Βασικά Θέματα Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών — Σεπτέμβριος 2020

Μεταγραφή από τα αρχεία της συνεδρίας (χωρίς λύσεις). Όπου το κείμενο δεν διαβάζεται, σημειώνεται [δυσανάγνωστο].

themataseptemvriou2020.pdf

Ερώτηση 2 / 2 (Σωστό / Λάθος — 0.50 βαθμοί)

Σωστή απάντηση 0.5 \\\\\\ Λάθος απάντηση -0.3 \\\\\\ Η αρνητική βαθμολογία μεταφέρεται εκτός της άσκησης. Σε ένα επεξεργαστή (μη υπερβαθμωτό) που βασίζεται στη χρήση καταχωρητών γενικού σκοπού με εντολές καταχωρητή-καταχωρητή με τρία τελούμενα, οι καταχωρητές γενικού σκοπού (register file) έχουν μόνο: Δύο πόρτες ανάγνωσης και δύο πόρτες εγγραφής.

• [ ] Σωστό
• [ ] Λάθος

Ερώτηση 1 / 1 (Συμπλήρωση Κενών (Χαλαρή Ταυτοποίηση) — 2 βαθμοί)

Θεωρήστε ένα υπολογιστή με επεξεργαστή του οποίου η περίοδος του σήματος χρονισμού είναι 5 nsec, που, εκτός των άλλων, χρησιμοποιείται για να ελέγχει τη λειτουργία 864 μονάδων ενός εργοστασίου. Για τον έλεγχο της κατάστασης μιας μονάδας εισ/εξ απαιτούνται 612 κύκλοι ρολογιού ενώ στις περιπτώσεις που απαιτείται εξυπηρέτηση, απαιτούνται και άλλοι 1836 κύκλοι ρολογιού ανά εξυπηρέτηση.

Οι μονάδες εισ/εξ έχουν μοιραστεί σε 27 ομάδες των 32 μονάδων εισ/εξ η κάθε μία. Οι μονάδες εισ/εξ έχουν τη δυνατότητα αποστολής και η ΚΜΕ τη δυνατότητα εξυπηρέτησης σημάτων διακοπής. Όλες οι μονάδες εισ/εξ μιας ομάδας στέλνουν σήμα διακοπής στην ΚΜΕ μέσω μιας κοινής γραμμής. Κάθε ομάδα χρησιμοποιεί διαφορετική γραμμή. Η ΚΜΕ προσδιορίζει την μονάδα εισ/εξ που απαιτεί εξυπηρέτηση διαβάζοντας την αντίστοιχη σημαία του καταχωρητή κατάστασης του ελεγκτή της μονάδας εισ/εξ. Όλες οι ομάδες μονάδων εισ/εξ έχουν μεταξύ τους την ίδια προτεραιότητα, ενώ σε κάθε ομάδα οι μονάδες εισ/εξ είναι διατεταγμένες ανά προτεραιότητα. Η εξυπηρέτηση μιας μονάδας εισ/εξ δεν διακόπτεται για την εξυπηρέτηση μιας μονάδας εισ/εξ μεγαλύτερης προτεραιότητας.

Σημείωση: Το άθροισμα των \(\nu\) πρώτων όρων μιας αριθμητικής προόδου, δίνεται από τη σχέση \(\Sigma_\nu = [(\alpha_1 + \alpha_\nu)\nu]/2\), όπου \(\alpha_1\) είναι ο πρώτος όρος και \(\alpha_\nu\) ο τελευταίος.

Α. Να υπολογίσετε σε nsec το μικρότερο χρόνο που είναι δυνατόν να απαιτηθεί για την ολοκλήρωση της εξυπηρέτησης μιας μονάδας εισ/εξ, και να δώσετε μόνο την τιμή του χωρίς τη μονάδα μέτρησης και χωρίς τελείες ή κόμμα. [_____]

Β. Θεωρήστε ότι όταν ζήτησε εξυπηρέτηση μια μονάδα εισ/εξ δεν υπήρχε άλλη εξυπηρέτηση σε εξέλιξη.

