Corso di Architettura dei Calcolatori (I anno) Prova scritta finale 24 luglio 2009

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1 Corso di Architettura dei Calcolatori (I anno) Prova scritta finale 24 luglio 2009 a.a. 2008/2009 COGNOME:... NOME: (punti 3) Supponiamo di voler rappresentare le vocali dell alfabeto italiano usando una codifica binaria di Huffman determinata da questa distribuzione: O 0.5 U 0.15 A 0.15 E 0.1 I 0.1 (a) Con quanti bit viene codificata la vocale A? (b) Con quanti bit viene codificata la vocale E? (c) Con quanti bit viene codificata la vocale I? (d) Con quanti bit viene codificata la vocale O? (e) Con quanti bit viene codificata la vocale U? (f) Data una successione s di vocali, il rapporto di compressione per s è dato da N/H, dove N è il numero di bit necessario per codificare s usando un codice minimale a lunghezza fissa ed H è il numero di bit utilizzati per s dalla codifica di Huffman in questione. Per particolari sequenze di vocali il rapporto di compressione risulta essere il migliore (ossia il più alto); quanto vale tale rapporto? 2. (punti 2) Consideriamo il seguente codice di Hamming dove ogni configurazione è della forma d 3 d 2 p 3 d 1 p 2 p 1, il bit di parità di posizione p 1 controlla i bit di dato di posizione d 1 e d 2, il bit di parità di posizione p 2 controlla i bit di dato di posizione d 1 e d 3 e il bit di parità di posizione p 3 controlla i bit di dato di posizione d 2 e d 3. (a) Se viene letta la configurazione , qual è il minimo numero di errori che sono stati commessi durante la lettura? (b) Qual è la ridondanza del codice? (c) Qual è la distanza minima di Hamming tra due configurazioni valide distinte? (d) Il codice permette la correzione di al più k errori. Qual è il valore massimo di k per cui la frase precedente è corretta? 3. (punti 4) Considerare la seguente tavola di verità: i 3 i 2 i 1 i 0 u i 3 i 2 i 1 i 0 u (a) Compilare la mappa di Karnaugh corrispondente alla tavola di verità. (b) Calcolare la formula corrispondente alla tavola, in forma normale disgiuntiva minimale. (c) Calcolare la formula corrispondente alla tavola, in forma normale congiuntiva minimale. 1

2 4. (punti 4) Considerare il seguente circuito sequenziale costituito da due registri di tipo D, un comparatore C, quattro or, otto and e un not. I3 I2 I1 I0 CK D1 B3 B2 B1 B0 A3 A2 A1 A0 C U3 U2 D2 U1 U0 L uscita del comparatore C assume il valore 1 se il numero naturale codificato da A3 A2 A1 A0 è maggiore di quello codificato da B3 B2 B1 B0, 0 altrimenti. (a) I valori assunti dall ingresso CK al variare del tempo sono specificati dal seguente diagramma Τ0 Τ1 Τ2 Τ3 Τ4 Τ5 CK mentre i valori assunti dagli ingressi I3 I2 I1 I0 ai tempi T1 T2 T3 T4 sono indicati nella seguente tabella. tempo I3 I2 I1 I0 T T T T Sapendo che al tempo T0 la configurazione memorizzata in D1 è 0100, mentre quella memorizzata in D2 è 0000 e supponendo che il periodo di stabilizzazione dei segnali sia inferiore a 1 2 del periodo del clock, completare la tabella nel foglio delle risposte con i bit memorizzati nel registro D2 ai tempi T1 T2 T3 T4 T5. (b) Sapendo che il ritardo del not è non superiore a 0.5 ns, quello degli and e degli or è non superiore a 1 ns, quello del comparatore C è non superiore a 3.5 ns, e che quello dei registri D1 e D2 è non superiore a 4 ns, calcolare la frequenza massima del clock che assicuri il funzionamento corretto del circuito. 5. (punti 4) Considerare la seguente funzione ricorsiva scritta in C: int fun(int x,int y){ if(x>0 && y>0) return x+y-1+fun(x-1,y-1); return 0; } 2

