计算机组成原理习题课.ppt

P150 11(DRAM刷新）,RAM芯片内部结构256256，存储周期0.1us 假定RAM芯片刷新周期2ms 集中刷新间隔=2ms 分散刷新间隔=2560.1us=25.6us 异步刷新间隔=2ms,P151 第15题1/8,16根地址线，8根数据线 CPU具有64K8位的寻址能力 主存储器容量上限是64K8位 位扩展宽度：8位,P151 第15题2/8,4K地址为系统程序区（ROM区） ROM地址空间：00000FFF，容量：4K8 选择4K4，2K8芯片均可 选择4K4芯片2片，采用位扩展 409616383为用户程序区（RAM区） RAM地址空间：10003FFF，容量：12K8 选择1K4，2K8，4K8芯片均可 选择4K8芯片3片，采用字扩展,P151 第15题3/8,存储器芯片地址空间 共需4个片选,P151 第15题4/8,74138,P151 第15题5/8,74138真值表,A0,P151 第15题6/8,负逻辑：译码输出直接作为片选信号 74138输入管脚连接： 控制端：E2，E1#，E0# E2：H（高电平） E1#，E0#：CPU存储器访问请求线MREQ# 译码地址输入端：A2，A1，A0 A2：L（低电平） A1，A0：CPU地址线A13，A12,P151 第15题7/8,译码输出,P151 第15题8/8,P151 第16题,8片8K8芯片与CPU连接 共需8个片选,P151 第16题,P151 第16题,无论数据写到哪个芯片，A000起始地址芯片总是有相同数据 原因：A000起始地址这个芯片的片选信号发生问题，无论A15A14A13为什么值，该芯片片选信号总为低电平：译码器损坏致使CS5总为低，或芯片的CS端搭接到其他低电平信号上。,P151 第16题,A13与CPU断线，并搭接成高电平。,4.28 4.29 4.32,1. 某机主存容量为16MB，组相联方式的Cache容量为64KB，Cache与主存都分为16组，每个数据块为256字节。某指令执行时，经寻址计算，其字节操作数的有效地址为020281H，又知Cache中第2组(组号为2的那组)的前4块已装入，且第2组前4块的Tag内容为:,(1) 写出主存与Cache的地址格式； (2)上述操作数能否从Cache中读取，若能，给出其在Cache中的地址。,CACHE补充：第1题,第1题第1问,块尺寸256字节 块内地址：8位 组数64KB/(256B*16)16 组地址：4位 主存块数16MB/256B=64K 主存块/组64K/164K 组内块地址：12位,第1题第1问,主存地址：24位 Cache的Tag：12位 12位组内块地址,第1题第2问,主存地址：020281H 最低8位为块内地址 对应组内块地址：020H(将与Cache块Tag比较) 主存块号：0202H 对应Cache组号 主存块号%组数0202H%162 表明：该主存地址可映射在Cache第2组 Cache第2组 第1块的标记：020 结论：命中，可以从Cache读取数据,CACHE补充：第2题,2. 计算机系统包含32K字的主存，Cache容量4K字，每组4 Blocks，每Block 64个字。假设Cache开始是空的，CPU顺序从存储单元0，1，2到4351中读取字，然后再重复这样的取数9次，Cache速度是主存速度的10倍，采用LRU替换算法， 假定块替换的时间忽略不计，计算采用Cache后的加速比。,第2题,CACHE结构 块尺寸64字 组内块数4块 组数 4K/(64*4)16 主存结构 组数：16 主存块数32K/64512 主存块/组512/1632,第2题,4352个主存字分配在68个主存块中 主存块0：主存字063 主存块1：主存字64127 。 主存块63：主存字40324095 主存块64：主存字40964159 主存块65：主存字41604223 主存块66：主存字42244287 主存块67：主存字42884351,第2题,主存块Cache组 68个主存块 16个Cache组,第2题CACHE初始为空,第2题第1次循环(块0块63),块6467?,第2题第1次循环(块64块67),块03?,Tip： LRU算法替换最长时间不用的块,第2题第2次循环(块0块3),第2题第2次循环(块4块15),第2题第2次循环(块16块19),第2题第2次循环(块20块31),第2题第2次循环(块32块35),第2题第2次循环(块36块47),第2题第2次循环(块48块51),第2题第2次循环(块52块63),第2题第2次循环(块64块67),第2题规律,第1次循环(单位：块) 主存块063：失效 主存块6467：失效&替换 因“块替换的时间忽略不计”等价于仅存在失效 块失效次数：68 第2次循环第10次循环(单位：块) 映射到组03的20个主存块：失效&替换 主存块：03，1619，3235，4851，6467 其余48个主存块：全部命中 块失效次数：209 块命中次数：489,第2题,块失效 vs. 