Β.1. Να υπολογίσετε σε nsec το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα που είναι δυνατόν να απαιτηθεί για την ολοκλήρωση της εξυπηρέτησης μιας μονάδας εισ/εξ, και να δώσετε μόνο την τιμή του χωρίς τη μονάδα μέτρησης και χωρίς τελείες ή κόμμα. [_____]

Β.2. Εάν όλες οι μονάδες εισ/εξ έχουν την ίδια πιθανότητα να ζητήσουν εξυπηρέτηση να υπολογίσετε σε nsec το μέσο χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση της εξυπηρέτησης μιας απαίτησης εισ/εξ, και να δώσετε μόνο την τιμή του χωρίς τη μονάδα μέτρησης και χωρίς τελείες ή κόμμα. [_____]

Σωστή απάντηση 0.5 \\\\\\ Λάθος απάντηση -0.3 \\\\\\ Η αρνητική βαθμολογία μεταφέρεται εκτός της άσκησης. Σε ένα επεξεργαστή (μη υπερβαθμωτό) που βασίζεται στη χρήση καταχωρητών γενικού σκοπού με εντολές καταχωρητή-καταχωρητή με τρία τελούμενα, οι καταχωρητές γενικού σκοπού (register file) έχουν μόνο: Τρεις πόρτες ανάγνωσης και μια εγγραφής

• [ ] Σωστό
• [ ] Λάθος

Έχετε στη διάθεση σας ολοκληρωμένα κυκλώματα μνήμης ΟΚ0 με χωρητικότητα 256 Kbits και οργάνωση οκτώ δυαδικών ψηφίων ανά θέση μνήμης καθώς και ολοκληρωμένα κυκλώματα ΟΚ2 με χωρητικότητα 16Kbytes και οργάνωση δύο δυαδικών ψηφίων ανά θέση.

Πόσα ολοκληρωμένα κυκλώματα τύπου ΟΚ0 και πόσα τύπου ΟΚ2 χρειάζεστε για να σχεδιάσετε ένα σύστημα μνήμης με χωρητικότητα 160Kbytes και 10 bits ανά θέση; Να δώσετε το αποτέλεσμα ως δύο διψήφιους αριθμούς που χωρίζονται με το σύμβολο + πχ. 01+11 το οποίο σημαίνει 4 τύπου ΟΚ0 και 12 τύπου ΟΚ2. [_____]

Σωστή απάντηση 0.5 \\\\\\ Λάθος απάντηση -0.3 \\\\\\ Η αρνητική βαθμολογία μεταφέρεται εκτός της άσκησης. Σε ένα επεξεργαστή (μη υπερβαθμωτό) που βασίζεται στη χρήση καταχωρητών γενικού σκοπού με εντολές καταχωρητή-καταχωρητή με δύο τελούμενα, οι καταχωρητές γενικού σκοπού (register file) έχουν μόνο: Δύο πόρτες ανάγνωσης και δύο εγγραφής.

• [ ] Σωστό
• [ ] Λάθος

Ερώτηση 1 / 1 (Συμπλήρωση Κενών (Χαλαρή Ταυτοποίηση) — 2 βαθμοί)

Θεωρήστε υπολογιστή ο οποίος διαθέτει 56 εντολές σε επίπεδο γλώσσας μηχανής, 60 καταχωρητές των 18 δυαδικών ψηφίων ο καθένας, κύρια μνήμη με 3 δυαδικά ψηφία ανά θέση μνήμης, και εύρος αρτηρίας δεδομένων 9δυαδικών ψηφίων. Θεωρήστε ότι το σύστημα της κύριας μνήμης έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να είναι δυνατή η ταυτόχρονη προσπέλαση (για ανάγνωση ή εγγραφή) τόσων διαδοχικών θέσεων μνήμης όσων επιτρέπει το εύρος της αρτηρίας δεδομένων. Για καθεμία από τις ακόλουθες εντολές να δώσετε το πλήθος των θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή (ένα αριθμό) και το πλήθος προσπελάσεων (ένα αριθμό) που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση κάθε εντολής.

