組成原理習題指導.pdf

組成原理習題指導 組成原理習題 第三次作業(yè) 4 3 4 6 4 12 4 14 第五次作業(yè) 4 20 4 24 4 29 4 32 4 38 第七次作業(yè) 7 12 7 17 第十次作業(yè) 補充1 補充2 第十一次作業(yè) 補充1 補充2 4 3 存儲器的層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在什么地方 為什么要分這些層次 計算機如何管理這些層 次 解 新書 新書P71P71 存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在緩存 主 存和主存 輔存折兩個存儲層次上 緩存 主存層次主要解決CPU和主存速 度不匹配的問題 主存和緩存之間的數(shù) 據(jù)調(diào)動是由硬件自動完成的 主存 輔存層次主要解決存儲系統(tǒng)的容 量問題 主存和輔存之間的數(shù)據(jù)調(diào)用時 由硬件和操作系統(tǒng)共同完成的 4 6 某機字長32位 其存儲容量是64KB 按字 編址其尋址范圍是多少 若主存以字節(jié)編址 試畫出主存地址和字節(jié)地址的分配情況 解 存儲容量是64KB時 按字節(jié)編址的尋址范圍是64KBKB 按字尋址范圍 64K x 8 32 16K K字字 按字節(jié)編址是的主存地址分配圖如下 字地址 字節(jié)地址 0 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 4 5 5 6 6 7 7 8 65528 65532 6553265532 6553365533 6553465534 6553565535 4 12 畫出用10241024 4 4位位的存儲芯片組成一個容量為 64K64K 8 8位位的存儲器的邏輯框圖 要求將64K分成4 4個個 頁面頁面 每個頁面分1616組組 共需多少存儲芯片 解 設(shè)采用SRAM芯片 總片數(shù)總片數(shù) 64K 8位 1024 4位 64 2位 128128片片 本題設(shè)計的存儲器結(jié)構(gòu)上分為總體 頁面 組三級 因此畫圖時也應該分三級畫 首 先確定各級的容量 頁面容頁面容量量 總?cè)萘?頁面數(shù) 64K 8位 4 16K16K 8 8位位 組容組容量量 頁面容量 組數(shù) 16K 8位 16 1K1K 8 8位位 組內(nèi)片數(shù)組內(nèi)片數(shù) 組容量 片容量 1K 8位 1K 4位 2 2片片 地址分配 頁面號頁面號 組號組號 組內(nèi)地址組內(nèi)地址 2 4 10 組邏輯圖如下 位擴展位擴展 D D7 7D D6 6D D5 5D D4 4 D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0 WEWE A A9 0 9 0 1K 4 SRAM 1K 4 SRAM 1K 8 CSCSi i 頁面邏輯圖如下 字擴展字擴展 組 譯 碼 器 4 16 A A10 10 A A11 11 A A12 12 A A13 13 1K 8 組0 1K 8 組1 1K 8 組2 1K 8 組15 CSCS0 0 CSCS1 1 CSCS2 2 CSCS15 15 CECEi i WEWE A A9 0 9 0 D D7 0 7 0 16K 8 存儲邏輯圖如下 字擴展字擴展 頁 面 譯 碼 器 2 4 16K 8 頁面0 CECE0 0 16K 8 頁面0 CECE0 0 16K 8 頁面0 CECE0 0 16K 8 頁面0 CECE0 0 A A13 0 13 0 WEWE D D7 0 7 0 A A14 14 A A15 15 4 14 某8位微型計算機地址碼為18位 若使用 4K 4位的RAM芯片組成模塊板結(jié)構(gòu)的存儲器 試問 1 該機所允許的最大主存空間是多少 2 若每個模塊板為32K 8位 共需幾個饃 板塊 3 每個模板塊內(nèi)共有幾片RAM芯片 4 共有多少片RAM 5 CPU如何選擇各模板塊 解 1 218 256K 則該機所允許的最大主 存空間是256K256K 8 8位位 256KB256KB 