计算机原理与设计习题课

1、2简述RISC和CISC的主要差别。CISC（Complex Instruction Set Computer）是对那些具有复杂指令系统的CPU的总称，CISC指令系统往往提供丰富的寻址方式，每条指令长短不一，常用的指令较短，不常用的指令较长，设计CPU时往往采用微程序的方法来实现这些指令，CISC的优点是代码紧凑，使用较少的存储器，缺点是实现复杂的指令需要较多的芯片面积而且不利于流水线操作。RISC（Reduced Instruction Set Computer）是对那些具有简单指令系统的CPU的总称，RISC指令系统的特点有两个，一是指令长度固定，这有利于流水线CPU的设计，二是所谓的L

2、oad/Store结构。3假设我们有两台计算机M1和M2。M1的主频是1GHz，M2的主频是2GHz。每台计算机的指令都有4类，它们的CPI分别为1、2、3和4。当同样一个用高级语言编写的程序在两台机器上分别编译执行时，我们得到下表所列的结果。计算机主频CPI执行指令数1234M11GHz50%35%10%5%20200000M22GHz10%10%30%50%22000000 其中的百分比是执行时每类指令出现的频率。试分别计算该程序在两台机器上的执行时间。如果单从执行时间上考虑，哪一台机器的性能更好？4解题思路：解：。是实指周期的时间长度要的平均的时钟周期，是每条指令执行时所需是被执行的指令

3、总数，)()er()(cleTimesPerCyTPCnInstructioCyclesPCPInsInstructioITPCCPIIT)(0352. 01021%)504%303%102%101 (22000000)(03434. 01011%)54%103%352%501 (202000009291sTsTMM5试计算上题中两台计算机的MIPS（Million Instructions Per Second），即每秒能执行多少百万条指令。解题思路：解：6610110TPCCPITIMIPS万为单位的数值即可。将计算结果转换成以百可执行的指令条数，再关键是计算出单位时间625100352.

4、 0202000005881003434. 0202000006261MMMIPSMIPS6如果使用1000000个CPU构建一个并行系统并想得到单CPU系统500000倍的性能，那么程序中允许出现的串行执行的代码的比例应该不超过多少才行？解题思路：解：算机的性能加速比。也适用于计算高性能计。）（也有上限，即使则整体性能的加速比是的时间百分比为执行程序时用到该部件，的倍，即所需时间是原来假设某部件优化了LawsAmdahlSnrnrrTnrTTTTPPSrnLawsAmdahlnnr-11)1 (1)1 (,n1000009999991)1 (1)1 (,500000,100000050000

5、0CPU1000000)1 (,xrnrSxrSnLawsAmdahlxx，求解可得将它们代入公式，即对比倍，性能提升个并行系统含，例为则并行执行的代码的比例为设串行执行的代码的比7试用多个32位二选一多路器mux2x32设计一个32位的八选一多路器mux8x32。解题思路：解：架构。，即需构建三级二选一数，代表目标器件的选择项数，代表备用器件的选择项，计算选择级数38loglog2YmnmYnyS2s10s11s00a0a1s01a2a3s02a4a5s03a6a78试分别用结构描述、数据流描述和功能描述三种风格写出带有使能端的3-8译码器的Verilog HDL代码。提示：功能描述风格的语

6、句可用e=ena234，中断处理优先次序为3124，要求：（1） 给出每级中断的中断屏蔽码（假设“1”表示允许，“0”表示禁止）（2） 假设在执行主程序时，1、2、3、4 级中断同时有请求，请画出CPU 执行程序的轨迹。27中断屏蔽位表中断级别中断级屏蔽位1级2级3级4级目态1111第级0010第级1010第级0000第级111028用户程序中断请求中断处理程序1 2 3 4中断中断请求处理图请求处理图291 、什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为16位，存储周期为100ns，则存储器的带宽是多少？ 答：存储器的带宽是指单位时间内存储器所能存取的最大信息量，通常以bps或Bps作为度量

7、单位。数据总线宽度为16位，存储周期为100ns的存储器的带宽为： 16b/(100ns)=16b/(100*10-9s)=160Mbps 2、一个字长为32位的计算机，其存储容量为128KB，按字节编址和按字编址的寻址范围各是多少？ 答：128KB=217B，如果按字节编址，需要217个地址，则需要17位地址线，寻址范围为0217-1；若按字编址，则每个字占一个地址，128KB是32K（215）个字，需要15根地址线，寻址范围为0215-1。303、一个64K32位的存储器，按字节寻址，其地址线和数据线各是多少位？ 答：32位说明数据线为32位；64K=216，按照字节寻址，需要16+2=1

8、8位地址线。4、用2K4位的存储芯片构成一个具有14根地址线、8根数据线的存储器，试问： （1）该存储器的存储容量是多少KB？ （2）需要几片上述存储芯片？ 答：（1）数据线为8根，即按字节寻址；地址线为14根，即寻址空间大小为214，故存储容量为16KB。 （2）需要2K4位的芯片数目为： （16K/2K）（8/4）=82=16 。315、假定某计算机的cache共16行，开始为空，块大小为1个字，采用直接映射方式。CPU执行某程序时，依次访问以下地址序列：2,3,11,16,21,13,64,48,19,11,3,22,4,27,6和11。要求： （1）说明每次访问是命中或缺失，试计算访问

9、上述地址序列的命中率。 （2）若cache数据区容量不变，而块大小改为4个字，则上述地址序列的命中率又如何？ 32（1）访问缺失的情况有两种：一是Cache块内未填充有效数据而引发的缺失；二是Cache块内存在有效数据，但该数据不是需要的数据，即因采用直接映射方式，其它地址的数据映射到并占用此块，发生冲突，从而引发缺失。 将访存地址序列2,3,11,16,21,13,64,48,19,11,3,22,4,27,6,11对16进行求余，可得到各地址映射对应的Cache块号； 该序列的访问命中情况命中如下： 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，其数据区容量为16行1字/行=16字；主存被划分成1字/块，所以，主存块号=字号。因此，映射公式为：cache行号 = 主存块号 mod 16 = 字号 mod 16。开始cache为空，所以第一次都是miss，以下是映射关系（字号-cache行号）和命中情况。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，命中率为1/16。34（2）若数据区容量不变，当块大小为4个字时，cache仅有4个cache行，其地址映射方案变为： 块0：03，1619， 块1：47，2023， 块2：811，2427， 块3：1215，2831， 该序列的访问命中情况命中如下： 2，3，11，16，21，13，64，48，19，11，3，22，4，27，6，11 共命中4次，命中率为4/16，即1/4。35cache采用直接映射方式，数据区容量

12、不变，为16个字，每块大小为4个字，所以，cache共有4行；主存被划分为4个字/块，所以，主存块号=字号/4。因此，映射公式为：cache行号 = 主存块号 mod 4 = 字号/4 mod 4。 以下是映射关系（字号-主存块号-cache行号）和命中情况。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