Đề thi cuối học kỳ môn cấu trúc máy tính ppt

Kiểm tra cuối HK – Kiến trúc Máy tính – CS2009 Trang 1/2 Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Khoa KH & KT Máy tính ĐỀ THI CUỐI HỌC KỲ I – 2009-2010 Môn Kiến trúc Máy tính (CSE504002) Thời gian: 90 phút (Được tham khảo tài liệu, không được sử dụng máy tính laptop) Bài 1: (2 điểm) Một nhóm kỹ sư đang thiết kế một bộ xử lý đơn giản. Họ phải chọn lựa giữa cách hiện thực theo kiểu pipeline và không pipeline. Các thông số thiết kế cho 2 cách hiện thực này được thể hiện trong bảng sau: Thông số thiết kế Cách hiện thực pipeline Cách hiện thực không pipeline Tốc độ xung clock 600MHz 450MHz CPI cho các lệnh truy xuất bộ nhớ 2.5 1.2 CPI cho các lệnh số học/luận lý 1 1 CPI cho các lệnh điều khiển 2 1 a. Cho một chương trình bao gồm 20% các lệnh số học/luận lý, 10% các lệnh điều khiển và 70% các lệnh truy xuất bộ nhớ. Xác định CPI trung bình cho mỗi cách hiện thực. Cách thiết kế nào hiệu quả hơn? Average CPI for Pipelined Version = (0.2*1 + 0.1*2 + 0.7*2.5) = 2.15 Average CPI for Non-Pipelined Version = (0.2*1 + 0.1*1 + 0.7*1.2) = 1.14 CPU execution time for Pipelined version = 2.15/(600 Mhz) = 3.58ns CPU execution time for Non-Pipelined version = 1.14/(450 Mhz) = 2.53ns Cách hiện thực không pipeline nhanh hơn. b. Cho một chương trình bao gồm 75% các lệnh số học/luận lý, 15% các lệnh điều khiển và 10% các lệnh truy xuất bộ nhớ. Xác định CPI trung bình cho mỗi cách hiện thực. Cách thiết kế nào hiệu quả hơn? Average CPI for Pipelined Version = (0.75*1 + 0.15*2 + 0.1*2.5) = 1.3 Average CPI for Non-Pipelined Version = (0.75*1 + 0.15*1 + 0.1*1.2) = 1.02 CPU execution time for Pipelined version = 1.3/(600 Mhz) = 2.16ns CPU execution time for Non-Pipelined version = 1.02/(450 Mhz) = 2.26ns Cách hiện thực pipeline nhanh hơn. Kiểm tra cuối HK – Kiến trúc Máy tính – CS2009 Trang 2/2 Bài 2: (2.5 điểm) Dùng hợp ngữ MIPS viết phiên bản hợp ngữ cho đoạn chương trình C sau đây: int A[100], B[100]; for (i=1; i < 100; i++) { A[i] = A[i-1] + B[i]; } Giả thiết rằng ban đầu chỉ có địa chỉ nền của mảng A và B được lưu trong thanh ghi $a0 và $a1. Đáp án li $t0, 1 # Starting index of i li $t5, 100 # Loop bound loop: lw $t1, 0($a1) # Load A[i-1] lw $t2, 4($a2) # Load B[i] add $t3, $t1, $t2 # A[i-1] + B[i] sw $t3, 4($a1) # A[i] = A[i-1] + B[i] addi $a1, 4 # Go to i+1 addi $a2, 4 # Go to i+1 addi $t0, 1 # Increment index variable bne $t0, $t5, loop # Compare with Loop Bound halt: nop Kiểm tra cuối HK – Kiến trúc Máy tính – CS2009 Trang 3/2 Bài 3: (2 điểm) Cho một bộ xử lý có bộ nhớ vật lý 16KB, đánh địa chỉ theo từng byte và một cache có kích thước mỗi dòng là 8 byte. a. Giả sử cache dùng phương thức ánh xạ trực tiếp với trường tag trong địa chỉ là 7 bit. Trình bày khung dạng địa chỉ bộ nhớ và xác định các thông số sau: số khối trong bộ nhớ chính và số dòng trong cache Số đơn vị có khả năng định vị địa chỉ là byte Bộ nhớ có 16KB = 2 14 dùng địa chỉ 14 bit để xác định byte. Một khối trong bộ nhớ chính bằng một dòng trong cache (8 byte = 2 3 ) nên bộ nhớ chính có 2 14 /2 3 = 2 11 khối Một dòng trong cache có 8 byte nên cần 3 bit cho phần byte offset, phần tag là 7 bit số bit để xác định dòng 14-7-3=4 => số dòng trong cache 2 4 = 16 dòng. Tag Line Byte 7 bit 4 bit 3 bit b. Giả sử cache dùng phương thức ánh xạ fully-associative. Trình bày khung dạng địa chỉ bộ nhớ và xác định các thông số sau: số khối trong bộ nhớ chính và số dòng trong cache Tương tự câu trên, số đơn vị có khả năng định vị địa chỉ là byte, bô nhớ chinh có 2 11 khối. Một