【计算机组成原理2013年真题43题-9分】

某32位计算机，CPU主频为800MHz，Cache命中时的CPI为4，Cache 块大小为32字节；主存采用8体交叉存储方式，每个体的存储字长为32位、存储周期为40 ns；存储器总线宽度为32位，总线时钟频率为200 MHz，支持突发传送总线事务。每次读突发传送总线事务的过程包括:送首地址和命令、存储器准备数据、传送数据。每次突发传送32字节，传送地址或32位数据均需要一个总线时钟周期。请回答下列问题，要求给出理由或计算过程。

（1）CPU和总线的时钟周期各为多少？总线的带宽（即最大数据传输率）为多少?

（2）Cache缺失时，需要用几个读突发传送总线事务来完成一个主存块的读取?

（3）存储器总线完成一次读突发传送总线事务所需的时间是多少?

（4）若程序BP执行过程中，共执行了100 条指令，平均每条指令需进行1.2次访存，Cache缺失率为5%，不考虑替换等开销，则BP的CPU执行时间是多少?

【第一步：信息提取】

32位计算机：运算是32位。

CPU主频为800MHz：1.25ns 时钟周期（1/800M）

Cache命中时的CPI为4：完成一条指令需要4个时钟周期

Cache 块大小为32字节：占5位

主存采用8体交叉存储方式，每个体的存储字长为32位、存储周期为40 ns：

存储器总线宽度为32位，总线时钟频率为200 MHz：4ns时钟周期

每次突发传送32字节，传送地址或32位数据均需要一个总线时钟周期

【第二步：具体解答】

第一小题：

（1）CPU和总线的时钟周期各为多少？

CPU的时钟周期是主频的倒数，即1/800MHz= 1.25ns

（2）总线的带宽（即最大数据传输率）为多少?

总线的时钟周期是总线频率的倒数，即1/200MHz= 5ns。

总线宽度为32位，故总线带宽为4B×200MHz= 800MBps 或4B/5ns = 800MBps。

第二小题：

（1）Cache缺失时，需要用几个读突发传送总线事务来完成一个主存块的读取?

Cache块大小是32B，因此Cache缺失时需要一个读突发传送总线事务读取一个主存块。

第三小题：

（1）存储器总线完成一次读突发传送总线事务所需的时间是多少?

一次读突发传送总线事务包括一次地址传送和32B数据传送：用1个总线时钟周期传输地址

每隔40ns/8 = 5ns 启动一个体工作（各进行1次存取)，第一个体读数据花费40ns，之后数据存取与数据传输重叠:用8个总线时钟周期传输数据。读突发传送总线事务时间: 5ns +40ns +8×5ns = 85ns.

第四小题：

（1）若程序BP执行过程中，共执行了100 条指令，平均每条指令需进行1.2次访存，Cache缺失率为5%，不考虑替换等开销，则BP的CPU执行时间是多少?

BP的CPU执行时间包括Cache命中时的指令执行时间和Cache缺失时带来的额外开销。

命中时的指令执行时间:100×4×1.25ns =500ns。

指令执行过程中Cache缺失时的额外开销:1.2x100×5%×85ns =510ns。

BP的CPU执行时间:500ns + 510ns = 1010ns。

【计算机组成原理2013年真题44题-14分】

某计算机采用16位定长指令字格式，其CPU中有一个标志寄存器，其中包含进位/借位标志CF、零标志ZF和符号标志NF。假定为该机设计了条件转移指令，其格式如下：

其中，00000为操作码OP；C、Z和N分别为CF、ZF 和NF的对应检测位，某检测位为1时表示需检测对应标志，需检测的标志位中只要有一个为Ⅰ就转移，否则不转移，例如，若C=1，Z=0，N=1，则需检测CF和 NF 的值，当CF=1或NF=1时发生转移；OFFSET是相对偏移量，用补码表示。转移执行时，转移目标地址为（PC）+2+2×OFFSET；顺序执行时，下条指令地址为(PC)+2。请回答下列问题。

（1）该计算机存储器按字节编址还是按字编址？该条件转移指令向后（反向）最多可跳转多少条指令?

（2）某条件转移指令的地址为200CH，指令内容如下图所示，若该指令执行时CF=0，ZF=0，NF=1，则该指令执行后PC的值是多少？若该指令执行时CF=1，ZF=0，NF=0,则该指令执行后PC的值又是多少?请给出计算过程。

(3）实现“无符号数比较小于等于时转移”功能的指令中，c、Z和N应各是什么?

(4）以下是该指令对应的数据通路示意图，要求给出图中部件①-③的名称或功能说明。

【第一步：信息提取】

转移目标地址：（PC）+2+2×OFFSET：为什么乘2？因为16位定长指令字格式

【第二步：具体解答】

第一小题：

（1）该计算机存储器按字节编址还是按字编址？

因为指令长度为16位，且下条指令地址为(PC)+2，故编址单位是字节。

（2）该条件转移指令向后（反向）最多可跳转多少条指令?

偏移量OFFSET为8位补码，范围为-128~127，故相对于当前条件转移指令，向后最多可跳转127条指令。

第二小题：

（1）某条件转移指令的地址为200CH，指令内容如下图所示，若该指令执行时CF=0，ZF=0，NF=1，则该指令执行后PC的值是多少？

指令中C=0，Z=1，N=1，故应根据ZF和NF的值来判断是否转移。

当CF=0，ZF=0，NF=1时，需转移。已知指令中偏移量为1110 0011B=E3H，符号扩展后为FFE3 H，左移一位(乘2)后为FFC6H,故PC的值(即转移目标地址)为200CH+2+FFC6H =1FD4H。

（2）若该指令执行时CF=1，ZF=0，NF=0,则该指令执行后PC的值又是多少?请给出计算过程。

当CF = 1，ZF=0，NF=0时不转移。PC的值为200CH +2=200EH。

第三小题：

(1）实现“无符号数比较小于等于时转移”功能的指令中，c、Z和N应各是什么?

指令中的C、Z和N应分别设置为C=z=1，N=0，进行数之间的大小比较通常是对两个数进行减法，而因为是无符号数比较小于等于时转移，即两个数相减结果为0或者负数都应该转移，若是0，则ZF标志应当为1，所以是负数，则借位标志应该为1，而无符号数并不涉及符号标志NF。

第四小题：

(1）以下是该指令对应的数据通路示意图，要求给出图中部件①-③的名称或功能说明。

部件①用于存放当前指令，不难得出为指令寄存器；多路选择器根据符号标志C/Z/N来决定下一条指令的地址是PC+2还是PC+2+2xOFFSET，故多路选择器左边线上的结果应该是PC+2+ 2×OFFSET。根据运算的先后顺序以及与PC+2的连接

部件②:移位寄存器（用于左移一位)，用于左移一位实现乘2，为移位寄存器。

部件③:加法器（地址相加)。用于PC+2和2×OFFSET相加，为加法器。