Architettura degli elaboratori Tema d esame del 20/01/2016

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1 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 Università degli Studi dell Insubria Dipartimento di Informatica e Comunicazione Architettura degli elaboratori Tema d esame del //6 Luigi Lavazza Dipartimento di Scienze Teoriche e Applicate luigi.lavazza@uninsubria.it Esercizio x y u v f Si consideri la tavola delle verità qui a fianco. Domanda A. Disegnare un circuito che realizza la funzione, minimizzando il numero di porte utilizzate. NB: si possono usare solo porte and e or a due ingressi e porte not. Domanda B. Se le porte a due ingressi introducono un ritardo di 4 ns e quelle a un ingresso un ritardo di ns, si calcoli il ritardo complessivo del circuito fornito come risposta alla domanda A. Domanda C. Realizzare il circuito usando esclusivamente porte NAND. Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza - - Esame del 4 settembre Esame del gennaio 6

2 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 Esercizio domanda A (SoP) x y u v f xy uv f = x/v + /yv Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza - - Esame del 4 settembre Esercizio domanda A (PoS) x y u v f xy uv f = (x + v) (/y + /v) Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del 4 settembre Esame del gennaio 6

3 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 f = x/v + /yv Esercizio domanda B + ns. +6 ns. + ns. x y u v Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del 4 settembre Esercizio domanda C f = x/v + /yv = / ( /(x/v) /(/yv) ) = nand ( nand(x,/v), nand(/y,v)) /v e /y si realizzano a loro volta come nand(v,v) e nand(y,y) x y u v f Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del 4 settembre Esame del gennaio 6

4 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 Esercizio Si desidera un circuito sequenziale avente le seguenti caratteristiche: Il circuito è un contatore modulo 8; L uscita Z (tre bit) indica lo stato del contatore (codificato in binario puro). Cioè ad es. se il conteggio corrente vale 5 l uscita vale <,,>. Domanda A Disegnare il circuito Domanda B Dotare il circuito di un ingresso di N da tre bit. Se sul fronte di discesa il valore di N è uguale allo stato, lo stato viene posto a zero. Si progetti il circuito, tenendo conto che: non ci sono vincoli sulla rappresentazione dello stato: può essere rappresentato esplicitamente o codificato; non è richiesto di minimizzare il costo del circuito, anche se evidenti diseconomie saranno penalizzate; il circuito impiega bistabili D con commutazione sul fronte di discesa; si possono usare circuiti di libreria e non è necessario disegnare i circuiti delle reti combinatorie banali presenti nel circuito. Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del 4 settembre Esercizio soluzione domanda A Conviene usare lo stato codificato, così l uscita è uguale allo stato inc Cont D Q Z clock L incementatore è banalmente un sommatore in cui un operando è zero e il carry in è. Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del 4 settembre Esame del gennaio 6 4

5 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 Esercizio soluzione domanda B N = Stato = N? inc Cont D Q Z clock Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del 4 settembre Esercizio Si consideri il seguente il circuito avente un ingresso N tre bit ciascuno, un ingresso da un bit S, e un uscita U da un bit. N N DEC 4 N U S Si dica quale funzione calcola il circuito. Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza - - Esame del 4 settembre Esame del gennaio 6 5

6 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 Esercizio - soluzione Ci sono vari modi per analizzare e descrivere la funzione. Un modo consiste nello scrivere la tabella delle verità e compilare ogni riga interpretando le funzioni svolte dal circuito. Alternativamente, si può osservare quanto segue N N DEC 4 N se N =,, o 4 U S se N =, 5, 6 o 7 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza - - Esame del 4 settembre Esercizio - soluzione Quando N vale,, o 4, cioè quando la configurazione di bit in ingresso comprende al più un uno (quindi due o più zeri). Quando N vale, 5, 6 o 7, cioè quando la configurazione di bit in ingresso comprende almeno due uni (quindi al più uno zero). Quindi il circuito calcola la funzione maggioranza (cioè l uscita riporta il valore presente in maggioranza sugli ingressi) quando S =, e la funzione minoranza quando S=. Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza - - Esame del 4 settembre Esame del gennaio 6 6

