后使，反相后使，反相后使EINT=0EINT=0；（关中断并不是（关中断并不是（关中断并不是（关中断并不是INTINT的主要功能，进入中的主要功能，进入中的主要功能，进入中的主要功能，进入中断周期后要执行断周期后要执行断周期后要执行断周期后要执行中断隐指令的全部三个功中断隐指令的全部三个功中断隐指令的全部三个功中断隐指令的全部三个功能能能能）INTINT表示自愿中断，完成系统
10、调用；表示自愿中断，完成系统调用；表示自愿中断，完成系统调用；表示自愿中断，完成系统调用；（尽管（尽管（尽管（尽管INTINT触发器的英文缩写与触发器的英文缩写与触发器的英文缩写与触发器的英文缩写与INTINT指令指令指令指令助记符完全相同，但它们一个是助记符完全相同，但它们一个是助记符完全相同，但它们一个是助记符完全相同，但它们一个是硬件设置硬件设置硬件设置硬件设置，一个是一个是一个是一个是软中断指令软中断指令软中断指令软中断指令，其作用完全不同），其作用完全不同），其作用完全不同），其作用完全不同）INTINT标记目前是否正在运行中断程序；标记目前是否正在运行中断程序；标记目前是否正在运行
11、中断程序；标记目前是否正在运行中断程序；（INTINT标记在运行中断程序时已不存在）标记在运行中断程序时已不存在）标记在运行中断程序时已不存在）标记在运行中断程序时已不存在）INTINTINTINT表示处于中断状态中；表示处于中断状态中；表示处于中断状态中；表示处于中断状态中；（INTINTINTINT并不是在整个中断过程中都存在）并不是在整个中断过程中都存在）并不是在整个中断过程中都存在）并不是在整个中断过程中都存在）INTINTINTINT判断中断过程中是否接受其它中判断中断过程中是否接受其它中判断中断过程中是否接受其它中判断中断过程中是否接受其它中断请求，断请求，断请求，断请求，INT=
12、0INT=0INT=0INT=0时，开中断，允许中断嵌时，开中断，允许中断嵌时，开中断，允许中断嵌时，开中断，允许中断嵌套；套；套；套；（INTINTINTINT标记与中断嵌套技术没有任何关系。标记与中断嵌套技术没有任何关系。标记与中断嵌套技术没有任何关系。标记与中断嵌套技术没有任何关系。它不能表示出中断过程中是否接受其它它不能表示出中断过程中是否接受其它它不能表示出中断过程中是否接受其它它不能表示出中断过程中是否接受其它中断请求，中断请求，中断请求，中断请求，INT=0INT=0INT=0INT=0也不表示开中断）也不表示开中断）也不表示开中断）也不表示开中断）EINTEINTEINTEIN
13、T判断判断判断判断CPUCPUCPUCPU是否响应中断请求；是否响应中断请求；是否响应中断请求；是否响应中断请求；（CPUCPUCPUCPU根据根据根据根据EINTEINTEINTEINT状态决定是否响应中断请状态决定是否响应中断请状态决定是否响应中断请状态决定是否响应中断请求）求）求）求）当当当当CPUCPUCPUCPU响应中断时，响应中断时，响应中断时，响应中断时，EINTEINTEINTEINT置置置置1 1 1 1；（当（当（当（当EINT=1EINT=1EINT=1EINT=1时，允许时，允许时，允许时，允许CPUCPUCPUCPU响应中断）响应中断）响应中断）响应中断）EINTEI
14、NTEINTEINT确保确保确保确保CPUCPUCPUCPU响应中断后，不受新的响应中断后，不受新的响应中断后，不受新的响应中断后，不受新的中断干扰；中断干扰；中断干扰；中断干扰；（CPUCPUCPUCPU响应中断在先，进入中断周期后响应中断在先，进入中断周期后响应中断在先，进入中断周期后响应中断在先，进入中断周期后才使才使才使才使EINT=0EINT=0EINT=0EINT=0，仅在单重中断时，整个中，仅在单重中断时，整个中，仅在单重中断时，整个中，仅在单重中断时，整个中断过程保持断过程保持断过程保持断过程保持EINT=0EINT=0EINT=0EINT=0，不接受新的中断请，不接受新的中断