块命中(单位：块) 块失效次数：68209248 块命中次数：489432 块失效 1次字失效，63次字命中 块命中 64次字命中 CPU读存储器总计 Cache失效次数：248 Cache命中次数：632486443243272,第2题,设Cache一次访问时间为S 则主存一次访问时间为10S Cache失效访问字时间：10SS 加速比,指令系统：P336，19题（1问）,指令系统：P336，19题（2问）,指令系统：补充题,某机字长为16位，数据总线也为16位，内存容量64KB，包含8个16位通用寄存器R0R7。指令系统基本要求是： 128条双操作数指令，且其中必有一操作数是寄存器直接寻址； 另一操作数的寻址方式有4种：立即寻址，寄存器直接寻址，寄存器间接寻址，变址寻址；立即数和变址寻址时的位移量为16位。 指令长度应满足16的倍数，且要求尽量短。 请给出指令系统的详细设计方案(提示：当另一个操作数为4种寻址方式中的每一种时，说明其指令编码长度，以及指令编码中各字段的详细说明)。,如何理解题目1/6,“某机字长为16位，数据总线也为16位” 对机器作了一般性描述16位系统 并非所有信息都是有价值的数据总线也为16位,如何理解题目2/6,“内存容量64KB” 64KB16位地址线 若指令中某个操作数需要访问内存，必须最终能得到16位地址 16位地址如何得到？ 显式 需要计算：寄存器偏移(基址、变址、相对) 无需计算： 隐式寄存器间接寻址,如何理解题目3/6,“包含8个16位通用寄存器R0R7” 凡是涉及到与寄存器相关的寻址 必须3位编码定位寄存器对应8个寄存器 指令中可能不只一处需要定位寄存器,如何理解题目4/6,“128条双操作数指令，且其中必有一操作数是寄存器直接寻址” 7位操作码对应128条指令 双操作数源/目的区分 1位标志对应源/目的 必然有一个固定的3位域定位该寄存器直接寻址操作数,如何理解题目5/6,“另一操作数的寻址方式有4种：立即寻址，寄存器直接寻址，寄存器间接寻址，变址寻址；立即数和变址寻址时的位移量为16位。” 2位编码4种寻址模式 寄存器直接/间接寻址/变址寻址 需要有一个3位域定位寄存器 立即数为16位&位移量为16 指令总长度如果只有1个16位，无法描述 某些指令至少是2个16位 第2个16位可以用于编码立即数和位移量,如何理解题目6/6,“指令长度应满足16的倍数，且要求尽量短” 指令长度可以是16位、32位. 指令编码应尽可能紧凑,参考答案,7位OP：128条指令 1位S/D：源/目的选择（对应寄存器直接寻址操作数） 0：R1目的操作数；1：R1是源操作数 2位M：4种寻址模式 00/01/10/11：立即数/寄存器直接/寄存器间接/变址 3位R1：寻址寄存器（寄存器直接寻址操作数） “必有一操作数是寄存器直接寻址” 3位R2：寻址寄存器 寄存器直接/间接/变址都需要访问某个寄存器 16位DISP：立即数/偏移量,OP,S/D,M,R1,R2,7,1,2,3,3,DISP,参考答案,M00：立即数 S/D：只能为0 R2没有意义,OP,S/D,M,R1,R2,7,1,2,3,3,DISP,OP,0,00,R1,7,1,2,3,3,立即数,参考答案,M01：寄存器直接寻址 DISP：不存在,OP,S/D,M,R1,R2,7,1,2,3,3,DISP,OP,S/D,01,R1,R2,7,1,2,3,3,参考答案,M10：寄存器间接寻址 DISP：不存在,OP,S/D,M,R1,R2,7,1,2,3,3,DISP,OP,S/D,10,R1,R2,7,1,2,3,3,参考答案,M11：变址寻址 R2：定位寄存器提供基地址 DISP：偏移量,OP,S/D,M,R1,R2,7,1,2,3,3,DISP,OP,S/D,11,R1,R2,7,1,2,3,3,偏移量,指令系统设计的基本方法,不存在绝对正确的指令系统！ 正确是相对的,指令系统设计的基本方法,第一原则：简洁/和谐！ 指令长度尽可能短，并且是机器字长倍数 各域结构清晰，避免过多复用 需求1：4功能；需求2：3功能 方法1：2位2位 方法2：3位 哪个更好？,指令系统设计的基本方法,设计依据 操作特性：不同操作的数量，具体是些什么操作，复杂程度等 数据类型：各种操作所处理的数据的类型 指令格式：指令长度，地址数目，指令中不同域的大小等 寄存器数目：CPU中可以直接访问的寄存器的数目及使用方法 寻址(Addressing)：操作数的寻址方式,指令系统设计的基本方法,指令设计的相关因素 操作数量：决定操作码的位数。 操作数数量：采用几个操作数(一般为两个)，每个操作数均涉及寻址模式(有时操作数是隐含的) 寻址方式数量：有时寻址方式可以是隐含的(由操作码决定) 寄存器数量 ：确定寄存器编码的位数。 地址范围：存