7 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 Esercizio 4 Si supponga di avere a disposizione il datapath mostrato sopra (è quello visto a lezione), avente: una ALU con le funzioni: Add (R = A+B), Sub (R = B A), Pass (R=B) condition code generati e usabili per salti condizionati nel microcodice: c (carry), z (zero), n (negativo) Si scriva un microprogramma che realizza l operazione DecMem Rs Rt avente opcode = 44 e che ha l effetto di decrementare il contenuto della parola di memoria il cui indirizzo è contenuto in Rs della quantità contenuta in Rt. Cioè Mem[Rs] Mem[Rs]-Rt Ad es. se all indirizzo di memoria 48 è contenuto il valore 57, l istruzione DecMem Rs Rt quando Rs contiene 48 e Rt contiene 8 ha l effetto di scrivere il valore 9 nella parola di memoria di indirizzo 48. Si richiede di scrivere anche il microcodice della fase di fetch. Si cerchi di minimizzare la lunghezza del microcodice. Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza - - Esame del 4 settembre Esercizio 4 Addr Data 4 select MUX PC MAR MDR PCin PCout MARin MDRin MDRout V Vin CPU BUS SignExtout ZExtout Extender IR IRin ALUctrl A B ALU R Zin Z Zout Ri_in Ri_out Temp_in Temp_out Reg. file R..R n Temp Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del 4 settembre Esame del gennaio 6 7

8 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 Esercizio 4 soluzione Passo Microcodice Commento PCout, MARin, read, select 4, add, Zin Zout, PCin, Vin, WMFC MDRout, IRin, goto op_code 44 Rsout, MARin, read Chiede lettura di MEM[Rs] 45 Rtout, Vin, WMFC V Rt 46 MDRout, SelectV, sub, Zin Z MDR V = MEM[Rs]-Rt 47 Zout, MDRin, write, WMFC Chiede scrittura di Z (MEM[Rs]-Rt) in MEM[Rs) 48 Goto Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del 4 settembre Esercizio 5 Si consideri il sistema di memoria + cache set-associativa a vie seguente: memoria di lavoro di 4 KByte, indirizzata a livello di singolo byte; cache di 5 Byte; ogni blocco della cache contiene 8 Byte. Considerando la sequenza di richieste alla memoria riportata qui sotto, si chiede di completare la tabella che illustra il comportamento della cache nel rispetto delle indicazioni seguenti: Nella colonna esito riportare H (hit) se il blocco richiesto si trova nella cache, M (miss) se invece il blocco deve essere caricato dalla memoria. Nelle colonne dati deve essere riportato il numero del blocco della memoria che si trova nel corrispondente blocco della cache. Nella colonna azione deve essere indicato il blocco cui si accede (in caso di successo, H) o il blocco in cui vengono caricati i dati della memoria (in caso di fallimento, M). I blocchi A e B appartengono all insieme (o riga) e i blocchi C e D all insieme (o riga). La politica di sostituzione adottata nella cache è la LRU (Least Recently Used). NB: quando il contenuto di un blocco non cambia da un passo all altro non è necessario trascriverlo, basta indicare =. Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del gennaio Esame del gennaio 6 8

9 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 Esercizio 5 - soluzione Passo Indirizzo richiesto Esito Blocco A Blocco B Blocco C Blocco D Azione Situazione iniziale Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del gennaio Esercizio 5 - soluzione Mem da 4K richiede bit di indirizzamento Numero blocchi in cache: 5/8 = 4 Numero righe cache = 4 blocchi / blocchi per riga = righe, indirizzabili con un bit Dimensione blocco = 8 Byte, quidi occorrono 7 bit per indirizzare un Byte nel blocco. Per il tag restano -(+7) = 4 bit indirizzo: bit Tag: 4 bit Spiazzamento Byte: 7 bit Indice riga: bit Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del gennaio Esame del gennaio 6 9

10 Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza A.A. 5/6 Esercizio 5 - soluzione Passo Indirizzo richiesto Esito Blocco A Blocco B Blocco C Blocco D Azione Indice di riga Situazione iniziale M Carico il blocco in C H Accedo al blocco in D H Accedo al blocco in C 4 H = = = Accedo al blocco in A 5 M Carico il blocco in B 6 M Carico il blocco in D Architettura degli elaboratori - Luigi Lavazza Esame del gennaio Esame del gennaio 6