ACSO Architettura dei Calcolatori e Sistemi Operativi

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1 Politecnico di Milano Dipartimento di Elettronica e Informazione prof.ssa Anna Antola prof. Luca Breveglieri prof. Giuseppe Pelagatti prof.ssa Donatella Sciuto prof.ssa Cristina Silvano ACSO Architettura dei Calcolatori e Sistemi Operativi Prova di venerdì 5 febbraio 2010 Cognome Nome Matricola Firma Istruzioni Scrivere solo sui fogli distribuiti. Non separare questi fogli. È vietato portare all esame libri, eserciziari, appunti, calcolatrici e telefoni cellulari. Chiunque fosse trovato in possesso di documentazione relativa al corso anche se non strettamente attinente alle domande proposte vedrà annullata la propria prova. Non è possibile lasciare l aula conservando il tema della prova in corso. Tempo a disposizione: 2h:00min. Valore indicativo di domande ed esercizi, voti parziali e voto finale: Esercizio 1 (3 punti) Esercizio 2 (5 punti) Esercizio 3 (4 punti) Esercizio 4 (2 punti) Esercizio 5 (2 punti) Voto finale: (16 punti) I NUMERI INDICANO I PUNTEGGI INDICATIVI.

2 Esercizio n. 1 Logica Digitale (3 punti) Sia dato un circuito sequenziale caratterizzato da: due ingressi: I1 e I2 una uscita: U due bistabili Master/ Slave di tipo D: (D1, Q1) e (D2, Q2), con Di ingresso del bistabile e Qi stato / uscita del bistabile Le funzioni di assegnamento di un nuovo valore ai bistabili e all uscita U sono: D1 = not ( I1 or I2 ) xor Q2 D2 = Q1 and ( Q2 or I2 ) U = Q1 xor not ( Q2 ) Si chiede di disegnare il circuito sopra descritto. Si chiede di completare il diagramma temporale riportato a pagina seguente. Si noti che: si devono trascurare completamente il ritardo delle porte e il ritardo di commutazione dei bistabili i bistabili sono di tipo master-slave, in cui l uscita commuta sul fronte di discesa del clock gli ingressi I1 e I2 possono variare dopo un fronte di discesa del clock, ma prima del fronte di salita ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 2 di 12

3 Diagramma temporale da completare D2 D1 1 0 I2 I1 Q2 Q1 U C ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 3 di 12

4 Soluzione D2 D1 I2 I1 Q2 Q1 U C ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 4 di 12

5 Esercizio n. 2 Assembler (5 punti) Si chiede di tradurre in linguaggio macchina simbolico (linguaggio assemblatore) M68000 la funzione f riportata qui sotto. Nel tradurre non si tenti di accorpare od ottimizzare insieme istruzioni C indipendenti. La memoria ha parole da 16 bit, indirizzi da 32 bit ed è indirizzabile per byte. Le variabili intere sono da 16 bit. Ulteriori specifiche al problema e le convenzioni da adottare nella traduzione sono le seguenti: i parametri di tutte le funzioni sono passati sulla pila in ordine inverso di elencazione; i valori restituiti dalle funzioni ai rispettivi chiamanti sono passati sulla pila, sovrascrivendo il primo dei parametri passati o nello spazio libero opportunamente lasciato; le variabili locali vengono impilate in ordine di elencazione; le funzioni devono sempre salvare i registri che utilizzano; la funzione g, il cui codice non è dettagliato, non ha parametri, restituisce un valore intero e ha 3 variabili locali intere var1, var2 e var3. Si chiede di: 1. riportare, nelle tabelle predisposte, il contenuto delle aree di attivazione delle funzioni g e f così come risultano subito dopo l esecuzione della relativa istruzione LINK presente nelle funzioni. In ciascuna area di attivazione si mostri anche dove puntano i registri SP e FP e quanto valgono gli spiazzamenti in byte degli elementi che costituiscono l area stessa. 2. derivare l albero sintattico dell espressione f(q, p-q, g()) + r ipotizzando che tutte le operazioni aritmetiche vengano effettuate con i valori nei registri. Effettuare la numerazione dei nodi dell albero utilizzando l algoritmo di visita noto e l allocazione dei registri necessari. 3. scrivere il codice in linguaggio assemblatore M68000 della funzione f coerente con le specifiche e con le risposte ai punti precedenti (il numero di righe non è significativo e le prime righe sono già date). Funzione in linguaggio C /* testata funzione g */ int g (void); /* testata funzione f */ int f (int p, int q, int r) { if (p >= q) return f(q, p-q, g()) + r; else return -1; } /* fine if */ } /* fine funzione f */ ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 5 di 12

