Exercícios Organização de computadores

UFJF / ICE / DCC  Organização de Computadores – Prof. Mare!o "o#oso $uest%es anteriores de pro&as atendendo ndo à recorr recorrent ente e solici solicitaç tação ão dos alunos alunos,, prepare prepareii o materi material al abaixo abaixo,,  '&iso importante: atende composto não só pelas questões de provas anteriores, como também um esboço de sua resolução. Contudo, como resolvi um enorme volume de questões em um curto intervalo de tempo, posso ter  cometido equívocos na sua resolução e digitação. Assim, em caso de dvida quanto a corretude das respostas, procure o pro!essor. As respostas aparecem destacadas em negrito.

Primeira parte da disip!ina

A) questões relativas ao item 4 do programa (Avaliando e Compreendendo o Desempenho) (. Uma das armadilhas vistas em sala de aula estava relacionada à expectativa de que a melhoria de

um aspecto de um computador computador levasse levasse a um aumento de desempenho desempenho em quantidade quantidade proporcional proporcional ao tamanho desta melhoria. sto pode ser verdade! mas nem sempre. Considere um computador com os seguintes tempos de execu"#o para uma aplica"#o: $%%s para executar instru"ões de ponto &lutuante! '%s para executar instru"ões de inteiros! %s para executar instru"ões de entradasa*da! 4%%s para executar instru"ões de desvio! com tempo total de execu"#o de +.%%s. , poss*vel redu-ir o tempo total de execu"#o em %/ redu-indo apenas o tempo para executar a instru"#o de desvio0 1usti&ique sua resposta. )im* &isto +ue a redução seria de ,-s* e o tempo para eeutar a instrução de des&io 0 de  1s. Deste modo* se a instrução de des&io for for reduzida para (-s* a redução seria fat2&e!. 2. Considere tr2s processadores di&erentes! 3! 3+ e 3! que implementam o mesmo con5unto de instru"ões instru"ões.. A &requ2ncia &requ2ncia de seus cloc"s e os valores m6dios de seus C3s s#o! respectivamente!

+78-! 78- e 478- e .+! %.' e +.%. Considerando que os tr2s processadores executam uma dada aplica"#o em % segundos! determine para cada processador: a) a quantidade de ciclos executada! e 9) a quantidade de instru"ões executada. a3 tempo 4 tota! de i!os / &e!oidade5do5!o6 47 tota! de i!os 4 &e!oidade5do5!o6   tempo P(8 (  ,  (9 4 ,  (( i!os P,8 (  :  (9 4 :  (( i!os P:8 (  1  (9 4 1  (( i!os #3 tota! de i!os 4 tota! de instruç%es  pi 47 tota! de instruç%es 4 tota! de i!os / pi  P(8 ,  (( / (., 4 (.;<  (( instruç%es P,8 :  (( / .= 4 :.<-  ((instruç%es P:8 1  (( / , 4 ,  (( instruç%es 3. Uma &alcia comum 6 o uso da m6trica ;3< (;ilhões de nstru"ões 3or
desempenho de processadores. 3or esta m6trica! o processador que possui o maior ;3< 6 o mais rpido. =eri&ique se isso 6 vlido para os seguintes processadores: 3! com &requ2ncia de rel>gio de 78-! C3 de .? e processador 3+! com &requ2ncia de rel>gio de +.78-! C3 de .%. Considere que um mesmo programa ao ser compilado para 3 gera x% @ instru instru"õe "ões! s! enquan enquanto to ao ser ser @ compilado para 3+ gera %.x%  instru"ões.

MIP) 4 ontador de instruç%es / >tempo de eeução  ( ;  3 47 MIP) 4 ontador de instruç%es / >ontador de instruç%es  pi  tempo5i!o  ( ;  3 47 MIP) 4 &e!oidade5!o6 / >pi  ( ;  3 MIP)5P(8 :  (9 / (.(  ( ;  4 ,.<:  (: MIP)5P,8 ,.-  (9 / (.  (;  4 ,.-  (: Por MIP)* me!?or proessador 0 P(. Mas o +ue oorre +uando onsideramos o tempo de eeução@ Aempo de eeução 4 > Instruç%es  CPI 3 / &e!oidade5!o6  P(8 > :(;   (.(3 / :  ( 9 4 (.(  (B:s P,8 >.-(;   (3 / ,.-  ( 9 4 ,  ( B1s Pe!o tempo* proessador P, mais rpido. 4 e 5. Assuma que uma aplica"#o execute @%% instru"ões aritm6ticas! +%% instru"ões de leitura à