模板塊總數(shù) 256K 8 32K 8 8 8塊塊 板內(nèi)片數(shù) 32K 8位 4K 4位 8 2 1616片片 總片數(shù) 16片 8 128128片片 CPU通過最高3位地址譯碼選板 次高3位地 址譯碼選片 地址格式分配如下 板地址 片地址 片內(nèi)地址 3 3 12 4 20 欲傳送的二進制代碼為1001101 用奇校 驗來確定其對應的海明碼 若在第6位出錯 說 明糾錯過程 解 參考例4 5 2k n k 1 k 4k 4 跟據(jù)配奇原則配置海明碼 C1 b7 b6 b4 b3 b1 1 C2 b7 b5 b4 b2 b1 0 C4 b6 b5 b4 0 C8 b3 b2 b1 1 序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 名稱 C1 C2 b7 C4 b6 b5 b4 C8 b3 b2 b1 數(shù)值 1 0 0 1 1 0 1 故奇校驗對應的海明碼為10100111011010011101 若第6位出錯 則錯誤海明碼為 101001 111101 P1 C1 b7 b6 b4 b3 b1 0 P2 C2 b7 b b5 5 b4 b2 b1 1 P4 C4 b6 b b5 5 b4 1 P8 C8 b3 b2 b1 0 出錯位為 P8P4P2P1 0110 2 6 6 故正確的海明碼為10100011101 序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 數(shù)值 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 錯誤 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 4 24 一個4體低位交叉的存儲器 假設(shè)存取周期為 T CPU每隔1 4個存儲周期啟動一個存儲體 試問 依次訪問64個字需多少個存儲周期 解 參考例4 6前面的內(nèi)容 地位交叉編址的多體模塊中 低地址用于表示體 號 高地址為體內(nèi)地址 訪問連續(xù)的64字時采用 流水線方式存取 依次訪問64個字需要的時間為 t T n 1 T 64 1 T 4 T T 4 29 假設(shè)CPU執(zhí)行某段程序時共訪問Cache命中 4800次 訪問主存200次 已知Cache的存取周 期是30ns 主存的存取周期是150ns 求Cache 的命中率以及Cache 主存系統(tǒng)的平均訪問時間 和效率 試問該系統(tǒng)的性能提高了多少 解 參考例4 7 Cache的命中率為 4800 4800 200 0 960 96 平均訪問時間為 0 96 30ns 1 0 96 150 Cache 主存系統(tǒng)的訪問效率 訪問 的時間 平均訪問時間 100 30 34 8 100 系統(tǒng)性能提高了 150 34 8 34 8 倍 4 32 設(shè)某機主存容量為4MB Cache容量 為16KB 每字塊有8個字 每字32位 設(shè) 計一個四路組相聯(lián)映射 即Cache每組內(nèi) 共有4個字塊 的Cache組織 1 畫出主存地址段中各段的位數(shù) 2 設(shè)Cache的初態(tài)為空 CPU依次從主存第 0 1 2 89號單元讀出90個字 主存一 次讀出一個字 并重復按此次序讀8次 問 命中率是多少 3 若Cache的速度是主存的6倍 試問有 Cache和無Cache相比 速度約提高多少倍 解 參考例4 11 1 根據(jù)每個字塊有8個字 每個字32位 得主存地址字段中字塊內(nèi)地址字段為5位 其 中3位為字地址 2位為字節(jié)地址 根據(jù)Cache 容量為16KB 214B 得Cache共有29塊 故c 9 根據(jù)四路組相連映射2r 4 得r 2 則q c r 9 2 7位 根據(jù)貯存容量4MB 222B 得主存 地址字段中主存字塊標記為22 7 5 10位 主 存地址段格式為 主存字塊標記 組地址 字塊內(nèi)地址 10位 7位 5位 2 由于每個字塊中有8個字 而且初態(tài) Cache為空 因此CPU讀第0號單元時 