同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理復(fù)習(xí)綜合題

1、綜合題1、某計(jì)算機(jī)的CPU主頻為500MHz, CPI為5 （即執(zhí)行每條指令平均需5個(gè)時(shí)鐘周期）。假定某外設(shè)的數(shù) 據(jù)傳輸率為0.5MB/S，采用中斷方式與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，以32位為傳輸單位，對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序包 含18條指令，中斷服務(wù)的其他開銷相當(dāng)于2條指令的執(zhí)行時(shí)間。請(qǐng)回答下列問題，要求給出計(jì)算過程。（1）在中斷方式下，CPU用于該外設(shè)I/O的時(shí)間占整個(gè)CPU時(shí)間的百分比是多少？（2）當(dāng)該外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到5MB/S時(shí)，改用DMA方式傳送數(shù)據(jù)。假設(shè)每次DMA傳送大小為5000B， 且DMA預(yù)處理和后處理的總開銷為500個(gè)時(shí)鐘周期，則CPU用于該外設(shè)I/O的時(shí)間占整個(gè)CPU時(shí)間的 百分比是

2、多少？（假設(shè)DMA與CPU之間沒有訪存沖突）（1）在中斷方式下，每32位（4B）被中斷一次，故每秒中斷0.5MB/4B=0.5X 106/4=12.5 X104 次因?yàn)橹袛喾?wù)程序包含18條指令，中斷服務(wù)的其他開銷相當(dāng)于2條指令的執(zhí)行時(shí)間，且執(zhí)行每條指令平均需5個(gè)時(shí)鐘周期，所以，1秒內(nèi)用于中斷的時(shí)鐘周期數(shù)為（18+2） X5X 12.5X 104=12.5X106CPU用于外設(shè)I/O的時(shí)間占整個(gè)CPU時(shí)間的百分比：12.5/500=2.5%（2）在DMA方式下，每秒進(jìn)行DMA操作5MB/5000B=5X 106/5000=1X103次因?yàn)镈MA預(yù)處理和后處理的總開銷為500個(gè)時(shí)鐘周期，所以1秒

3、鐘之內(nèi)用于DMA操作的時(shí)鐘周期數(shù)為500X1X103=5X105故在DMA方式下，占整個(gè)CPU時(shí)間的百分比是（5X105） / （500X106）X100%=0.1%2、某計(jì)算機(jī)字長16位，采用16位定長指令字結(jié)構(gòu)，部分?jǐn)?shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中所有控制信號(hào)為 1時(shí)表示有效、為0時(shí)表示無效。例如控制信號(hào)MDRinE為1表示允許數(shù)據(jù)從DB打入MDR，MDRin為 1表示允許數(shù)據(jù)從內(nèi)總線打入MDR。假設(shè)MAR的輸出一直處于使能狀態(tài)。加法指令“ADD(R1)，R0” 的功能為(R0) + (R1)f(R1),即將R0中的數(shù)據(jù)與R1的內(nèi)容所指主存單元的數(shù)據(jù)相加，并將結(jié)果 送入R1的內(nèi)容所指主存單元中保

4、存。數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)下表給出了上述指令取值和譯碼階段每個(gè)節(jié)拍(時(shí)鐘周期)的功能和有效控制信號(hào)，請(qǐng)按表中描述方式用表格列出指令執(zhí)行階段每個(gè)節(jié)拍的功能和有效控制信號(hào)。 功能和控制信號(hào)時(shí)鐘功能有效控制信號(hào)C1MAR-(PC)PCout,MARinC2MDR-M(MAR)PC(PC)+1MemR,MDRinE PC+1C3IRj(MDR)MDRout,IRinC4指令譯碼無指令執(zhí)行階段每個(gè)節(jié)拍的功能和有效控制信號(hào)如下:1、C5MARTR1)R1out,MARinC6MDR-M(MAR)MemR, ,MDRinEC7A(R0)R0out,AinC8AC(MDR)+(A)MDRout, Add , ACinC