3 Tradurre fun in assembly VM-2 rispettando le seguenti convenzioni: gli argomenti vengono passati tramite stack e il risultato della funzione viene depositato nel registro ACC. Il programma non deve contenere più di 25 istruzioni. 6. (punti 3) Considerare un di tipo sincrono per il collegamento tra CPU e RAM che permette il trasferimento simulataneo di dati da 64 bit e al quale possono essere connessi altri dispositivi master. La frequenza del clock del è di 250 MHz. Il protocollo del prevede un ciclo di clock per l arbitraggio daisy chain, seguito da un ciclo di clock per il completamento di un operazione di lettura o scrittura, senza possibilità di proroghe. Il tempo massimo di propagazione dei segnali tra le due estremità del è di 0.3 ns e il ritardo di ogni stadio della daisy chain è non superiore a 0.7 ns. (a) Qual è la latenza massima della RAM che permette un corretto interfacciamento con il? (b) Qual è il throughput massimo teorico del espresso in B/s, se il clock della CPU ha una frequenza di 1 GHz? (c) Qual è il throughput massimo teorico del espresso in B/s, se il clock della CPU ha una frequenza di 2 GHz? (d) Qual è il numero massimo di master (inclusa la CPU) tollerato dal protocollo? 7. (punti 4) Supporre di modificare la macchina VM-1 sostituendo l istruzione LDIX con la nuova NEW riutilizzando lo stesso codice operativo 1101 per specificare una serie di azioni diverse. Le nuove microistruzioni che realizzano NEW sono memorizzate nelle celle di indirizzi 58 e 59 (che quindi sostituiscono quelle usate per la realizzazione di LDIX) e nelle celle libere 83 e 84 come mostrato di seguito (il campo Int è stato omesso in quanto inutilizzato): indir. in CS A L U C S R n W M A R M B R D mpx A B x xx 0 xx 000 xxxxxxx 59 xxx xx 11 xx xx 0 xx 0 xx xxx xx xx xx xx 0 xx 0 xx 000 xxxxxxx x xx xx xx xx CA CA en CD CD en D m cond Se dopo aver completato il fetch e la decodifica dell istruzione NEW i seguenti registri e celle di memoria contengono le seguenti configurazioni indicate in base 2: ADR = M[ ] = ACC = M[ ] = quali sono le configurazioni (in base 2) contenute nei seguenti registri e celle di memoria immediatamente prima dell esecuzione della fase di fetch dell istruzione che segue NEW? (a) ADR (b) ACC (c) IR (d) M[ ] 8. (punti 2) Considerare un sistema di traduzione da indirizzamento virtuale a indirizzamento fisico realizzato mediante la tecnica di segmentazione e paginazione. Gli indirizzi virtuali sono composti da tre parti: quella più significativa individua il segmento, quella intermedia la pagina logica e quella meno significativa l offset all interno della pagina. Ogni indirizzo logico può far riferimento a un massimo di 512 segmenti con il metodo della segmentazione esplicita. Ciascun segmento può avere la dimensione massima di 64 MB, mentre ogni pagina contiene 4096 celle e ha una dimensione di 16 KB. (a) Negli indirizzi virtuali, quanti bit sono dedicati alla codifica del segmento? (b) Negli indirizzi virtuali, quanti bit sono dedicati alla codifica del numero di pagina logica? (c) Negli indirizzi virtuali, quanti bit sono dedicati all offset? (d) Se la RAM contiene 2 32 celle, qual è il numero totale di pagine fisiche? (e) Quali dei seguenti indirizzi virtuali (in base 16) fanno sicuramente riferimento a una stessa pagina fisica? 0F5A78333, 0A0A78E00, 1B7A780B0, 0F5A7833C, 179A (f) Supporre che l MMU sia dotato di una memoria associativa in grado di memorizzare fino a un massimo di 4 associazioni. Se la memoria associativa è inizialmente vuota e un programma accede (in ordine temporale) ai seguenti indirizzi virtuali (in base 16), quali di essi verranno tradotti senza far uso delle tabelle dei segmenti e delle pagine memorizzate nella RAM? 0F5A78333, 0A0A78E00, 1B7A780B0, 0F5A7833C, 179A Addr 3