6 AREA DI ATTIVAZIONE della funzione G (domanda 1) STACK SP Var3-6 Var2-4 Var1-2 FP FP precedente indirizzo di ritorno cella già piena cella già piena AREA DI ATTIVAZIONE della funzione F (domanda 1) STACK FP, SP FP precedente indirizzo di ritorno +4 P +8 Q +10 R +12 cella già piena cella già piena ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 6 di 12

7 ALBERO SINTATTICO dell espressione (domanda 2) f(q, p-q, g()) + r ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 7 di 12

8 CODICE IN LINGUAGGIO ASSEMBLATORE M68000 della funzione f (domanda 3) Codifica in linguaggio macchina M68000 F: LINK FP, #0 MOVEM D0-D7, -(SP) P: EQU +8 Q: EQU +10 R: EQU +12 MOVE P(FP), D6 MOVE Q(FP), D7 CMP D6, D7 BLT ELSE THEN: ADDA #-2, SP (1)SPAZIO PER VAL. REST. DA G BSR G (2 MOVE (SP)+, D0 (3 POP V.REST DI G MOVE D0, -(SP) (4 PUSH 3 PARAMETRO DI F MOVE Q(FP), D1 (5 MOVE P(FP), D2 (6 SUB D1, D2 (7 MOVE D2, -(SP) (8 PUSH 2 PARAMETRO DI F MOVE Q(FP), D3 (9 MOVE D3, -(SP) (10 PUSH 1 PARAMETRO DI F BSR F (11) ADDA #4, SP (11 BIS) MOVE (SP)+, D4 (12) POP V. REST DA F MOVE R(FP), D5 (13 ADD D4,D5 (14) MOVE D5, R(FP) (15 PREDISPOSIZIONE V. REST DA F BRA FINE_IF ELSE: MOVE #-1, R(FP) PREDISPOSIZIONE V. REST DA F FINE_IF: MOVEM (SP)+, D0-D7 UNLINK FP RTS ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 8 di 12

9 Esercizio 3 Microarchitettura (4 punti) Lo schema riportato qui a destra illustra l architettura di processore a bus singolo di riferimento. Si consideri l istruzione seguente del processore M68000: LINK FP, #num linee di indirizzo 32 bit PC MAR bus interno del processore 32 bit ordini decodificatore di istruzioni e circuito di controllo il cui significato è noto. L argomento num indica il numero di byte che si vogliono riservare per le variabili locali. bus di memoria linee di dato MDR IR La costante num è 0 e occupa una parola da 4 byte, pertanto l ingombro complessivo dell istruzione è di due parole da 32 bit (una parola di codice operativo e una parola aggiuntiva per la costante). Il registro FP è uno dei registri generali dell architettura e può essere indicato direttamente col nome FP nella sequenza di controllo (comandi FP in e FP out.) Il comando sub della ALU esegue l operazione B A. linee di comando della ALU select add sub and costante 4 MUX A V ALU R Z B riporto in ingresso R 0 Rn 1 SP TEMP 32 bit Si supponga che l unità di controllo sia di tipo cablato 1) Si scriva la sequenza di passi di controllo dell istruzione LINK illustrata sopra Nello scrivere la sequenza di controllo richiesta, si cerchi di ottimizzarla (nei limiti del possibile) in modo da assorbire i irtardi di memoria svolgendo attività utili durante l esecuzione degli accessi a memoria. Si tenga presente che durante l esecuzione di un operazione di memoria non possono essere modificati i registri MAR e MDR. ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 9 di 12