mem>ria! @%% instru"ões de escrita à mem>ria! e %% instru"ões de desvio! num total de .%% instru instru"õe "ões. s. Assuma Assuma que a instru instru"#o "#o aritm6ti aritm6tica ca execut execute e em  ciclo ciclo de cloc" ! acessos à mem>ria (leituras e escritas) executem em 4 ciclos de cloc"  e  e desvios em + ciclos de cloc" .  1. ual o tempo de execu"#o da aplica"#o! considerando um processador de +78-0 Aota! de i!os 4 >;  (3  >,  13  >;  13  >(  ,3 4 ;  =  ,1  , 4 1. Aempo de i!o 4 .-  ( B9 s Aempo de eeução 4 tempo de i!o  tota! de i!os 4 1  .-  ( B9 s 4 ,. ns 4 ,*us -.
diretor de pro5eto de um novo processador. processador.  pro5eto do processador e o compilador 6 a 8. =oc2 6 o diretor est#o completos e! agora! voc2 precisa decidir entre produ-ir o pro5eto atual como est ou gastar mais mais tempo tempo para para melhor melhorl lo. o. =oc2 discut discute e esse esse pro9lem pro9lema a com sua equipe equipe de engenh engenhari aria a de hardEare e chega às seguintes op"ões: a) Deixar o pro5eto como est. Chame esse computador 9sico 9sico de ;9ase. Fle possui uma velocidade de cloc"  de  de %%;8-? e 9) timi-ar o hardEare. A equipe de hardEare a&irma que pode melhorar o pro5eto do processador para con&erirlhe uma velocidade de  de @%%;8-. Chame esse computador de ; opt. ual 6 o C3 para cada computador0 Considere cloc"  de nesta quest#o as seguintes medi"ões &eitas usando um simulador para ;9ase e ;opt: C!asse de Instrução

Fre+uHnia

CPI de M#ase  

CPI de M opt  opt 

A G C D

4%/ +/ +/ %/

+   

+ +  4

O CPI de ada m+uina 0 apenas a m0dia ponderada dos CPIs para ada uma das !asses de instrução. 'ssim8

MIP) 4 ontador de instruç%es / >tempo de eeução  ( ;  3 47 MIP) 4 ontador de instruç%es / >ontador de instruç%es  pi  tempo5i!o  ( ;  3 47 MIP) 4 &e!oidade5!o6 / >pi  ( ;  3 MIP)5P(8 :  (9 / (.(  ( ;  4 ,.<:  (: MIP)5P,8 ,.-  (9 / (.  (;  4 ,.-  (: Por MIP)* me!?or proessador 0 P(. Mas o +ue oorre +uando onsideramos o tempo de eeução@ Aempo de eeução 4 > Instruç%es  CPI 3 / &e!oidade5!o6  P(8 > :(;   (.(3 / :  ( 9 4 (.(  (B:s P,8 >.-(;   (3 / ,.-  ( 9 4 ,  ( B1s Pe!o tempo* proessador P, mais rpido. 4 e 5. Assuma que uma aplica"#o execute @%% instru"ões aritm6ticas! +%% instru"ões de leitura à

mem>ria! @%% instru"ões de escrita à mem>ria! e %% instru"ões de desvio! num total de .%% instru instru"õe "ões. s. Assuma Assuma que a instru instru"#o "#o aritm6ti aritm6tica ca execut execute e em  ciclo ciclo de cloc" ! acessos à mem>ria (leituras e escritas) executem em 4 ciclos de cloc"  e  e desvios em + ciclos de cloc" .  1. ual o tempo de execu"#o da aplica"#o! considerando um processador de +78-0 Aota! de i!os 4 >;  (3  >,  13  >;  13  >(  ,3 4 ;  =  ,1  , 4 1. Aempo de i!o 4 .-  ( B9 s Aempo de eeução 4 tempo de i!o  tota! de i!os 4 1  .-  ( B9 s 4 ,. ns 4 ,*us -.
diretor de pro5eto de um novo processador. processador.  pro5eto do processador e o compilador 6 a 8. =oc2 6 o diretor est#o completos e! agora! voc2 precisa decidir entre produ-ir o pro5eto atual como est ou gastar mais mais tempo tempo para para melhor melhorl lo. o. =oc2 discut discute e esse esse pro9lem pro9lema a com sua equipe equipe de engenh engenhari aria a de hardEare e chega às seguintes op"ões: a) Deixar o pro5eto como est. Chame esse computador 9sico 9sico de ;9ase. Fle possui uma velocidade de cloc"  de  de %%;8-? e 9) timi-ar o hardEare. A equipe de hardEare a&irma que pode melhorar o pro5eto do processador para con&erirlhe uma velocidade de  de @%%;8-. Chame esse computador de ; opt. ual 6 o C3 para cada computador0 Considere cloc"  de nesta quest#o as seguintes medi"ões &eitas usando um simulador para ;9ase e ;opt: C!asse de Instrução

