计算机组成与体系结构笔记

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第7章 中央处理器（CPU）- 专项练习 ​

老师在录音里称第七章为全书的精华，是逻辑与物理转换的最后一关。

他特别强调：大题必考微指令格式设计（字段直接编码法）和指令执行过程的微操作序列分析。基础题部分，老师反复点名了：寄存器可见性、指令周期/机器周期的辩证关系、20/80原则、以及微程序控制器的基本组成。

一、填空题（每空 1 分） ​

1.
CPU 的基本功能包括指令控制、操作控制、_________ 控制、数据加工和中断处理。
2.
在 CPU 的五个专用寄存器中，_________ 和 _________ 对汇编语言程序员是可见的。
3.
_________ 是指取一条指令并执行完该指令所需的全部时间。
4.
取指阶段的操作对所有指令都是相同的，因此被称为 _________。
5.
组合逻辑控制器的优点是 _________；微程序控制器的优点是 _________。
6.
微程序控制技术中，将一条机器指令编写成一段 _________，存放在 _________ 中。
7.
在微指令的操作控制字段编码中，_________ 法能兼顾微指令字长和并行操作能力，是目前最常用的方法。
8.
字段直接编码法要求：将 _________ 的微命令安排在同一段内，且每段要留出一个状态表示 _________。
9.
精简指令系统计算机（RISC）遵循 _________ 原则，即 20% 的简单指令占据了 80% 的使用频率。
10.
指令流水线有三种相关的冲突，分别是结构相关、_________ 相关和 _________ 相关。

二、单项选择题（每题 2 分） ​

1.
（核心考点：寄存器可见性）老师强调透明性。下列寄存器中，程序员不可见的是（ ）。
A.
PC（程序计数器）
B.
PSW（状态寄存器）
C.
IR（指令寄存器）
D.
通用寄存器组
2.
（重点：微命令与微操作）关于微命令和微操作，下列描述准确的是（ ）。
A.
微命令是微操作的控制信号，两者一一对应
B.
一个微指令只能包含一个微命令
C.
微操作可以再进一步拆分
D.
微程序存放在主存中
3.
（时间指标：周期关系）老师强调定性与定量。指令周期、机器周期、时钟周期三者的大小关系通常是（ ）。
A.
指令周期 > 机器周期 > 时钟周期
B.
时钟周期 > 机器周期 > 指令周期
C.
三者相等
D.
机器周期 > 指令周期 > 时钟周期
4.
（计算：字段编码法）某字段包含 7 个互斥的微命令，若采用字段直接编码法，该字段至少需占（ ）位。
A.
2
B.
3
C.
7
D.
4
5.
（核心原理：微程序入口）执行完取指微程序后，根据机器指令的（ ）寻找对应微程序的入口地址。
A.
地址码
B.
寻址特征
C.
操作码（OP）
D.
状态位
6.
（性能指标：流水线）某 5 段流水线各段执行时间分别为 10ns、8ns、12ns、10ns、10ns，则该流水线的时钟周期至少为（ ）。
A.
8ns
B.
10ns
C.
12ns
D.
50ns
7.
（架构对比：RISC）下列属于 RISC（精简指令系统）特点的是（ ）。
A.
指令长度不固定
B.
访存指令不受限制
C.
大多数指令在一个周期内完成
D.
寻址方式种类繁多
8.
（公共操作：PC 更新）老师提到PC+1的陷阱。取指周期中，修改 PC 的目的是（ ）。
A.
改变程序执行流
B.
指向下一条指令的地址
C.
保存当前断点
D.
访问操作数地址
9.
（微程序控制器组成）存放微程序的存储器称为（ ）。
A.
主存（MM）
B.
控存（CM）
C.
缓存（Cache）
D.
虚拟存储器
10.
（综合逻辑：单周期处理器）录音提到：单周期处理器的 CPI 恒等于（ ）。
A.
0.5
B.
1
C.
2
D.
不确定

参考答案与解析 ​

一、填空题 ​

  1. 时序（控制器的三大支柱：指令、操作、时序）
  2. PC、PSW（录音陷阱：IR、MAR、MDR 对程序员透明）
  3. 指令周期
  4. 公共操作（录音重点：硬件定死，不可变更）
  5. 速度快、规整/灵活（易扩充）
  6. 微程序、控制存储器（CM）
  7. 字段直接编码（三板斧的最佳选择）
  8. 互斥、不操作（字段编码的两大硬性规定）
  9. 20/80
  10. 数据、控制（流水线三大冲突）

二、选择题 ​

  1. C - IR、MAR、MDR 是内部寄存器，属于透明硬件
  2. A - 录音原文：微命令是逻辑描述，微操作是物理动作
  3. A - 指令周期包含机器周期，机器周期包含时钟周期
  4. B - 需要留出一个 000 状态代表无操作，共计 8 个状态，23=8
  5. C - 操作码译码后，通过微地址形成部件产生入口
  6. C - 流水线木桶效应：周期取决于最慢的一段
  7. C - RISC 核心：简单、等长、单周期、寄存器操作
  8. B - 若不更新，CPU 会死循环取同一条指令
  9. B - Control Memory，在 CPU 芯片内部
  10. B - 每个时钟周期完成一条指令，即 CPI=1

重点提示 ​

  1. 寄存器可见性：

    • 可见：PC（程序计数器）、PSW（程序状态字）、通用寄存器
    • 不可见（透明）：IR（指令寄存器）、MAR（内存地址寄存器）、MDR（内存数据寄存器）

  2. 指令周期/机器周期/时钟周期关系：

    • 指令周期 ≥ 机器周期 ≥ 时钟周期
    • 指令周期包含多个机器周期
    • 机器周期包含多个时钟周期

  3. 微程序控制器：

    • 微程序存放在控制存储器（CM）中
    • 微指令由操作控制字段和顺序控制字段组成
    • 字段直接编码法：互斥微命令放在同一段，每段留出一个状态表示不操作

  4. 字段编码法计算：

    • 如果有 n 个互斥微命令，需要 n+1 个状态（包括不操作）
    • 字段位数 = ⌈log2⁡(n+1)⌉

  5. RISC 特点：

    • 遵循 20/80 原则
    • 指令长度固定
    • 大多数指令单周期完成
    • 只有访存指令可以访问内存
    • 寻址方式简单

  6. 流水线性能：

    • 时钟周期 = 最慢段的执行时间（木桶效应）
    • 加速比 = 顺序执行时间 / 流水线执行时间

  7. 微程序入口：

    • 根据操作码（OP）寻找微程序入口地址
    • 操作码译码后，通过微地址形成部件产生入口

  8. PC 更新：

    • 取指周期中必须更新 PC，指向下一条指令
    • 若不更新，CPU 会死循环取同一条指令

🎉 全书复习大通关！ ​

你已经完成了所有核心章节（第1-8章）的练习。根据老师在录音里的最后叮嘱，给你的考前冲刺 3 点建议：

  1. 死磕计算过程： 第 4 章的补码乘除法、第 6 章的平均访问时间。
  2. 死磕连线标注： 第 5 章存储器扩展图，注意那些小圆圈和 R/W― 标注。
  3. 死磕华为 5%： 确保知道 ARM、RISC、64位、泰山核、SOC 这些关键词。

需要我针对这几章的大题（计算/画图题）再给你一些答题模板或步骤解析吗？