计算机系统设计作业解析：指令执行与Cache设计

"计算机系统设计相关的作业，涵盖了指令执行过程的控制信号，指令格式，以及主存和Cache的直接映射方式。作业还讨论了不同指令的机器代码表示，存储器控制信号，以及指令执行所需的时钟周期。此外，还涉及了Cache的容量计算，考虑了字节编址、块大小、回写策略等因素。" 在计算机系统设计中，指令集是CPU的核心组成部分。根据提供的描述，这个计算机系统支持128条不同的指令，这是因为指令格式中有8位的操作码字段，可以表示从00000000到11111111，即2^8 = 128种不同的指令。其中，inc、shl和sub指令分别对应于01H、02H和03H的操作码。 指令的执行过程涉及到多个控制信号，如图a所示。在给出的例子中，当执行如"incR1"这样的指令时，控制信号Xout（寄存器X的输出）在适当的时间被设置为1，以将PC（程序计数器）的内容送至总线，接着执行读取指令操作。在指令"shlR2,R1"中，控制信号可能涉及移位操作，如左移一位（left），以及从R1读取并写入R2。对于"subR3,(R1),R2"，控制信号可能涉及到读取(R1)和(R2)，执行减法操作，然后将结果存储在R3中。 在Cache和主存的交互中，采用直接映射方式，这意味着主存的每一个块都可以直接映射到Cache的一行。如果主存地址为32位，并且按字节编址，那么一个主存块大小为4个字，每个字32位，即16字节（16B）。"字块内地址"占用4位，因为每个块有4个字，所以需要4位来定位每个字。对于能存放4K字数据的Cache，也就是4KB（4 * 1024字节），其行数是1K（2^10），因此"Cache行地址"需要10位。主存字块标记需要32位地址减去10位Cache行地址和4位字块内地址，即18位。 Cache的总容量不仅包括存储数据的位数，还包含了标记位、有效性位、一致性维护位（如脏位，用于记录数据是否已被修改）等。在这个例子中，因为采用了回写策略，所以必须有脏位来跟踪哪些数据需要在写回主存时更新。然而，关于替换算法的控制位，由于题目没有明确说明，这里假设不包含。 本作业探讨了计算机指令系统、指令执行的控制信号、Cache的管理和容量计算等多个关键概念，这些都是计算机系统设计中的基础内容。理解和掌握这些知识点有助于深入理解计算机内部工作原理。