5、9MDR-(AC)ACout, MDRinC10M(MAR) MDRMDRoutE, MemW2、C5MARTR1)R1out,MARinC6MDR-M(MAR)MemR, ,MDRinEC7ATMDR)MDRout,AinC8AC(R0)+(A)Rout, Add , ACinC9MDR-(AC)ACout, MDRinC10M(MAR) MDRMDRoutE, MemW3、請(qǐng)求分頁管理系統(tǒng)中，假設(shè)某進(jìn)程的頁表內(nèi)容如下表所示。頁號(hào)頁框號(hào)有效位 （存在位）0101H1102254H1頁面大小為4KB, 次內(nèi)存的訪問時(shí)間是100ns， 次快表（TLB）的訪問時(shí)間是10ns，處理一次缺頁的平均 時(shí)

6、間為108ns （已含更新TLB和頁表的時(shí)間），進(jìn)程的駐 留集大小固定為2,采用最近最少使用置換算法（LRU） 和局部淘汰策略。假設(shè)TLB初始為空；地址轉(zhuǎn)換時(shí)先訪問TLB，若TLB未命中，再訪問頁表 （忽略訪問頁表之后的TLB更新時(shí)間）；有效位為0表示頁面不在內(nèi)存，產(chǎn)生缺頁中斷，缺頁中斷處理后，返回到產(chǎn)生缺頁中斷的 指令處重新執(zhí)行。設(shè)有虛地址訪問序列2362H、1565H、25A5H，請(qǐng)問：（1）依次訪問上述三個(gè)虛地址，各需多少時(shí)間？給出計(jì)算過程。（2）基于上述訪問序列，虛地址1565H的 物理地址是多少？請(qǐng)說明理由。（1）根據(jù)頁式管理的工作原理，應(yīng)先考慮頁面大小，以便將頁號(hào)和頁內(nèi)位移分解出來

7、。頁面大小為 4KB，即212,則得到頁內(nèi)位移占虛地址的低12位，頁號(hào)占剩余高位?？傻萌齻€(gè)虛地址的頁號(hào)P如下（十六進(jìn)制的一位數(shù)字轉(zhuǎn)換成4位二進(jìn)制，因此，十六進(jìn)制的低三位正好為頁內(nèi)位移，最高位為頁 號(hào)）：2362H： P=2，訪問快表10ns，因初始為空，訪問頁表100ns得到頁框號(hào)，合成物理地址后訪問主存 100ns，共計(jì) 10ns+100ns+100ns=210ns。1565H： P=1，訪問快表10ns，落空，訪問頁表100ns落空，進(jìn)行缺頁中斷處理108ns，訪問快表10ns, 合成物理地址后訪問主存 100ns，共計(jì) 10ns+100ns+108ns+10ns+100ns 108ns

8、o25A5H： P=2，訪問快表，因第一次訪問已將該頁號(hào)放入快表，因此花費(fèi)10ns便可合成物理地址， 訪問主存 100ns，共計(jì) 10ns+100ns=110ns。（2）當(dāng)訪問虛地址1565H時(shí)，產(chǎn)生缺頁中斷，合法駐留集為2,必須從頁表中淘汰一個(gè)頁面，根據(jù) 題目的置換算法，應(yīng)淘汰0號(hào)頁面，因此1565H的對(duì)應(yīng)頁框號(hào)為101Ho由此可得1565H的物理地址 為 101565H。4、某計(jì)算機(jī)字長為16位，主存地址空間大小為128KB，按字編址，采用字長指令格式，指令名字段定義如 下：1512116 5OpMsRd源操作數(shù)目的操作數(shù)轉(zhuǎn)移指令采用相對(duì)尋址方式，相對(duì)偏移是用補(bǔ)碼表示，尋址方式定義如下：M

9、s/Md尋址方式助記符含義000B寄存器直接Rn操作數(shù)=(Rn)001B寄存器間接(Rn)操作數(shù)=(Rn)010B寄存器間接、自增(Rn) +操作數(shù)=(Rn) )，(Rn) +Rn011B相對(duì)D (Rn)轉(zhuǎn)移目標(biāo)地垢(PC) + (Rn)注：(X)表示有儲(chǔ)蓄地址X或寄存器X的內(nèi)容，請(qǐng)回答下列問題：該指令系統(tǒng)最多可有多少條指令？該計(jì)算機(jī)最多有多少個(gè)通用寄存器？存儲(chǔ)器地址寄存器MDR)和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器(MDR)至少各需多少位？轉(zhuǎn)移指令的目標(biāo)地址范圍是多少？若操作碼0010B表示加法操作(助記符為a d d)，寄存器R4和R5的編號(hào)分別為100B和101B，R4的 內(nèi)容為1 2 3 4 H，R5的