Fre+uHnia

CPI de M#ase  

CPI de M opt  opt 

A G C D

4%/ +/ +/ %/

+   

+ +  4

O CPI de ada m+uina 0 apenas a m0dia ponderada dos CPIs para ada uma das !asses de instrução. 'ssim8

CPI de M#ase 4 ,>*13  :>*,-3  :>*,-3  ->*(3 4 *=  *<-  *<-  *- 4 ,*= i!os/instrução CPI of Mopt 4 ,>*13  ,>*,-3  :>*,-3  1>*(3 4 *=  *-  *<-  *1 4 ,*1-  i!os/instrução 7. uais s#o os *ndices ;3< nativos para ; 9ase e ;opt0 imos imos em +uest%es anteriores +ue a frmu!a do MIP) pode ser reesrita omo8 MIP) 4 &e!oidade5!o6 / >pi  (;  3. 'ssim* 'ssim* temos8 ;  ;  MIP) do M #ase #ase 4 >- K (  3 / >,*=  ( 3 4 (<=*; MIP) do M opt   4 >; K (;  3 / >,*1-  (;  3 4 ,11*9 opt  4

8.  quanto ;opt 6 mais rpido do que ;9ase0 Como M#ase e Mopt uti!izam o mesmo onLunto de instruç%es* o desempen?o re!ati&o pode ser determ determina inado do omo omo a razão razão de suas suas !a !assi ssifi fiaç% aç%es es MIP MIP) ) >ao ontr ontrri rio o do tempo tempo de eeução3. 'ssim8 Mopt 0 mais rpido do +ue M#ase por um fator de >,11*9 MIP)/(<=*9 MIP)3 4 (*:<  9. A equipe de compiladores ouviu so9re a discuss#o para melhorar o computador a9ordado nas

questões @ a '. A equipe propõe melhorar o compilador para o computador a &im de ganhar mais desempenho. Chame essa com9ina"#o do compilador melhorado e o computador 9sico de ; comp. As melhorias na gera"#o de instru"ões para par a esse compilador aprimorado &oram estimadas desta &orma: Classe de #nstrução

$ercentual de instruções executadas em relação ao computador % base

A

H%/

G

H%/

C

'/

D

H/

3or exemplo! se o computador 9sico executou %% instru"ões da classe A! ; comp executaria %!HI%% J 4% instru"ões da classe A para o mesmo programa. ual 6 o C3 para ; comp0 Esse pro# Esse pro#!e !ema ma pode pode se serr feit feito o de uma uma dent dentre re duas duas mane maneir iras as.. Ou se eno enont ntra ra a no&a no&a om#in om#inaçã ação o e se aLusta aLustam m as fre+H fre+Hni nias as primei primeiro* ro* ou se enont enontra ra a no&a no&a ontag ontagem em de instruç%es >re!ati&a3 e se di&ide o CPI por isso. Usamos a segunda. Nazão de instruç%es 4 *9 K *1  *9 K *,-  *=- K *,-  *( K *9- 4 *=9,-   'ssim* podemos podemos a!u!ar o CPI omo omo CPI 4>,*1*9:*,-*9:*,-*=--*(*9-3/*=9,- 4 ,*=( 10. Usando os dados da quest#o H! o quanto ; comp 6 mais rpido do que ; 9ase0 Aempo de M #ase  ,*=3/>e!oidade  ,*=3/>e!oidade de #ase 4 >Instruç%esCPI3/>e!oidade de !o63 4 >Instruç%esM#ase C!o63 Aempo de M omp  ,*1-3/>e!oidade  ,*1-3/>e!oidade omp  4 >Instruç%esCPI3/>e!oidade de !o63 4 >Instruç%esMomp de C!o63 Mas temo Mas temos s uma uma re!a re!açã ção o entr entre e as inst instru ruç% ç%es es dos dos omp omput utad ador ores es M ase ase e M  Comp Comp8 M  Comp Comp 4 *=9,-M #ase #ase. '!0m disso* sa#emos +ue as mudanças oorreram apenas no ompi!ador* não

