計(jì)算機(jī)原理與設(shè)計(jì)習(xí)題課

1、2簡(jiǎn)述RISC和CISC的主要差別。CISC（Complex Instruction Set Computer）是對(duì)那些具有復(fù)雜指令系統(tǒng)的CPU的總稱，CISC指令系統(tǒng)往往提供豐富的尋址方式，每條指令長(zhǎng)短不一，常用的指令較短，不常用的指令較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)CPU時(shí)往往采用微程序的方法來實(shí)現(xiàn)這些指令，CISC的優(yōu)點(diǎn)是代碼緊湊，使用較少的存儲(chǔ)器，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指令需要較多的芯片面積而且不利于流水線操作。RISC（Reduced Instruction Set Computer）是對(duì)那些具有簡(jiǎn)單指令系統(tǒng)的CPU的總稱，RISC指令系統(tǒng)的特點(diǎn)有兩個(gè)，一是指令長(zhǎng)度固定，這有利于流水線CPU的設(shè)計(jì)，二是所謂的L

2、oad/Store結(jié)構(gòu)。3假設(shè)我們有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)M1和M2。M1的主頻是1GHz，M2的主頻是2GHz。每臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令都有4類，它們的CPI分別為1、2、3和4。當(dāng)同樣一個(gè)用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序在兩臺(tái)機(jī)器上分別編譯執(zhí)行時(shí)，我們得到下表所列的結(jié)果。計(jì)算機(jī)主頻CPI執(zhí)行指令數(shù)1234M11GHz50%35%10%5%20200000M22GHz10%10%30%50%22000000 其中的百分比是執(zhí)行時(shí)每類指令出現(xiàn)的頻率。試分別計(jì)算該程序在兩臺(tái)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間。如果單從執(zhí)行時(shí)間上考慮，哪一臺(tái)機(jī)器的性能更好？4解題思路：解：。是實(shí)指周期的時(shí)間長(zhǎng)度要的平均的時(shí)鐘周期，是每條指令執(zhí)行時(shí)所需是被執(zhí)行的指令

3、總數(shù)，)()er()(cleTimesPerCyTPCnInstructioCyclesPCPInsInstructioITPCCPIIT)(0352. 01021%)504%303%102%101 (22000000)(03434. 01011%)54%103%352%501 (202000009291sTsTMM5試計(jì)算上題中兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的MIPS（Million Instructions Per Second），即每秒能執(zhí)行多少百萬(wàn)條指令。解題思路：解：6610110TPCCPITIMIPS萬(wàn)為單位的數(shù)值即可。將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成以百可執(zhí)行的指令條數(shù)，再關(guān)鍵是計(jì)算出單位時(shí)間625100352.

4、 0202000005881003434. 0202000006261MMMIPSMIPS6如果使用1000000個(gè)CPU構(gòu)建一個(gè)并行系統(tǒng)并想得到單CPU系統(tǒng)500000倍的性能，那么程序中允許出現(xiàn)的串行執(zhí)行的代碼的比例應(yīng)該不超過多少才行？解題思路：解：算機(jī)的性能加速比。也適用于計(jì)算高性能計(jì)。）（也有上限，即使則整體性能的加速比是的時(shí)間百分比為執(zhí)行程序時(shí)用到該部件，的倍，即所需時(shí)間是原來假設(shè)某部件優(yōu)化了LawsAmdahlSnrnrrTnrTTTTPPSrnLawsAmdahlnnr-11)1 (1)1 (,n1000009999991)1 (1)1 (,500000,100000050000

5、0CPU1000000)1 (,xrnrSxrSnLawsAmdahlxx，求解可得將它們代入公式，即對(duì)比倍，性能提升個(gè)并行系統(tǒng)含，例為則并行執(zhí)行的代碼的比例為設(shè)串行執(zhí)行的代碼的比7試用多個(gè)32位二選一多路器mux2x32設(shè)計(jì)一個(gè)32位的八選一多路器mux8x32。解題思路：解：架構(gòu)。，即需構(gòu)建三級(jí)二選一數(shù)，代表目標(biāo)器件的選擇項(xiàng)數(shù)，代表備用器件的選擇項(xiàng)，計(jì)算選擇級(jí)數(shù)38loglog2YmnmYnyS2s10s11s00a0a1s01a2a3s02a4a5s03a6a78試分別用結(jié)構(gòu)描述、數(shù)據(jù)流描述和功能描述三種風(fēng)格寫出帶有使能端的3-8譯碼器的Verilog HDL代碼。提示：功能描述風(fēng)格的語(yǔ)

6、句可用e=ena234，中斷處理優(yōu)先次序?yàn)?124，要求：（1） 給出每級(jí)中斷的中斷屏蔽碼（假設(shè)“1”表示允許，“0”表示禁止）（2） 假設(shè)在執(zhí)行主程序時(shí)，1、2、3、4 級(jí)中斷同時(shí)有請(qǐng)求，請(qǐng)畫出CPU 執(zhí)行程序的軌跡。27中斷屏蔽位表中斷級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)目態(tài)1111第級(jí)0010第級(jí)1010第級(jí)0000第級(jí)111028用戶程序中斷請(qǐng)求中斷處理程序1 2 3 4中斷中斷請(qǐng)求處理圖請(qǐng)求處理圖291 、什么是存儲(chǔ)器的帶寬？若存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線寬度為16位，存儲(chǔ)周期為100ns，則存儲(chǔ)器的帶寬是多少？ 答：存儲(chǔ)器的帶寬是指單位時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)器所能存取的最大信息量，通常以bps或Bps作為度量

