計算機原理與設(shè)計習(xí)題課

1、2簡述RISC和CISC的主要差別。CISC（Complex Instruction Set Computer）是對那些具有復(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，每條指令長短不一，常用的指令較短，不常用的指令較長，設(shè)計CPU時往往采用微程序的方法來實現(xiàn)這些指令，CISC的優(yōu)點是代碼緊湊，使用較少的存儲器，缺點是實現(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）是對那些具有簡單指令系統(tǒng)的CPU的總稱，RISC指令系統(tǒng)的特點有兩個，一是指令長度固定，這有利于流水線CPU的設(shè)計，二是所謂的L

2、oad/Store結(jié)構(gòu)。3假設(shè)我們有兩臺計算機M1和M2。M1的主頻是1GHz，M2的主頻是2GHz。每臺計算機的指令都有4類，它們的CPI分別為1、2、3和4。當(dāng)同樣一個用高級語言編寫的程序在兩臺機器上分別編譯執(zhí)行時，我們得到下表所列的結(jié)果。計算機主頻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)行時每類指令出現(xiàn)的頻率。試分別計算該程序在兩臺機器上的執(zhí)行時間。如果單從執(zhí)行時間上考慮，哪一臺機器的性能更好？4解題思路：解：。是實指周期的時間長度要的平均的時鐘周期，是每條指令執(zhí)行時所需是被執(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試計算上題中兩臺計算機的MIPS（Million Instructions Per Second），即每秒能執(zhí)行多少百萬條指令。解題思路：解：6610110TPCCPITIMIPS萬為單位的數(shù)值即可。將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成以百可執(zhí)行的指令條數(shù)，再關(guān)鍵是計算出單位時間625100352.

4、 0202000005881003434. 0202000006261MMMIPSMIPS6如果使用1000000個CPU構(gòu)建一個并行系統(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：算機的性能加速比。也適用于計算高性能計。）（也有上限，即使則整體性能的加速比是的時間百分比為執(zhí)行程序時用到該部件，的倍，即所需時間是原來假設(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，即對比倍，性能提升個并行系統(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32位二選一多路器mux2x32設(shè)計一個32位的八選一多路器mux8x32。解題思路：解：架構(gòu)。，即需構(gòu)建三級二選一數(shù)，代表目標(biāo)器件的選擇項數(shù)，代表備用器件的選擇項，計算選擇級數(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

6、句可用e=ena234，中斷處理優(yōu)先次序為3124，要求：（1） 給出每級中斷的中斷屏蔽碼（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，1、2、3、4 級中斷同時有請求，請畫出CPU 執(zhí)行程序的軌跡。27中斷屏蔽位表中斷級別中斷級屏蔽位1級2級3級4級目態(tài)1111第級0010第級1010第級0000第級111028用戶程序中斷請求中斷處理程序1 2 3 4中斷中斷請求處理圖請求處理圖291 、什么是存儲器的帶寬？若存儲器的數(shù)據(jù)總線寬度為16位，存儲周期為100ns，則存儲器的帶寬是多少？ 答：存儲器的帶寬是指單位時間內(nèi)存儲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，存儲周期為100ns的存儲器的帶寬為： 16b/(100ns)=16b/(100*10-9s)=160Mbps 2、一個字長為32位的計算機，其存儲容量為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，則每個字占一個地址，128KB是32K（215）個字，需要15根地址線，尋址范圍為0215-1。303、一個64K32位的存儲器，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位的存儲芯片構(gòu)成一個具有14根地址線、8根數(shù)據(jù)線的存儲器，試問： （1）該存儲器的存儲容量是多少KB？ （2）需要幾片上述存儲芯片？ 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、假定某計算機的cache共16行，開始為空，塊大小為1個字，采用直接映射方式。CPU執(zhí)行某程序時，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16進行求余，可得到各地址映射對應(yīng)的Cache塊號； 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=字號。因此，映射公式為：cache行號 = 主存塊號 mod 16 = 字號 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-cache行號）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個字時，cache僅有4個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個字，每塊大小為4個字，所以，cache共有4行；主存被劃分為4個字/塊，所以，主存塊號=字號/4。因此，映射公式為：cache行號 = 主存塊號 mod 4 = 字號/4 mod 4。 以下是映射關(guān)系（字號-主存塊號-cache行號）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