10 SI COMPILI LA TABELLA SEGUENTE (il numero di righe non è significativo) Passo Ordini Descrizione RTL 1 PC out, MAR in, read, select 4, add, Z in 2 Z out, PC in, V in, WMFC 3 MDR out, IR in 4 PC out, MAR in, read, select 4, add, Z in 5 Z out, PC in, 6 SP out, sel4, sub, Z in, WMFC 7 MDR out, V in 8 Z out, SP in, MAR in 9 FP out, MDR in, write, 10 SP out, selv, add, Z in, FP in 11 Z out, SP in, WMFC, end ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 10 di 12

11 ESERCIZIO 4 - Logica Combinatoria (2 punti) Si vuole realizzare un circuito combinatorio a quattro ingressi (a, b, c, d) e un uscita F, caratterizzato dai seguenti mintermini (0, 2, 6, 7, 12, 13, 15). Si chiede di svolgere i punti seguenti: (a) Si scriva la prima forma canonica di F: F(a, b, c, d) =!a!b!c!d +!a!b c!d +!a b c!d +!a b c d+ a b!c!d + a b!c d + a b c d _ (b) Si semplifichi la funzione F mediante il metodo delle mappe di Karnaugh e se ne scriva l equazione minima in termini di somma di prodotti. Qualora esistano più equazioni minime le si indichino tutte. Si disegni anche la mappa mettendo in evidenza gli implicanti utilizzati per le equazioni minime (il numero di righe date sotto non è significativo): F(a, b, c, d) =!a!b!d + a b!c +!a b c + a b d F(a, b, c, d) =!a!b!d + a b!c +!a c!d + b c d F(a, b, c, d) =!a!b!d + a b!c +!a b c + b c d Ci sono tre forme di costo minimo. a b / c d ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 11 di 12

12 ESERCIZIO 5 Memoria Cache (2 punti) Si consideri una gerarchia di memoria composta dalla memoria centrale di 4 GigaByte indirizzabile a byte con parole da 32 bit, una memoria cache istruzioni e una memoria cache dati da 1 MegaByte ciascuna, entrambe a indirizzamento diretto (direct mapped) con blocchi da 512 Byte. Il tempo di accesso alle cache è pari a 1 ciclo di clock. Il tempo di accesso alla memoria centrale è pari a 25 cicli di clock per la prima parola e 5 cicli di clock per le parole a indirizzi successivi (memoria interallacciata). 1. Indicare la struttura degli indirizzi di memoria per le memorie cache 2. Calcolare il tempo necessario per caricare un blocco in caso di fallimento (miss time) 3. Calcolare il tempo medio di accesso ad un blocco in memoria di un programma in cui in media il 25% delle istruzioni eseguite richiede un accesso in lettura o scrittura a un dato. Il miss rate (frequenza di fallimento) della cache istruzioni è pari al 2% mentre per la cache dati è del 10%. Soluzioni 1. Indirizzo di memoria 32 bit 9 bit per byte nel blocco 11 bit per blocco in cache 12 bit etichetta 2. N. parole per blocco = 512/4 = 128 parole Tempo medio per caricare un blocco = x127 = 661 cicli di clock 3. T medio di accesso alla memoria = 100/125 T medio istruzioni + 25/125 T medio dati T medio istruzioni = 0.98x x 661 = 14.2 cicli di clock T medio dati = 0.9 x = 67 cicli di clock T medio di accesso alla memoria = 0.8 x x 67 = = cicli di clock ACSO prova di venerdì 5 febbraio 2010 CON SOLUZIONI pagina 12 di 12