dòng trong cache có 8 byte nên cần 3 bit cho phần byte offset, phần tag là 14- 3=11 bit. Số dòng trong cache không xác định. Tag Byte 11 bit 3 bit c. Giả sử cache dùng phương thức 4-way set associative với trường tag trong địa chỉ là 8 bit. Trình bày khung dạng địa chỉ bộ nhớ và xác định các thông số sau: số khối trong bộ nhớ chính, số dòng trong cache, số tập hợp trong cache Số đơn vị có khả năng định vị địa chỉ là byte. Bộ nhớ chinh có 2 11 khối. Một dòng trong cache có 8 byte nên cần 3 bit cho phần byte offset, phần tag là 8 bit số bit để xác định tập hợp là 14-8-3=3 bit => có 2 3 tập hợp trong cache, mỗi tập hợp có 4 dòng => có tất cả 2 3 * 4 = 2 5 dòng trong cache. Tag Set Byte 8 bit 3 bit 3 bit Kiểm tra cuối HK – Kiến trúc Máy tính – CS2009 Trang 4/2 Bài 4: (1.5 điểm) Một số bộ xử lý có thanh ghi cờ đặc biệt để chứa các bit trạng thái như: bit carry, bit overflow, … Mô tả sự khác nhau về chức năng giữa bit carry và bit overflow. Cho ví dụ một tác vụ số học để minh họa sự khác nhau này. Cờ carry được thiết lập khi tác vụ số học tạo ra bit carry vượt khỏi vị trí MSB của các toán hạng. Cờ overflow được thiết lập khi tác vụ số học tạo ra bit carry vượt khỏi vị trí MSB của thanh ghi vật lý chứa toán hạng. Overflow xảy ra khi kích thước thanh ghi không đủ lớn để giữ kết quả của tác vụ số học, trong khi cờ carry được dùng để chỉ thị vị trí MSB của giá trị kết quả lớn hơn (hoặc nhỏ hơn trong trường hợp mượn) giá trị toán hạng 1 bit. Ví dụ cộng 2 số nguyên 0x0100 và 0x0110 được lưu trong các thanh ghi 16 bit, kết quả thu được 0x1010, cờ carry được thiết lập, nhưng cờ overflow lại không có. Kiểm tra cuối HK – Kiến trúc Máy tính – CS2009 Trang 5/2 Bài 5: (2 điểm) Cho đoạn chương trình sau: loop: sw $t0, 0($t0) lb $t1, 0($t0) beq $t1, $t2, exit addi $t0, $t0, 1 j loop exit: Giả sử trước khi thực thi đoạn chương trình trên giá trị của thanh ghi $t0 = 0xFFFFFFF1 $t2 = 0x00000001 Xác định thời gian bộ xử lý MIPS đơn chu kỳ thực thi đoạn chương trình trên. Cho biết: Thời gian thực thi của lệnh lb bằng thời gian thực thi của lệnh lw Thời gian thực thi của lệnh addi bằng thời gian thực thi của lệnh add Thời gian thực thi của các khối chức năng chính như sau:  Memory (đọc hoặc ghi): 100ps  Register file (đọc hoặc ghi): 20ps  ALU và các bộ cộng: 30ps Thời gian thực thi bằng 0 đối với các bộ chọn kênh (multiplexor), bộ điều khiển (control unit), bộ mở rộng dấu (sign extension unit), truy xuất thanh ghi PC. Đáp án: Thời gian thực thi của từng câu lệnh: Câu lệnh Số lần thực thi Nạp lệnh Đọc từ thanh ghi Tác vụ của ALU Truy xuất bộ nhớ Ghi vào thanh ghi Thời gian thực thi sw 17 100 20 30 100 250 lb 17 100 20 30 100 20 270 beq 17 100 20 30 150 addi 16 100 20 30 20 170 j 16 100 100 ($t0 và $t1 có cùng giá trị chạy từ 0xFFFFFFF1 đến 0xFFFFFFFF, 0x00000000, 0x00000001 17 giá trị; hai lệnh sau lệnh beq sẽ không thực hiện lần cuối) Tổng thời gian thực thi = (250+270+150)*17 + (170+100)*16 = 15.710ps . Kiểm tra cuối HK – Kiến trúc Máy tính – CS2009 Trang 1/2 Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Khoa KH & KT Máy tính ĐỀ THI CUỐI HỌC KỲ I – 2009-2010 Môn Kiến trúc Máy tính (CSE504002). tác vụ số học để minh họa sự khác nhau này. Cờ carry được thi t lập khi tác vụ số học tạo ra bit carry vượt khỏi vị trí MSB của các toán hạng. Cờ overflow được thi t lập khi tác vụ số học tạo. thanh ghi 16 bit, kết quả thu được 0x1010, cờ carry được thi t lập, nhưng cờ overflow lại không có. Kiểm tra cuối HK – Kiến trúc Máy tính – CS2009 Trang 5/2 Bài 5: (2 điểm) Cho đoạn chương