1. LOAD1m R1, (R2) / έμμεσος (indirect) τρόπος διευθυνσιοδότησης με χρήση καταχωρητή και προσκόμιση του περιεχομένου 1 θέσης μνήμης

Πλήθος θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή: [] Πλήθος προσπελάσεων που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση της εντολής: []

1. LOAD3m R1, (R2) / έμμεσος (indirect) τρόπος διευθυνσιοδότησης με χρήση καταχωρητή και προσκόμιση του περιεχομένου 3 θέσεων μνήμης

Πλήθος θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή: [] Πλήθος προσπελάσεων που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση της εντολής: []

1. ADD R3, R1 / R3 <-- R3 + R1

Πλήθος θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή: [] Πλήθος προσπελάσεων που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση της εντολής: []

1. LOAD1m R1, $X / κατ' ευθείαν (direct) τρόπος διευθυνσιοδότησης, το X είναι αριθμός των 16 δυαδικών ψηφίων και προσκόμιση του περιεχομένου 1 θέσης μνήμης

Πλήθος θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή: [] Πλήθος προσπελάσεων που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση της εντολής: []

Ερώτηση 1 / 1 (Συμπλήρωση Κενών (Χαλαρή Ταυτοποίηση) — 2 βαθμοί)

Έχετε στη διάθεση σας ολοκληρωμένα κυκλώματα μνήμης ΟΚ0 με χωρητικότητα 1Mbits και οργάνωση οκτώ δυαδικών ψηφίων ανά θέση μνήμης καθώς και ολοκληρωμένα κυκλώματα ΟΚ2 με χωρητικότητα 256Kbytes και οργάνωση δύο δυαδικών ψηφίων ανά θέση.

Πόσα ολοκληρωμένα κυκλώματα τύπου ΟΚ0 και πόσα τύπου ΟΚ2 χρειάζεστε για να σχεδιάσετε ένα σύστημα μνήμης με χωρητικότητα 9Mbytes και 18 bits ανά θέση; Να δώσετε το αποτέλεσμα ως δύο διψήφιους αριθμούς που χωρίζονται με το σύμβολο + πχ. 01+12 το οποίο σημαίνει 4 τύπου ΟΚ0 και 12 τύπου ΟΚ2. [_____]

Θεωρήστε υπολογιστή του οποίου ο επεξεργαστής έχει 16 καταχωρητές των 32 δυαδικών ψηφίων ο καθένας και κύρια μνήμη με οργάνωση 8 δυαδικών ψηφίων ανά θέση μνήμης. Το τρέχον περιεχόμενο της μνήμης δίνεται στο σχήμα. Οι προσημασμένοι αριθμοί είναι σε αναπαράσταση συμπληρώματος ως προς 2. Μισή λέξη: 16 δυαδικά ψηφία Για κάθε μια των κάτωθι περιπτώσεων να δώσετε το περιεχόμενο του καταχωρητή μετά την εκτέλεση της εντολής στο δεκαεξαδικό χρησιμοποιώντας κεφαλαίους χαρακτήρες. Προσοχή να μην παρεμβάλλονται κενά ή άλλα σύμβολα.

κύρια μνήμη διεύθυνση θέσης μνήμης στο δεκαεξαδικό	κύρια μνήμη περιεχόμενο θέσης μνήμης στο δεκαεξαδικό	κύρια μνήμη διεύθυνση θέσης μνήμης στο δεκαεξαδικό	κύρια μνήμη περιεχόμενο θέσης μνήμης στο δεκαεξαδικό
110	87	227	98
111	13	228	FA
112	E1	229	19
113	73	22A	FE
114	94	22B	A2
115	5F	22C	41
116	A0	22D	F3
117	16	22E	64
118	C1	22F	85
119	56	230	1F
11A	85	231	AE
11B	32	232	68
11C	AE	233	8A
11D	4C	234	1B
11E	F0	235	98
11F	64	236	5C
120	89	237	A1
121	1A	238	1D
122	A0	239	C3
123	65	23A	58
124	8F	23B	89
125	10	23C	37
126	92	23D	97
127	34	23E	13
128	B3	23F	E5
129	32	240	63
12A	F1	241	9A
12B	20	242	5C
12C	F4	243	AD
12D	F3	244	46
12E	78	245	95

