【考研408計算機組成原理】微程序設計重要考點指令流水線考研真題＋考點分析

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????蘇澤?

“棄工從研”的路上很孤獨，于是我記下了些許筆記相伴，希望能夠幫助到大家

微指令的形成方式

微指令的地址形成方式

對應考題

題目：微指令的地址形成方式 - 斷定方式

解題思路：

答題：

分析考點：

微程序控制單元設計

靜態微程序設計和動態微程序設計（小知識點）

靜態

動態

指令流水線

在設計指令流水線時，需要考慮以下幾個方面：

易錯點

考題

示例問題

微指令的形成方式

微指令的地址形成方式

斷定方式
- 微指令格式中包含下地址字段。
- 后繼微指令的地址由該字段直接指定。
根據操作碼形成
- 機器指令加載到指令寄存器后，微指令地址由操作碼決定。
- 通過微地址形成部件來生成微指令地址。
增量計數器法
- 微指令地址寄存器（CMAR）的當前值加1。
- 公式表示為：(𝐶𝑀𝐴𝑅)+1→𝐶𝑀𝐴𝑅(CMAR)+1→CMAR。
分支轉移
- 轉移方式：根據特定的判別條件進行轉移。
- 轉移地址：指明轉移成功后的微指令地址。
操作控制字段
- 包含轉移方式和轉移地址。
通過測試網絡
- 微指令地址的形成可能依賴于測試網絡的結果。
硬件產生微程序入口地址
- 第一條微指令地址由專門的硬件產生。
- 取指周期和中斷周期的微程序首地址由硬件記錄。

對應考題

題目：微指令的地址形成方式 - 斷定方式

題目描述： 某計算機采用微程序控制器，共有32條指令。公共的取指令微程序包含2條微指令，各指令對應的微程序平均由4條微指令組成。采用斷定法（下地址字段法）確定下條微指令地址。求：

微指令中下地址字段可以沒有的位數至少是多少位？
總共需要存儲多少條微指令？
標注出130個不同的位置至少需要多少個二進制位？

解題思路：

理解題目要求：
- 確定微指令的下地址字段位數。
- 計算總共需要存儲的微指令數量。
- 計算標注130個不同位置所需的二進制位數。
計算微指令數量：
- 取指令微程序固定為2條微指令。
- 每條指令對應的微程序平均有4條微指令，共有32條指令。
計算下地址字段位數：
- 使用斷定法，需要足夠位數的下地址字段來唯一標識每一條微指令。
計算二進制位數：
- 需要的位數能夠表示從1到130的所有微指令地址。

答題：

計算微指令數量：
- 取指令微程序：2條
- 每條指令對應的微程序：32條指令 × 4條微指令/指令 = 128條
- 總共：2 + 128 = 130條微指令
計算下地址字段位數：
- 由于需要唯一標識130條微指令，使用二進制表示需要的位數為??log?2(130)??log2?(130)?。
- 計算得?27=12827=128，28=25628=256，因此至少需要8位。
計算二進制位數：
- 130個不同位置至少需要的二進制位數為??log?2(130)??log2?(130)?。
- 由于?27=12827=128?不足以表示130，所以需要?28=25628=256，即8位。

分析考點：

考點1：?微程序控制器的工作原理和微指令的地址形成方式。
考點2：?斷定法的理解和應用。
考點3：?二進制數的位數計算，以及如何確定能夠表示特定數量的唯一值所需的位數。

微程序控制單元設計

與硬布線控制單元設計做對比

絕大多數都一樣，但唯一的區別在最后：把形成的微命令交給微地址形成部件最后形成微命令+微地址的形式組成微指令

而硬布線是直接把這樣的微命令做成電路去實現

也正是因為這個特性他的每一個微命令段（由若干微命令形成的微命令段）多一個節拍用于把下一次的微命令存到CMAR 作用是為了讓機器知道 “下一步”執行誰

這也是他跟硬布線控制器最大的區別?

靜態微程序設計和動態微程序設計（小知識點）

靜態

微程序無需改變，采用 ROM

動態

通過改變微指令和微程序改變機器指令

有利于仿真，采用 EPROM

指令流水線

是CPU中的一種技術，它允許多個指令在不同的階段同時進行處理，從而提高執行效率。指令流水線的基本步驟包括：

取指周期：根據程序計數器（PC）中的內容從指定地址讀出指令代碼并放在指令寄存器（IR）中。
譯碼周期：對指令進行譯碼，確定需要的操作和操作數。
執行周期：根據指令的操作碼和操作數執行相應的操作。
訪存周期：如果需要，訪問內存以獲取或存儲數據。
寫回周期：將執行結果寫回寄存器或內存。

流水線技術可以并行處理多個指令，但也可能遇到一些問題，如數據沖突、控制沖突等，需要采取相應的策略來解決。

指令流水線的本質

就是把一個動作拆解成無數個細小的動作（由不同的部件完成不同的動作）? 然而流水線就體現在異步? 通俗點講就是你是切菜的你不用上一個菜做完你就一直切菜 你的任務不需要等到別人執行完成你才能夠開始? 這就叫異步? 流水線的本質就是希望將各種部件最大異步化? 僅此而已

在設計指令流水線時，需要考慮以下幾個方面：

指令的順序：指令順序不能改變，以確保程序的正確性。
指令的并行性：編譯器可以通過分析指令之間的依賴關系，將能夠并行執行的指令合并成一條超長指令字，以提高執行效率

指令流水線是一種在CPU中用于提高指令執行效率的技術，它將指令的執行過程分解成多個子過程，這些子過程可以并行執行。然而，在指令流水線的設計和實現中存在一些易錯點，這些易錯點在考題中也經常被考察。以下是一些指令流水線中的易錯點和相關問題：

易錯點

資源沖突（結構相關）：當多條指令同時爭用同一資源時會發生結構相關，導致流水線中斷或效率降低。
數據相關（數據冒險）：某些指令依賴于前一條指令的結果，如果前一條指令的結果尚未計算完成，后一條指令就無法執行。
控制相關（控制冒險）：轉移指令和程序計數器的改變可能導致流水線中斷。
流水線的啟動和排空：流水線在開始時需要一定的時間來填滿各個階段，稱為啟動時間；在最后一條指令執行完畢后，流水線需要一段時間來清空，稱為排空時間。
超標量流水線的指令亂序發射：超標量流水線允許在一個時鐘周期內發射多條指令，但需要處理指令亂序執行帶來的問題。
異常和中斷的處理：流水線需要能夠處理異常和中斷，這可能會影響流水線的效率。

考題

計算流水線的性能指標：如吞吐率、加速比、效率等。
- 吞吐率：單位時間內完成的指令數量。
- 加速比：引入流水線后與未引入流水線的執行時間之比。
- 效率：流水線中各功能的利用率。
分析流水線中的相關類型：確定指令流水線中可能發生的數據相關、控制相關和結構相關。
設計超標量流水線：設計一個超標量流水線，并分析其CPI（每條指令的時鐘周期數）。
處理異常和中斷：設計流水線的異常和中斷機制，確保流水線在遇到異常情況時能夠正確處理。
流水線的優化：提出方法來減少流水線的啟動時間和排空時間，提高流水線的效率。
指令流水線的實現：給出指令流水線的具體實現方式，包括數據通路的設計、控制信號的生成等。