计算机考研 | 2010年 | 计算机组成原理真题

【计算机组成原理2010年真题43题-11分】

请回答下列问题:

（1）该指令系统最多可有多少指令?该计算机最多有多少个通用寄存器﹖存储器地址寄存器(MAR）和存储器数据寄存器（MDR）至少各需要多少位?

（2）转移指令的目标地址范围是多少?

（3）若操作码0010B表示加法操作（助记符为add)，寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B，R4的内容为1234H，R5的内容为5678H，地址1234H中的内容为5678H，地址5678H中的内容为1234H，则汇编语句"add(R4)，(R5)+"（逗号前为源操作数，逗号后为目的操作数）对应的机器码是什么(用十六进制表示)？该指令执行后，哪些寄存器和存储单元中的内容会改变?改变后的内容是什么?

【第一步：信息提取】

计算机字长为16位：2B

主存地址空间大小为128KB：7位

按字编址：2B

【第二步：具体解答】

第一小题：

（1）该指令系统最多可有多少指令?该计算机最多有多少个通用寄存器？

操作码占4位，该指令系统最多可有$2^4=16$条指令。

操作数占6位，其中寻址方式占3位、寄存器编号占3位，因此该机最多有$2^3=8$个通用寄存器。

（2）存储器地址寄存器(MAR）和存储器数据寄存器（MDR）至少各需要多少位?

主存地址空间大小为128KB，按字编址，字长为16位，共有$128KB/2B=2^{16}$个存储单元，因此MAR至少为16位;

因为字长为16位，故MDR至少为16位。

第二小题：

（1）转移指令的目标地址范围是多少?

寄存器字长为16位，PC可表示的地址范围为0 ~ $2^{16}-1$，Rn可表示的相对偏移量范围为$-2^{15}$ ~ $2^{15}-1$，

而主存地址空间为$2^{16}$，故转移指令的目标地址范围为0000H～FFFFH (0~$2^{16}-1$)。

第三小题：

（1）若操作码0010B表示加法操作（助记符为add)，寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B，R4的内容为1234H，R5的内容为5678H，地址1234H中的内容为5678H，地址5678H中的内容为1234H，则汇编语句"add(R4)，(R5)+"（逗号前为源操作数，逗号后为目的操作数）对应的机器码是什么(用十六进制表示)？

将对应的机器码写成十六进制形式为0010 0011 0001 0101B = 2315H。

（2）该指令执行后，哪些寄存器和存储单元中的内容会改变?改变后的内容是什么?

该指令的功能是将R4的内容所指存储单元的数据与R5的内容所指存储单元的数据相加，并将结果送入R5的内容所指存储单元中。

(R4)= 1234H, (1234H)=5678H;

(R5)=5678H,(5678H)= 1234H

执行加法操作5678H +1234H =68ACH，之后R5自增。

该指令执行后，R5和存储单元5678H的内容会改变，R5的内容从5678H变为5679H,存储单元5678H中的内容变为该指令的计算结果68ACH。

【计算机组成原理2010年真题44题-12分】

某计算机的主存地址空间大小为256MB，按字节编址。指令Cache和数据Cache分离，均有8个Cache行，每个Cache行大小为64B，数据Cache采用直接映射方式。现有两个功能相同的程序A和B，其伪代码如下所示:

假定int类型数据用32位补码表示，程序编译时i、j、sum均分配在寄存器中，数组a按行优先方式存放，其首地址为320（十进制)。请回答下列问题，要求说明理由或给出计算过程。

（1）若不考虑用于Cache一致维护和替换算法的控制位，则数据Cache的总容量为多少?

（2）数组元素 a[0][31] 和 a[1][1] 各自所在的主存块对应的Cache行号分别是多少(Cache行号从0开始）?

（3）程序A和B的数据访问命中率各是多少？哪个程序的执行时间更短?

【第一步：信息提取】

主存地址空间大小为256MB：28位

按字节编址：字节编址

指令Cache和数据Cache分离：两种cache内容

每个Cache行大小为64B，数据Cache采用直接映射方式：cache内主存块6位

【第二步：具体解答】

第一小题：

（1）若不考虑用于Cache一致维护和替换算法的控制位，则数据Cache的总容量为多少?

每个Cache行对应一个标记项，有效位+脏位+替换控制位+标记位。

不考虑用于Cache 一致性维护和替换算法的控制位。地

址总长度为28位($2^{28}=256M$)，块内地址6位($2^6=64$)，Cache块号3位($2^3=8$)，故Tag 的位数为28-6-3 = 19位，还需使用一个有效位，故题中数据Cache行的结构：有效位（1bit）+标记位（19bit）+每行存储（64B=512bit）。

数据Cache共有8行，因此数据Cache的总容量为8x(64+ 20/8)B = 532B。

第二小题：

（1）数组元素 a[0][31] 和 a[1][1] 各自所在的主存块对应的Cache行号分别是多少(Cache行号从0开始）?

直接映射方式，取余。

数组按行优先方式存放，首地址为320，数组元素占4字节。$a[0][31]$所在的主存块对应的Cache行号为(320 ＋ 31x4)/64 = 6; $a[1][1]$所在的主存块对应的Cache行号为 $(320+256\times 4+1\times 4)/64$。

第三小题：

（1）程序A和B的数据访问命中率各是多少？

数组a的大小为256×256×4B=2B，占用$2^{18}/64=2^{12}$个主存块，按行优先存放，程序A逐行访问数组a，共需访问的次数为21次，未命中次数为22次(即每个字块的第一个数未命中)，

因此程序A的命中率为$(2^{16}-2^{12})/2^{16}\ast 100$=93.75%

（2）哪个程序的执行时间更短?

程序B逐列访问数组a，Cache总容量为64B×8=512B，数组 a一行的大小为1KB，正好是Cache容量的2倍，可知不同行的同-一列数组元素使用的是同一个Cache 单元，故逐列访问每个数据时，都会将之前的字块置换出，也即每次访问都不会命中，命中率为0。

由于从 Cache读数据比从：主存读数据快很多，所以程序A的执行比程序B快得多。