15、请，不接受新的中断请，不接受新的中断请求）求）求）求）EINTEINTEINTEINT表示中断隐指令，表示中断隐指令，表示中断隐指令，表示中断隐指令，INTINTINTINT起关中断起关中断起关中断起关中断作用；作用；作用；作用；（把（把（把（把EINTEINTEINTEINT和和和和INTINTINTINT的作用搞反了）的作用搞反了）的作用搞反了）的作用搞反了）INTR=1INTR=1INTR=1INTR=1，判断哪个中断源有请求；，判断哪个中断源有请求；，判断哪个中断源有请求；，判断哪个中断源有请求；（INTRINTRINTRINTR对中断源的请求进行登记，当对中断源的请求进行登记，当对中
16、断源的请求进行登记，当对中断源的请求进行登记，当INTR=1INTR=1INTR=1INTR=1时，表示有请求）时，表示有请求）时，表示有请求）时，表示有请求）|18.答案见于课本第363页|中断隐指令及其功能|23.答案见于课本第364页|保护现场的任务及其实现 24.24.现有现有现有现有A A、B B、C C、D D四个中断源，其优先级由高四个中断源，其优先级由高四个中断源，其优先级由高四个中断源，其优先级由高向低按向低按向低按向低按A AB BC CD D顺序排列。若中断服务程序的执顺序排列。若中断服务程序的执顺序排列。若中断服务程序的执顺序排列。若中断服务程序的执行时间为行时间为行时
17、间为行时间为2020ss，请根据下图所示时间轴给出的中断源，请根据下图所示时间轴给出的中断源，请根据下图所示时间轴给出的中断源，请根据下图所示时间轴给出的中断源请求中断的时刻，画出请求中断的时刻，画出请求中断的时刻，画出请求中断的时刻，画出CPUCPU执行程序的轨迹。执行程序的轨迹。执行程序的轨迹。执行程序的轨迹。解：解：解：解：CPUCPU执行程序的轨迹图如下：执行程序的轨迹图如下：执行程序的轨迹图如下：执行程序的轨迹图如下：A A服务服务服务服务 B B服务服务服务服务 C C服务服务服务服务 D D服务服务服务服务现行程序现行程序现行程序现行程序 0 10 20 30 40 50 60
18、70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150100 110 120 130 140 150 t(t(s)s)B B与与C C请求请求 D D请求请求 B B请求请求 A A请求请求 这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略了这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略了中断响应时间。中断响应时间。25.25.设某机有设某机有设某机有设某机有五个五个五个五个中断源中断源中断源中断源L L0 0、L L1 1、L L2 2、L L3 3、L L4 4，按中断响应的优先次序按中断响应的优先次序按中断响应的优先次序按中断响应的优
19、先次序由高向低排序由高向低排序由高向低排序由高向低排序为为为为L L0 0L L1 1 L L2 2 L L3 3 L L4 4，现要求中断处理次序改为，现要求中断处理次序改为，现要求中断处理次序改为，现要求中断处理次序改为L L1 1L L4 4 L L2 2 L L0 0 L L3 3，根据下面的格式，写出各中断源的，根据下面的格式，写出各中断源的，根据下面的格式，写出各中断源的，根据下面的格式，写出各中断源的屏蔽字屏蔽字屏蔽字屏蔽字。解：各中断源屏蔽状态见下表：解：各中断源屏蔽状态见下表：解：各中断源屏蔽状态见下表：解：各中断源屏蔽状态见下表：中中中中 断断断断 源源源源 屏屏屏屏 蔽蔽
20、蔽蔽 字字字字 0 1 2 3 40 1 2 3 4 L L0 0 L L1 1 L L2 2 L L3 3 L L4 4 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 0 1 1 01 0 1 1 0 0 0 0 1 00 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 表中：设屏蔽位表中：设屏蔽位表中：设屏蔽位表中：设屏蔽位=1=1表示表示表示表示屏蔽屏蔽屏蔽屏蔽，屏蔽，屏蔽，屏蔽，屏蔽位位位位=0=0表示中断表示中断表示中断表示中断开放开放开放开放。为了使所有中断都能得到及时响应，为了使所有中断都能得到及时响应，为了使所有中断都能得到及时响应，