7、單位。數(shù)據(jù)總線寬度為16位，存儲(chǔ)周期為100ns的存儲(chǔ)器的帶寬為： 16b/(100ns)=16b/(100*10-9s)=160Mbps 2、一個(gè)字長(zhǎng)為32位的計(jì)算機(jī)，其存儲(chǔ)容量為128KB，按字節(jié)編址和按字編址的尋址范圍各是多少？ 答：128KB=217B，如果按字節(jié)編址，需要217個(gè)地址，則需要17位地址線，尋址范圍為0217-1；若按字編址，則每個(gè)字占一個(gè)地址，128KB是32K（215）個(gè)字，需要15根地址線，尋址范圍為0215-1。303、一個(gè)64K32位的存儲(chǔ)器，按字節(jié)尋址，其地址線和數(shù)據(jù)線各是多少位？ 答：32位說明數(shù)據(jù)線為32位；64K=216，按照字節(jié)尋址，需要16+2=1

8、8位地址線。4、用2K4位的存儲(chǔ)芯片構(gòu)成一個(gè)具有14根地址線、8根數(shù)據(jù)線的存儲(chǔ)器，試問： （1）該存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量是多少KB？ （2）需要幾片上述存儲(chǔ)芯片？ 答：（1）數(shù)據(jù)線為8根，即按字節(jié)尋址；地址線為14根，即尋址空間大小為214，故存儲(chǔ)容量為16KB。 （2）需要2K4位的芯片數(shù)目為： （16K/2K）（8/4）=82=16 。315、假定某計(jì)算機(jī)的cache共16行，開始為空，塊大小為1個(gè)字，采用直接映射方式。CPU執(zhí)行某程序時(shí)，依次訪問以下地址序列：2,3,11,16,21,13,64,48,19,11,3,22,4,27,6和11。要求： （1）說明每次訪問是命中或缺失，試計(jì)算訪問

9、上述地址序列的命中率。 （2）若cache數(shù)據(jù)區(qū)容量不變，而塊大小改為4個(gè)字，則上述地址序列的命中率又如何？ 32（1）訪問缺失的情況有兩種：一是Cache塊內(nèi)未填充有效數(shù)據(jù)而引發(fā)的缺失；二是Cache塊內(nèi)存在有效數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)不是需要的數(shù)據(jù)，即因采用直接映射方式，其它地址的數(shù)據(jù)映射到并占用此塊，發(fā)生沖突，從而引發(fā)缺失。 將訪存地址序列2,3,11,16,21,13,64,48,19,11,3,22,4,27,6,11對(duì)16進(jìn)行求余，可得到各地址映射對(duì)應(yīng)的Cache塊號(hào)； 該序列的訪問命中情況命中如下： 2，3，11，16，21，13，64，48，19，11，3，22，4，27，6，11 33

10、cache采用直接映射方式，其數(shù)據(jù)區(qū)容量為16行1字/行=16字；主存被劃分成1字/塊，所以，主存塊號(hào)=字號(hào)。因此，映射公式為：cache行號(hào) = 主存塊號(hào) mod 16 = 字號(hào) mod 16。開始cache為空，所以第一次都是miss，以下是映射關(guān)系（字號(hào)-cache行號(hào)）和命中情況。2-2: miss，3-3: miss，11-11: miss，16-0: miss, 21-5: miss，13-13: miss，64-0: miss、replace，48-0: miss、replace，19-3: miss、replace，11-11: hit, 3-3: miss、replace，2

11、2-6: miss， 4-4: miss，27-11: miss、replace，6-6: miss、replace，11-11: miss、replace。只有一次命中！因而，命中率為1/16。34（2）若數(shù)據(jù)區(qū)容量不變，當(dāng)塊大小為4個(gè)字時(shí)，cache僅有4個(gè)cache行，其地址映射方案變?yōu)椋?塊0：03，1619， 塊1：47，2023， 塊2：811，2427， 塊3：1215，2831， 該序列的訪問命中情況命中如下： 2，3，11，16，21，13，64，48，19，11，3，22，4，27，6，11 共命中4次，命中率為4/16，即1/4。35cache采用直接映射方式，數(shù)據(jù)區(qū)容量

12、不變，為16個(gè)字，每塊大小為4個(gè)字，所以，cache共有4行；主存被劃分為4個(gè)字/塊，所以，主存塊號(hào)=字號(hào)/4。因此，映射公式為：cache行號(hào) = 主存塊號(hào) mod 4 = 字號(hào)/4 mod 4。 以下是映射關(guān)系（字號(hào)-主存塊號(hào)-cache行號(hào)）和命中情況。2-0-0: miss，3-0-0: hit，11-2-2: miss，16-4-0: miss、replace，21-5-1、13-3-3: miss， 64-16-0、48-12-0、19-4-0: miss, replace，11-2-2: hit，3-0-0: miss、replace， 22-5-1: hit，4-1-1: miss、replace，27-6-2: miss、replace，6-1-1: hit，11-2-2: miss、rep