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 = 214 dùng địa chỉ 14 bit để xác định byte.
Một khối trong bộ nhớ chính bằng một dòng trong cache (8 byte = 23) nên bộ nhớ
chính có 214/23 = 211 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 24 = 16 dòng.
Tag
Line
Byte
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 211 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 211 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 23 tập hợp trong cache, mỗi tập
hợp có 4 dòng => có tất cả 23 * 4 = 25 dòng trong cache.
Tag
Set
Byte
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