21、为了使所有中断都能得到及时响应，现行程序的中断屏蔽字一般设为现行程序的中断屏蔽字一般设为现行程序的中断屏蔽字一般设为现行程序的中断屏蔽字一般设为全开放全开放全开放全开放（全全全全0 0）状态。）状态。）状态。）状态。讨论：讨论：讨论：讨论：按照修改过的优先次序，当按照修改过的优先次序，当按照修改过的优先次序，当按照修改过的优先次序，当五个中断请求信号同时到来五个中断请求信号同时到来五个中断请求信号同时到来五个中断请求信号同时到来时，时，时，时，CPUCPU中中中中断处理过程如下图：断处理过程如下图：断处理过程如下图：断处理过程如下图：图中括号内为各程序的屏蔽码。图中括号内为各程序的屏蔽码。图中
22、括号内为各程序的屏蔽码。图中括号内为各程序的屏蔽码。注意：注意：注意：注意：中断屏蔽码的判优作用体现中断屏蔽码的判优作用体现中断屏蔽码的判优作用体现中断屏蔽码的判优作用体现在对低级中断请求的在对低级中断请求的在对低级中断请求的在对低级中断请求的屏蔽屏蔽屏蔽屏蔽上，对于多个上，对于多个上，对于多个上，对于多个同时到来的高级中断请求信号之间则同时到来的高级中断请求信号之间则同时到来的高级中断请求信号之间则同时到来的高级中断请求信号之间则只只只只有开放有开放有开放有开放作用，作用，作用，作用，没有判优没有判优没有判优没有判优作用。此时还需作用。此时还需作用。此时还需作用。此时还需依赖依赖依赖依赖硬件
23、排队线路硬件排队线路硬件排队线路硬件排队线路完成进一步的判优。完成进一步的判优。完成进一步的判优。完成进一步的判优。现行程序（现行程序（现行程序（现行程序（0000000000）五级中断请求同时到来。五级中断请求同时到来。L L0 0中断服务（中断服务（中断服务（中断服务（1001010010）保存现场保存现场保存现场保存现场 开中断开中断开中断开中断L L1 1中断服务（中断服务（中断服务（中断服务（1111111111）执行一条指令执行一条指令执行一条指令执行一条指令中断返回中断返回中断返回中断返回L L2 2中断服务（中断服务（中断服务（中断服务（1011010110）中断返回中断返回中
24、断返回中断返回L L4 4中断服务中断服务中断服务中断服务 （1011110111）中断返回中断返回中断返回中断返回关中断关中断关中断关中断恢复现场恢复现场恢复现场恢复现场执行一执行一执行一执行一条指令条指令条指令条指令 L L3 3中断服务中断服务中断服务中断服务（0001000010）中断返回中断返回中断返回中断返回中断返回中断返回中断返回中断返回中断处理过程示意图中断处理过程示意图中断处理过程示意图中断处理过程示意图（画法二：时空图表示）（画法二：时空图表示）（画法二：时空图表示）（画法二：时空图表示）L L4 4服务服务服务服务 L L3 3服务服务服务服务 L L2 2服务服务服务服
25、务 L L1 1服务服务服务服务 L L0 0服务服务服务服务现行程序现行程序现行程序现行程序 L L0 0、L L1 1 、L L2 2 、L L3 3 、L L4 4 同时同时同时同时请求请求请求请求t t程序程序程序程序 26.26.设某机配有设某机配有设某机配有设某机配有A A、B B、C C三台设备，三台设备，三台设备，三台设备，其优先级按其优先级按其优先级按其优先级按A AB BC C降序排列，为改降序排列，为改降序排列，为改降序排列，为改变中断处理次序，它们的中断屏蔽字变中断处理次序，它们的中断屏蔽字变中断处理次序，它们的中断屏蔽字变中断处理次序，它们的中断屏蔽字设置如下：设置如