10、內(nèi)容為5 6 7 8瓦地址1 2 3 4 H中的內(nèi)容為5 6 7 8 H，地址5678H中的內(nèi)容 為1 2 3 4 H則匯編語言為a d d (R4)，(R5)+ (逗號(hào)前原操作數(shù)，逗號(hào)后為目的操作數(shù))對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼 是什么(用十六進(jìn)制表示)？該指令執(zhí)行后，哪些寄存器和存儲(chǔ)單元的內(nèi)容會(huì)改變？改變后的內(nèi)容是什么？操作碼占4位，則該指令系統(tǒng)最多可有24=16條指令；操作數(shù)占6位，尋址方式占3位，于是寄存 器編號(hào)占3位，則該機(jī)最多有23=8個(gè)通用寄存器；主存容量128KB，按字編址，計(jì)算機(jī)字長為16位， 劃分為128KB/2B=216個(gè)存儲(chǔ)單元，故MDR和MAR至少各需16位。PC和Rn可表示的地址范

11、圍均為0216-1，而主存地址空間為216，故轉(zhuǎn)移指令的目標(biāo)地址范圍是 0000HFFFFH (0216-1)a d d (R4)，(R5) + 對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼為 0010 001 100 010 101執(zhí)行后R5和5678H的內(nèi)容會(huì)改變，從5678H變?yōu)?679H存儲(chǔ)器 5678H 的內(nèi)容=5678H+1234H=68ACH5、某計(jì)算機(jī)的主存地址空間為256MB，按字節(jié)編址，指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分離，均有8個(gè)Cache行， 每個(gè)Cache行的大小為64B，數(shù)據(jù)Cache采用直接映射方式，現(xiàn)有兩個(gè)功能相同的程序A和B,其偽代碼如下 所示：程序& int a 256 256程序B： in

12、t a256256int sm_ariayl 0int is j, sujrfO;for(i=0;i256;foi(j=0; j256;sun+=aireturn sum,int sum_axray2()int i, j, sum=0;for (戶0；j256;j+)for(i=0;i256;i+) sum+=ai j;return sum;假定int類型數(shù)據(jù)用32位補(bǔ)碼表示，程序編譯時(shí)i,j, sum均分配在寄存器中，數(shù)據(jù)3按行優(yōu)先方式存放, 其地址為320(十進(jìn)制數(shù))，請(qǐng)回答下列問題，要求說明理由或給出計(jì)算過程。若不考慮用于cache 一致性維護(hù)和替換算法的控制位，則數(shù)據(jù)Cache的總?cè)萘?/p>

13、是多少？要組元素a031和a11各自所在的主存塊對(duì)應(yīng)的Cache行號(hào)分別是多少(Cache行號(hào)從0開始)？、程序A和B的數(shù)據(jù)訪問命令率各是多少？那個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間更短？ 數(shù)據(jù)Cache有8個(gè)Cache行，每個(gè)Cache行大小為64B，Cache中每個(gè)字塊的Tag字段的位數(shù)是 28 9=19位，需使用一個(gè)有效位，合計(jì)20位。因此，數(shù)據(jù)Cache的總?cè)萘繎?yīng)為：8X(64+20 / 8)B = 532B。數(shù)組a在主存的存放位置及其與Cache之間的映射關(guān)系如下圖所示：數(shù)組按行優(yōu)先方式存放，首地址為320,數(shù)組元素占四個(gè)字節(jié)a031所在的主存塊對(duì)應(yīng)的Cache行號(hào)為： (320+31X4) DIV 6