afetando a &e!oidade de !o6 da m+uina* +ue permaneeu igua!. Portanto8 >Desempen?o M omp /Desempen?o M #ase 3 4 >Aempo M #ase /Aempo M omp 3 4  >Instruç%esMase ,*=3/e!oidade de !o6Q/>Instruç%esMase *=9,-,*=(3/e!oidade !o6Q4(*(,

de

11. A equipe de compiladores salienta que 6 poss*vel implementar tanto as melhorias de hardEare da

quest#o @ quanto as melhorias no compilador descritas na quest#o H. ,*1*9  ,  *,-*9  :*,-*=-1*(*9-3/*=9,-4,*1-  >Desempen?o M#ot?/Desempen?o M#ase3 4 >Aempo M#ase/Aempo M#ot?3 4  >IC,*=3/e!oidade de !o6Q/>IC*=9,-,*1-3/e!oidade de !o6Q4>,*=/-3/>,*(9/;34(*-: 12. =oc2 precisa decidir se deve incorporar as melhorias de hardEare sugeridas na quest#o @ ou as

melhorias de compilador da quest#o H (ou am9as) para lan"ar o novo computador. =oc2 estima que o seguinte tempo seria necessrio para implementar as otimi-a"ões: Otimização

Aempo para imp!ementar >em meses3 Rome do Computador 

8ardEare

@

;opt

Compilador

@

;comp

Am9os

'

;9oth

Kem9rese de que o desempenho da C3U melhora em aproximadamente %/ por ano! ou cerca de !4/ por m2s. Considerando que o computador 9sico possui um desempenho igual aos seus concorrentes! que otimi-a"ões (se houver) voc2 escolheria implementar0 Primeiro a!u!e o resimento de desempen?o aps ; e = meses. 'ps ; meses 4 (*:1 ;  4 (*,,. 'ps = meses 4 (*:1= 4 (*:(. ' me!?or eso!?a seria imp!ementar M #ot?. Meses  ; =

M#ase   ( (*,, (*:(

M omp

M opt 

(*(, (*,

(*:< (*1;

M #ot?   (*-:

13. Considere tr2s processadores di&erentes! 3! 3+ e 3! que implementam o mesmo con5unto de instru"ões. A &requ2ncia de seus cloc"s e os valores m6dios de seus C3s s#o! respectivamente!

78-! +.78- e 478- e .! .% e +.+. a) ual processador tem o melhor desempenho! expresso em instru"ões por segundo0 9) Considerando que cada processador executa um determinado programa em % segundos! encontre 9.) o nBmero de ciclos e 9.+) o nBmero de instru"ões executadas por cada um deles. a3Aempo 4 >Instruç%es  CPI 3 / Fre+uHnia 47 Instruç%es 4 >Fre+uHnia  Aempo3/CPI. Como +ueremos a taa em instruç%es por segundo* di&idimos am#os os !ados por segundo. "ogo8  Instruç%es/segundo 4 Fre+uHnia/CPI. P( 4 : K (9 /(.- 4 , K (9 instruç%es por segundo P, 4 ,.- K (9 /(. 4 ,.- K (9 instruç%es por segundo

P: 4 1 K (9 /,., 4 (.= K (9 instruç%es por segundo #.(3 Aempo 4 Ci!os/Fre+uHnia* !ogo Ci!os 4 Aempo  Fre+uenia. 'ssim8 #.(3 i!os de P( 4 ( K : K (9 4 : K (9 i!os i!os de P, 4 ( K ,.- K (9 4 ,- K (9 i!os i!os de P: 4 ( K 1 K (9 4 1 K (9 i!os #.,3 Ci!os 4 RSmero de instruç%es  CPI. "ogo Instruç%es 4 Ci!os/CPI Ro. instruç%es de P( 4 : K ( 9 /(.- 4 , K (9 instuç%es Ro. instruç%es de P, 4 ,- K ( 9 /( 4 ,- K (9 instuç%es Ro. instruç%es de P: 4 1 K ( 9 /,., 4 (=.(= K(9 instuç%es 14. Compiladores t2m um impacto pro&undo no desempenho de uma aplica"#o em um processador.