26、下：设置如下：设置如下：设备设备设备设备 屏蔽字屏蔽字屏蔽字屏蔽字 A 1 1 1A 1 1 1 B 0 1 0 B 0 1 0 C 0 1 1 C 0 1 1 请按下图所示请按下图所示请按下图所示请按下图所示时间轴时间轴时间轴时间轴给出的设备给出的设备给出的设备给出的设备请求中断的时刻，画出请求中断的时刻，画出请求中断的时刻，画出请求中断的时刻，画出CPUCPU执行程序执行程序执行程序执行程序的的的的轨迹轨迹轨迹轨迹。设。设。设。设A A、B B、C C中断服务程序的中断服务程序的中断服务程序的中断服务程序的执行时间均为执行时间均为执行时间均为执行时间均为2020 s s。解：解：解：解：C
27、PUCPU执行程序的轨迹图如下：执行程序的轨迹图如下：执行程序的轨迹图如下：执行程序的轨迹图如下：主要主要主要主要注意注意注意注意问题：问题：问题：问题：1 1）轨迹的）轨迹的）轨迹的）轨迹的连续性连续性连续性连续性；2 2）程序的转出、）程序的转出、）程序的转出、）程序的转出、返回轨迹及时刻；返回轨迹及时刻；返回轨迹及时刻；返回轨迹及时刻；3 3）现行程序在坐标系中的位置。）现行程序在坐标系中的位置。）现行程序在坐标系中的位置。）现行程序在坐标系中的位置。0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t(0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t(s)s)A A
28、请求请求 B B请求请求 C C请求请求 这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略了这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略了中断响应时间。中断响应时间。A A服务服务服务服务 B B服务服务服务服务 C C服务服务服务服务现行程序现行程序现行程序现行程序讨论：讨论：讨论：讨论：当从当从当从当从B B B B中断转到中断转到中断转到中断转到C C C C中断时，中断时，中断时，中断时，不返回不返回不返回不返回现行程序，下现行程序，下现行程序，下现行程序，下述程序运行轨迹是述程序运行轨迹是述程序运行轨迹是述程序运行轨迹是错误错误错误错误的：的：的：的：A A服务服务 B B服务服务 C C服务服
29、务现行程序现行程序 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t(0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t(s)s)A A请求请求 B B请求请求 C C请求请求 注意注意现行程序的运行轨迹在现行程序的运行轨迹在横坐标横坐标上，即此程序上，即此程序运行轨迹是相对于现行程序而言的。运行轨迹是相对于现行程序而言的。27.27.设某机有设某机有设某机有设某机有3 3个中断源，其优先级个中断源，其优先级个中断源，其优先级个中断源，其优先级按按按按1 12323降序排列。假降序排列。假降序排列。假降序排列。假设设设设中断中断中断中断处处处处理理理理时间时间时间时间均均
30、均均为为为为，在下图所示的时间内共发生，在下图所示的时间内共发生，在下图所示的时间内共发生，在下图所示的时间内共发生5 5次次次次中断请求，图中中断请求，图中中断请求，图中中断请求，图中表示表示表示表示1 1级中断源发出中级中断源发出中级中断源发出中级中断源发出中断请求信号，其余类推，画出断请求信号，其余类推，画出断请求信号，其余类推，画出断请求信号，其余类推，画出CPUCPU执行执行执行执行程序的轨迹。程序的轨迹。程序的轨迹。程序的轨迹。解：解：解：解：CPUCPU执行程序的轨迹图见下页：执行程序的轨迹图见下页：执行程序的轨迹图见下页：执行程序的轨迹图见下页：CPUCPU执行程序的轨迹图执行程序的轨迹图执行程序的轨迹图执行程序的轨迹图 1 1服务服务服务服务 2 2服务服务服务服务 3 3服务服务服务服务现行程序现行程序现行程序现行程序 0 0 2 3 4 5 6 t t 程序程序程序程序