Α. Απεικόνιση αντιστρόφως ανάλογη του μεγέθους (big endian) LOADSHW R1, 119 //Φόρτωσε προσημασμένη μισή λέξη, χρησιμοποιείται ο κατ' ευθείαν τρόπος διευθυνσιοδότησης (direct addressing mode) R1=[_____]

Β. Απεικόνιση ανάλογη του μεγέθους (little endian) LOADSHW R2, 234 //Φόρτωσε προσημασμένη μισή λέξη, χρησιμοποιείται ο κατ' ευθείαν τρόπος διευθυνσιοδότησης (direct addressing mode) R2=[_____]

Θεωρήστε υπολογιστή του οποίου ο επεξεργαστής έχει 16 καταχωρητές των 32 δυαδικών ψηφίων ο καθένας και κύρια μνήμη με οργάνωση 8 δυαδικών ψηφίων ανά θέση μνήμης. Το τρέχον περιεχόμενο της μνήμης δίνεται στο σχήμα. Οι προσημασμένοι αριθμοί είναι σε αναπαράσταση συμπληρώματος ως προς 2. Μισή λέξη: 16 δυαδικά ψηφία Για κάθε μια των κάτωθι περιπτώσεων να δώσετε το περιεχόμενο του καταχωρητή μετά την εκτέλεση της εντολής στο δεκαεξαδικό χρησιμοποιώντας κεφαλαίους χαρακτήρες. Προσοχή να μην παρεμβάλλονται κενά ή άλλα σύμβολα.

κύρια μνήμη διεύθυνση θέσης μνήμης στο δεκαεξαδικό	κύρια μνήμη περιεχόμενο θέσης μνήμης στο δεκαεξαδικό	κύρια μνήμη διεύθυνση θέσης μνήμης στο δεκαεξαδικό	κύρια μνήμη περιεχόμενο θέσης μνήμης στο δεκαεξαδικό
110	87	227	98
111	13	228	FA
112	E1	229	19
113	73	22A	FE
114	94	22B	A2
115	5F	22C	41
116	A0	22D	F3
117	16	22E	64
118	C1	22F	85
119	56	230	1F
11A	85	231	AE
11B	32	232	68
11C	AE	233	8A
11D	4C	234	1B
11E	F0	235	98
11F	64	236	5C
120	89	237	A1
121	1A	238	1D
122	A0	239	C3
123	65	23A	58
124	8F	23B	89
125	10	23C	37
126	92	23D	97
127	34	23E	13
128	B3	23F	E5
129	32	240	63
12A	F1	241	9A
12B	20	242	5C
12C	F4	243	AD
12D	F3	244	46
12E	78	245	95

Απεικόνιση αντιστρόφως ανάλογη του μεγέθους (big endian) LOADSHW R1, 113 //Φόρτωσε προσημασμένη μισή λέξη, χρησιμοποιείται ο κατ' ευθείαν τρόπος διευθυνσιοδότησης (direct addressing mode) R1=[_____]

Απεικόνιση ανάλογη του μεγέθους (little endian) LOADSHW R2, 22E //Φόρτωσε προσημασμένη μισή λέξη, χρησιμοποιείται ο κατ' ευθείαν τρόπος διευθυνσιοδότησης (direct addressing mode) R2=[_____]

Ερώτηση 1 (Σωστό / Λάθος — 0.50 βαθμοί)

Η εντολή «LOAD A», όπου το A είναι διεύθυνση θέσης μνήμης, μπορεί να ανήκει στο σύνολο εντολών σε επίπεδο συμβολικής γλώσσας ενός επεξεργαστή με αρχιτεκτονική που βασίζεται στη χρήση καταχωρητών γενικού σκοπού με εντολές καταχωρητή-καταχωρητή με τρία τελούμενα.