未 命中 必須訪問主存 并將該字所在的塊 調(diào)入第0組中的任一塊內(nèi) 但接著CPU讀 1 7號單元時均命中 同理 CPU讀第8 16 88號單元時均未命中 可見CPU 在連續(xù)讀90字中 共有12次未命中 而后 7次循環(huán)讀90個字全部命中 共有13個塊 Cache共有128組 命中率為 90 8 12 90 8 98 3 有Cache速度提高 6 90 8 720 12 6 12 1 4 54 4 38 磁盤組有6片磁盤 最外兩最外兩側(cè)盤面可以記錄側(cè)盤面可以記錄 存 儲區(qū)域內(nèi)徑22cm 外徑33cm 道密度為40道 內(nèi)層密度 為400400位位 cm cm 轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn) 分 1 共有多少存儲面可用 2 共有多少柱面 3 磁盤總存儲容量是多少 4 數(shù)據(jù)傳輸率是多少 解 1 可用存儲面有6 2 12個 2 有效存儲區(qū)域 33 22 2 5 5cm 柱面數(shù) 40道 5 5 220道 3 內(nèi)層道長 22 69 11 道容量 400位 cm 69 11 27644 面容量 27644 220道 6081680 盤組總?cè)萘?6081680 12 72980160 9122520 4 數(shù)據(jù)傳輸率 27644 3600 60 1658640 1658640 8 1024 202 47 7 12 畫出執(zhí)行SUB R1指令對操作數(shù)的尋址及減法過 程的流程圖 設(shè)被減數(shù)和結(jié)果存于ACC中 表示間接 尋址 R1寄存器的內(nèi)容為2074H 7 17 舉例說明哪幾種尋址方式在指令的執(zhí)行階 段不訪問存儲器 哪幾種尋址方式在指令的執(zhí) 行階段只需訪問一次存儲器 完成什么樣的指 令 包括取指令在內(nèi)共訪問存儲器4次 答 尋址方式有 立即尋址立即尋址 0 0 直接尋址直接尋址 1 1 隱含尋址隱含尋址 0 0 間接尋址 2 寄存器尋址寄存器尋址 0 0 寄存器間接尋址寄存器間接尋址 1 1 基址尋址基址尋址 1 1 變址尋址變址尋址 1 1 相對尋址相對尋址 1 1 堆棧尋址堆棧尋址 0 1 0 1 其中紅色加粗的尋址方式在執(zhí)行階 段不訪存 藍色加粗的在執(zhí)行階段訪存一 次 略 補充1 理想流水線加速比 IPC 影響其性 能發(fā)揮的因素有哪些 可以采用哪些手段減 小這些因素的影響 解 假設(shè)流水線有m段 每段執(zhí)行時間為 連續(xù) 處理n條指令 1 1 1 1 當 時 Sp 即理想流水線加速比為m IPC 1 從這幾個方面考慮 詳略 影響流水線性能的因素 包括結(jié)構(gòu)相關(guān) 數(shù)據(jù)相關(guān) 控制相關(guān) 提高流水線吞吐率的方法 補充2 典型的流水線的多發(fā)技術(shù)有哪些 典型的流水線的多發(fā)技術(shù)有 超標量技超標量技術(shù)術(shù) 在指令的每個周期內(nèi)可同時并發(fā)多條獨 立指令 即以并行操作方式將兩條或兩條以上指令編 譯并執(zhí)行 超流水線技超流水線技術(shù)術(shù) 超流水線技術(shù)是將一些流水線寄存器 插入到流水線段中 好比流水線再分段 超長指令及技超長指令及技術(shù)術(shù) 超長指令字技術(shù)和超標量技術(shù)都是 采用多條指令在多個處理部件中并行處理的體系結(jié)構(gòu) 在一個時鐘周期內(nèi)能流出多條指令 但超標量的指令 來自同一標準的指令流 VLIW則是由編譯程序在編譯 時挖掘出指令間潛在的并行性后 把多條能并行操作 的指令組合成一條具有多個操作碼字段的超長指令 有這條超長指令控制VLIW機種多個獨立工作的功能部 件 有每一個操作碼字段控制一個功能部件 相當于 同時執(zhí)行多條指令 補充1 立即數(shù)如何處理 lui s1 100 s1 100 216 addi s1 s2 100 s1 s2 100 o解 都是I Type操作 執(zhí)行步驟為 1 取指和PC 1 2 讀取立即數(shù)和SrcReg