3ara um mesmo programa! dois compiladores distintos &oram utili-ados! A e G.  compilador A gerou  9ilh#o de instru"ões! e o compilador G gerou .+ 9ilhões de instru"ões. Am9os os programas executaram em .' segundos. Fncontre o C3 m6dio para cada programa! considerando que o computador onde o mesmo &oi executado tenha cloc"  de ns. CPI 4 Aempo / Instruç%es Aempo5do5i!o CPI do programa gerado pe!o ompi!ador '8 (.= / (( 9  ((B94 (.= CPI do programa gerado pe!o ompi!ador 8 (.= / (.,( 9  ((B94 (.-  15. Considere duas implementa"ões distintas do mesmo 
de instru"ões! A! G! C e D. A &requ2ncia do rel>gio e o C3 de cada instru"#o para cada processador s#o respectivamente +.78-! +! .! + e  (processador 3)? 78-! ! +!  e  (processador 3+). Dado um programa composto por %@ instru"ões! das quais %/ s#o da classe A! +%/ da classe G! %/ da classe C e +%/ da classe D! qual implementa"#o 6 a mais rpida0 1usti&ique sua resposta apresentando os clculos. CPI5P(8 .(  ,  .,  (.-  .-  ,  .,  ( 4 .,  .:  (  ., 4 (.<  CPI5P,8 .(  (  .,  ,  .-  (  .,  ( 4 .(  .1  .-  ., 4 (., tempo5p(8 > (;   (.< 3 / ,.-  ( 9 4 ;.=  (B1 tempo5p,8 > (;   (., 3 / :  ( 94 1  (B1  ' imp!ementação P, 0 a mais rpida por eeutar o digo em menos tempo. 16. Uma empresa quer tornar a execu"#o de c>digos em 1ava mais rpida atrav6s de suporte de

hardEare para coleta de lixo. A coleta de lixo 6 atualmente responsvel por +%/ das instru"ões do programa. Duas mudan"as poss*veis s#o propostas. A primeira propõe implementar suporte para coleta de lixo inteiramente em hardEare! com o custo de aumentar o tempo de ciclo por um &ator de !+. A segunda propõe introdu-ir no 
de stores!  de 9ranches! +/ de 5umps e +/ de instru"ões que executam na AKU. Lesta mquina multiciclo! loads demandam  ciclos para executarem? stores! 4 ciclos? instru"ões na AKU 4 ciclos! 9ranches  ciclos? e 5umps  ciclos. ual o C3 desta aplica"#o em uma mquina multiciclo0 CPI 4 *,-  -  *(  1  *-,  1  *((  :  *,  : 4 1*(, 18. Considere duas implementa"ões di&erentes! ; e ;+! do mesmo con5unto de instru"ões (
; e + ciclos na mquina ;+? instru"ões da classe G s#o executadas em + ciclos na mquina ; e  ciclos na mquina ;+? e instru"ões da classe C s#o executadas em 4 ciclos em am9as as mquinas. Considerando um c>digo composto por @%/ de instru"ões da classe A! %/ da classe G e %/ da classe C! calcule: a) (%pts) o C3 m6dio para cada mquina (; e ;+)? e b) (%pts) o valor do ;3< para cada mquina (; e ;+). a3 M(8 CPI 4 >;/(3 (  >:/(3,  >(/(314 (.;  M,8 CPI 4 >;/(3,  >:/(3:  >(/(31 4 ,.-  #3 M(8 MIP) 4 C!o6 Nate/>CPI  ( ;  3 4 >=  (;  3 / >(.;(;  3 4 -. M,8 MIP) 4 C!o6 Nate/>CPI  ( ;  3 4 >(  (;  3 / >,.-(;  3 4 1. 19. Considere uma aplica"#o constitu*da por duas classes distintas de instru"ões: ponto&lutuante e