Σωστή απάντηση 0.5 Λάθος απάντηση -0.3 Η αρνητική βαθμολογία μεταφέρεται εκτός της άσκησης.

• [ ] Σωστό
• [ ] Λάθος

Ερώτηση 2 (Σωστό / Λάθος — 0.50 βαθμοί)

Η εντολή «LOAD R1, [R2]» μπορεί να ανήκει στο σύνολο εντολών σε επίπεδο συμβολικής γλώσσας ενός επεξεργαστή με αρχιτεκτονική που βασίζεται στη χρήση καταχωρητών γενικού σκοπού με εντολές καταχωρητή-μνήμης με τρία τελούμενα.

Σωστή απάντηση 0.5 Λάθος απάντηση -0.3 Η αρνητική βαθμολογία μεταφέρεται εκτός της άσκησης.

• [ ] Σωστό
• [ ] Λάθος

Θεωρήστε υπολογιστή ο οποίος διαθέτει 205 εντολές σε επίπεδο γλώσσας μηχανής, 20 καταχωρητές των 42 δυαδικών ψηφίων ο καθένας, κύρια μνήμη με 14 δυαδικά ψηφία ανά θέση μνήμης, και εύρος αρτηρίας δεδομένων 14δυαδικών ψηφίων. Θεωρήστε ότι το σύστημα της κύριας μνήμης έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να είναι δυνατή η ταυτόχρονη προσπέλαση (για ανάγνωση ή εγγραφή) τόσων διαδοχικών θέσεων μνήμης όσων επιτρέπει το εύρος της αρτηρίας δεδομένων. Για καθεμία από τις ακόλουθες εντολές να δώσετε το πλήθος των θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή (ένα αριθμό) και το πλήθος προσπελάσεων (ένα αριθμό) που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση κάθε εντολής.

1. LOAD1m R1, (R2) / έμμεσος (indirect) τρόπος διευθυνσιοδότησης με χρήση καταχωρητή και προσκόμιση του περιεχομένου 1 θέσης μνήμης

Πλήθος θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή: [] Πλήθος προσπελάσεων που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση της εντολής: []

1. LOAD3m R1, (R2) / έμμεσος (indirect) τρόπος διευθυνσιοδότησης με χρήση καταχωρητή και προσκόμιση του περιεχομένου 3 θέσεων μνήμης

Πλήθος θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή: [] Πλήθος προσπελάσεων που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση της εντολής: []

1. ADD R3, R1 / R3 <-- R3 + R1

Πλήθος θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή: [] Πλήθος προσπελάσεων που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση της εντολής: []

1. LOAD1m R1, $X / κατ' ευθείαν (direct) τρόπος διευθυνσιοδότησης, το X είναι αριθμός των 16 δυαδικών ψηφίων και προσκόμιση του περιεχομένου 1 θέσης μνήμης

Πλήθος θέσεων μνήμης που καταλαμβάνει η εντολή: [] Πλήθος προσπελάσεων που απαιτούνται για την προσκόμιση και την εκτέλεση της εντολής: []

Ερώτηση 1 / 2 (Σωστό / Λάθος — 0.50 βαθμοί)

Σωστή απάντηση 0.5 \\\\\\ Λάθος απάντηση -0.3 \\\\\\ Η αρνητική βαθμολογία μεταφέρεται εκτός της άσκησης. Σε ένα επεξεργαστή (μη υπερβαθμωτό) που βασίζεται στη χρήση καταχωρητών γενικού σκοπού με εντολές καταχωρητή-καταχωρητή με τρία τελούμενα, οι καταχωρητές γενικού σκοπού (register file) έχουν μόνο: Τρεις πόρτες ανάγνωσης.