14、4 = 6 ；a11所在的主存塊對(duì)應(yīng)的Cache行號(hào)為： (320+256X4+1X4) DIV 64 MOD 8 = 5。編譯時(shí)i、j、sum均分配在寄存器中，故數(shù)據(jù)訪問命中率僅考慮數(shù)組a的情況。該程序的特點(diǎn)是數(shù)組中的每一個(gè)元素僅被使用一次。數(shù)組a按行優(yōu)先存放，數(shù)據(jù)Cache正好放下數(shù) 組半行中的全部元素，即元素的存儲(chǔ)順序與使用次序高度的吻合，每個(gè)字塊的16個(gè)int型元素中，除訪 問的第一個(gè)不會(huì)命中，接下來的15個(gè)都會(huì)命中。訪問全部字塊都符合這一規(guī)律，故命中率為15 / 16， 即程序A的數(shù)據(jù)訪問命中率是93.75%。程序B按照數(shù)組的列執(zhí)行外層循環(huán)，在執(zhí)行內(nèi)層循環(huán)的過程中，將連續(xù)訪問不同行的

15、同一列的數(shù)據(jù)， 不同行的同一列數(shù)組使用的是同一個(gè)Cache單元，每次都不會(huì)命中，故命中率是0由于從Cache讀數(shù)據(jù)比從主存讀數(shù)據(jù)快很多，所以程序A的執(zhí)行比程序B快得多。6、設(shè)某磁盤有兩個(gè)記錄面，存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)徑為2.36英寸，外徑為5英寸。道密度1250TPI（磁道數(shù)/英寸）， 內(nèi)徑處的位密度52400bpi （位/英寸），轉(zhuǎn)速2400rpm（轉(zhuǎn)/分）問：（1）每面有多少磁道，每磁道能存儲(chǔ)多少字節(jié)？（2）數(shù)據(jù)傳輸率是多少？（3）設(shè)找道時(shí)間在10ms40ms之間，在一個(gè)磁道上寫8000字節(jié)數(shù)據(jù)，平均需要多少時(shí)間？（1） 每面有多少磁道=1250 X （5-2.36）/2=1650每磁道能存儲(chǔ)字節(jié)=2.

16、34 X 3.14 X52400/8=48562字節(jié)（2）數(shù)據(jù)傳輸率=48562 X 2400/60=1.94 X 106 B /s（3）平均時(shí)間=（10+40）/2 +（60s/2400）/2 +8000/（1.94X 106）=25+12.5+4.2=41.7ms7、某磁盤轉(zhuǎn)速為5400轉(zhuǎn)/分，共有4個(gè)記錄面，每道記錄信息為16384字節(jié)，最小磁道直徑為200mm， 最大磁道直徑為400mm，共有400道，磁頭從中心移動(dòng)到邊緣為40ms。問：（1）磁盤存貯器的容量是多少？（2）最高位密度與最低位密度是多少bpm（bit/mm）？（3）道密度是多少TPM（T/mm）？（4）磁盤數(shù)據(jù)傳輸率是多

17、少？（5）平均尋址時(shí)間是多少（1）每道記錄信息容量=16384字節(jié)每個(gè)記錄面信息容量=400X16384字節(jié)共有4個(gè)記錄面，所以磁盤存儲(chǔ)器總?cè)萘繛椋? X 400X16384 字節(jié)=26214400 字節(jié)（2）最高位密度D按最小磁道半徑R計(jì)算（R= 100mm）：D = 16384 字節(jié) *8/ 2n R = 208bit / mm最低位密度D按最大磁道半徑R計(jì)算（R= 200mm）：D =16384 字節(jié)*8 / 2n R2 = 104bit / mm（3 ）道密度=400/（400-200）/2=4/mm（4）磁盤傳輸率R =B/TR= 16384 / （60/5400） = 198445

18、4 字節(jié)/ 秒（5）平均尋道時(shí)間 最差：（40+0） /2=20ms，最佳：（20+0） /2=10ms平均尋道時(shí)間=（10+20） /2=15ms平均等待時(shí)間=（60*1000/5400 ） /2= 5.5ms平均尋址時(shí)間=15+5.5=20.5ms8、某指令系統(tǒng)指令長16位，如果固定操作碼為4位，則三地址格式的指令共有幾條？如果采用擴(kuò)展操 作碼技術(shù)，對(duì)于三地址、二地址、單地址和零地址這四種格式的指令，每種指令最多可以安排幾條？寫出 它們的格式。9、某計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器容量為64KX16位，該機(jī)器訪存指令格式如下:03 4567815OPMIXD其中M為尋址模式，00為直接尋址，01為基址尋址，10為相對(duì)尋址，11為立即尋址；I為間址特征 （1 = 1間址）；X