4 9. (punti 4) Considerare una realizzazione di tipo superscalare di livello 2 per la macchina convenzionale VM-R, a partire da una pipeline a 3 stadi e senza permutazione dinamica delle istruzioni. Il processore permette il fetch simultaneo delle due istruzioni di indirizzo (2k) e (2k + 1) nel primo stadio di pipeline. Il secondo stadio effettua la decodifica simultanea delle due istruzioni, controlla che la condizione di Bernstein sia verificata per i registri e le celle di memoria, ma non per il valore di condizione vcond, e determina la disponibilità delle unità di esecuzione. Il terzo stadio manda in stallo per un ciclo di clock i primi due stadi di pipeline se le istruzioni decodificate non sono eseguibili simultaneamente, e in tal caso le esegue nella corretta sequenza. Lo stadio di esecuzione è composto da 1 ALU e 1 addizionatore che permettono di calcolare operazioni in parallelo in un singolo ciclo di clock. Mentre la ALU è in grado di svolgere tutte le operazioni aritmetico-logiche richieste dall insieme di istruzioni VM-R, l addizionatore permette solamente il calcolo dell addizione in complemento a 2. Infine, le istruzioni di puro spostamento di valore da un registro all altro richiedono solo l uso di e non necessitano della disponibilità dell ALU o dell addizionatore (anche se richiedono anch esse un ciclo di clock in fase di esecuzione). Dato il seguente frammento di programma VM-R, stabilire dopo quanti cicli di clock viene completata l esecuzione di ciascuna istruzione (a partire dal fetch delle prime quattro, con pipeline vuota). LOR3 R03, R02, R01 ADD3 R08, R01, R08 AND3 R09, R01, R09 NAND R10, R02, R10 ADD3 R10, R08, R01 LOAD R09, R08, R01 MOVR R11, R08, R01 SUB3 R02, R00, R02 ADD3 R01, R01, R09 ADD1 R01, 1 ADD3 R02, R03, R03 ADD1 R03, (punti 2) Considerare una memoria cache a 8 livelli di associatività, con 2048 linee, ognuna contenente 8 celle, e collegata a una RAM da 2 28 celle. (a) Quanti bit dell indirizzo fisico determinano l offset all interno di una linea? (b) Quanti bit dell indirizzo fisico determinano le 8 linee della cache dove ricercare il dato? (c) Quanti bit dell indirizzo fisico determinano il campo tag? 11. (punti 4) Considerare il seguente programma in assembly VM-R: entry: LDIW R03 fun: LDIB R01,1 b: RETN fun LDIB R02,6 9 LDIW R08 LDIB R09,1 8 b SCMP R09,R02 7 CALL R03 CJMP GT,14 6 HALT MOV2 R11,R09 5 SCMP R11,R01 4 CJMP LE,9 SHFT R10,R11,-1 LOAD R12,R08,R10 LOAD R13,R08,R11 SCMP R12,R13 CJMP LE,6 STOR R12,R08,R11 STOR R13,R08,R10 MOV2 R11,R10 JUMP -11 ADD1 R09,1 JUMP -16 Supponendo che il programma venga eseguito a partire dall indirizzo entry, quale valore in base 10 è contenuto nelle seguenti celle di memoria subito dopo l esecuzione dell istruzione RETN? (a) M[b+1] (b) M[b+2] (c) M[b+3] (d) M[b+4] (e) M[b+5] (f) M[b+6] 4

5 Corso di Architettura dei Calcolatori (I anno) Risposte prova scritta finale 24 luglio 2009 COGNOME:... NOME: (punti 3) (e)... (f) (punti 2) 3. (punti 4) (a) Mappa di Karnaugh i 3 i 2 \i 1 i (punti 4) Indichiamo con B3 B2 B1 B0 la configurazione memorizzata nel registro D2. (a) tempo B3 B2 B1 B0 T1 T2 T3 T4 T5 5

6 5. (punti 4) 6. (punti 3) 7. (punti 4) 8. (punti 2) (e)... (f)... 6

7 9. (punti 4) 10. (punti 2) istruzione LOR3 R03, R02, R01 ADD3 R08, R01, R08 AND3 R09, R01, R09 NAND R10, R02, R10 ADD3 R10, R08, R01 LOAD R09, R08, R01 MOVR R11, R08, R01 SUB3 R02, R00, R02 ADD3 R01, R01, R09 ADD1 R01, 1 ADD3 R02, R03, R03 ADD1 R03, 1 ciclo di clock 11. (punti 4) (e)... (f)... 7