• [ ] Σωστό
• [ ] Λάθος

Λύσεις (🟡 community)

Κατάσταση: 🟡 community Πηγή: φωτογραφία λύσης του θέματος ΟΚ0/ΟΚ2 (themasept.PNG, προέλευση μη επιβεβαιωμένη)

Προσοχή

Η φωτογραφία αντιστοιχεί στο ερώτημα με 256 Kbits ΟΚ0 της εξέτασης Σεπτεμβρίου 2020· η προέλευση της λύσης δεν είναι γνωστή, γι' αυτό community. Η φωτογραφία δείχνει ΟΚ2 με χωρητικότητα 32Kbytes, ενώ το αντίστοιχο ερώτημα στο themataseptemvriou2020.pdf (σελίδα 4) έχει ΟΚ2 με 16Kbytes· η λύση αφορά άλλη παραλλαγή των αριθμών και δεν ισχύει αυτούσια για τη μεταγραφή της συνεδρίας. Το αρχείο themasept.PNG δεν αναφέρεται στα sources της συνεδρίας· πρέπει να προστεθεί ή να μείνει ως πρόσθετη πηγή. Οι πράξεις είναι συνεπείς: 256 Kbits / 8 bits = 2^15 θέσεις, και 32 KB × 8 bits / 2 bits = 2^17 θέσεις· άρα τα δύο ΟΚ δεν έχουν ίσο πλήθος θέσεων, όπως γράφει η λύση.

Λύσεις — Βασικά Θέματα Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών — Σεπτέμβριος 2020

themasept.PNG

Ερώτηση 1 / 1 (Συμπλήρωση Κενών (Χαλαρή Ταυτοποίηση) – 2 βαθμοί)

Έχετε στη διάθεση σας ολοκληρωμένα κυκλώματα μνήμης ΟΚ0 με χωρητικότητα 256 Kbits και οργάνωση οκτώ δυαδικών ψηφίων ανά θέση μνήμης καθώς και ολοκληρωμένα κυκλώματα ΟΚ2 με χωρητικότητα 32Kbytes και οργάνωση δύο δυαδικών ψηφίων ανά θέση. Πόσα ολοκληρωμένα κυκλώματα τύπου ΟΚ0 και πόσα τύπου ΟΚ2 χρειάζεστε για να σχεδιάσετε ένα σύστημα μνήμης με χωρητικότητα 160Kbytes και 10 bits ανά θέση; Να δώσετε το αποτέλεσμα ως δύο διψήφιους αριθμούς που χωρίζονται με το σύμβολο + πχ. 01+12 το οποίο σημαίνει 4 τύπου ΟΚ0 και 12 τύπου ΟΚ2. [_______]

Λύση

ΟΚ0 1 θ.μ. 8 bits x; 256Kbits \(x = 2^8 \times 2^{10} / 2^3 = 2^{15}\) θ.μ.

ΟΚ2 1 θ.μ. 2 bits x 32KB \(x = 2^5 \times 2^{10} \times 2^3 / 2^1 = 2^{18} / 2^1 = 2^{17}\) θ.μ.

Τώρα που τα δύο είδη των ΟΚΜ που διαθέτουμε, δεν έχουν το ίδιο πλήθος θ.μ. δεν μπορούν να συνδεθούν παράλληλα.

Κύρια μνήμη 1 θ.μ. 10 bits x 160KB \(x = 160 \times 2^{10} \times 2^3 / 10 = 2^{17}\) θ.μ.

Πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μόνο το ΟΚ2.

Οριζόντια επανάληψη: 5 (2 bits + 2 bits + 2 bits + 2 bits + 2 bits) Κατακόρυφη επανάληψη: \(\frac{\text{θ.μ. που θέλουμε να έχουμε}}{\text{θ.μ. που διαθέτουμε από τα } OKM} = \frac{2^{17}\ \text{θ.μ.}}{2^{17}\ \text{θ.μ.}} = 1\ \text{επανάληψη}\)

[Σχήμα: Διάταξη 5 πορτοκαλί κυκλωμάτων OK2 σε μία σειρά:] [OK2] [OK2] [OK2] [OK2] [OK2]

Επομένως χρειαζόμαστε 5 OK2 -> 00+05

✔ Επιβεβαίωσε · ✖ Βρήκα λάθος

---

✖ Βρήκα λάθος στη μεταγραφή