inteiros. A a  P3 /   A a  >(BP3 "ogo8 A a /1 4 A aP / (-  A a B A aP A a /1 – A a 4 A aP/(- – A aP (-A a – ;A a 4 1A aP – ;A aP  1-A a 4 -;A aP P41-/-;  P 4 =*:<   ,. Um computador C possui cloc"  de @%%;8- e implementa o mesmo 
computador C.  C3 desta aplica"#o no computador C 6 igual a !. uantas instru"ões o compilador teria de produ-ir ao compilar o c>digo da aplica"#o A para o computador C+! de modo que o tempo de execu"#o &osse o mesmo nos dois computadores0 Considere que no computador C+ a aplica"#o teria C3 igual a +!. Aempo ' 4 Instruç%es '  CPI  '  Aempo de Ci!o ' 4 ((.:/>;(;  3 ns Aempo 4 Instruç%es  CPI   Aempo de Ci!o  4 I ,.-/><-(;  3 ns Como Aempo ' 4 Aempo * ((.:/>;(;  3 4 I ,.-/><-(;  3 4 I  4 ><-  (;  3  (-   (.: / ,.-  > ;(;  3 4 ;-

21. ueremos comparar dois computadores di&erentes: ; e ;+. As seguintes medi"ões &oram &eitas

nesses computadores: $rograma

&empo em %' (em seg.)

&empo em %* (em seg.)

 +

+!% !%

! %!%

Considerando que o custo de ; 6 de U
G) questões relativas ao item + do programa (nstru"ões: a Kinguagem de ;quina) 1. ual o c>digo em linguagem de mquina ;3< para a instru"#o su9 Mt! Mt+! Mt 0  (( ((( ((  (( 2. ual o c>digo em linguagem de mquina ;3< para a instru"#o: l E Mt! @4(Ms%) 0 (((.(.((.(

ual 6 a instru"#o ;3< %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%0

codi&icada

pela

seguinte

sequ2ncia

de

9its:

ue instru"#o ;3< 6 representada %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 0

pela

seguinte

sequ2ncia

de

9its

pela

seguinte

sequ2ncia

de

9its:

:.

( 4 addi  (( 4 9 4 Tt( ( 4 = 4 Tt ( 4 ( "ogo* temos addi Tt* Tt(* (

4.

 4 Instrução tipo I  (( 4 Tt, >registrador (3 ( 4 Tt >registrador =3 (( 4 Tt( >registrador 93  4 sem des!oamento ((( 4 ,' >s!t3 "ogo* temos s!t Tt(* Tt,*Tt

ual 6 a instru"#o ;3< %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%0 5.

addi Tt* Tt(* (

codi&icada

6. digo a9aixo Ma% e Ma se5am usados para a passagem de parNmetros e que estes contenham inicialmente os inteiros a e #! respectivamente.
se5a usado para a sa*da. Descreva em uma senten"a o que ser retornado em Mv%. add loop: 9eq add su9  5 &inish: addi add

Mt%! M-ero! M-ero Ma! M-ero! &inish Mt%! Mt%! Ma% Ma! Ma!  loop Mt%! Mt%! %% Mv%! Mt%! M-ero

)er retornado a#  (. 7. ;ostre a Bnica instru"#o ;3< ou a sequ2ncia m*nima de instru"ões para esta instru"#o em C: 9 J + O a.
constantes. digo C em assembl-  ;3<:

int positive (int a! int 9) Q i&(addit(a!9)R%) return ? else return %? S int addit (int a! int 9) Q return aT9? S  positi&e8 addi sW  La! addi s!t #ne addi

Tsp* Tsp* V1 Tra* >Tsp3 addit  Tt(* T* ( Tt,* T* T& Tt,* T* eit  Tt(* T* T

eit8 add !W addi  Lr

T&* Tt(* T Tra* >Tsp3 Tsp* Tsp* 1 Tra

add  Lr

T&* Ta* Ta( Tra

addit8

10. Prans&orme o seguinte c>digo C em assembl-  ;3<:

int menor (int a! int 9) Q i& (a9) return ? else return %? S int conta (int vVW! int rVW! int s) Q int i J %? Ehile (menor (vViW!rViW) XX i  s) iTT? return i? S menor8 s!t T&* Ta* Ta( Lr Tra onta8 addi Tsp* Tsp* B(; sW Tra* (,>Tsp3 sW Ts:* =>Tsp3 sW Ts,* 1>Tsp3 sW Ts* >Tsp3 add Ts,* Ta* Tzero add Ts:* Ta(* Tzero add Ts* Tzero* Tzero !oop8 add Tt* Ts,* Ts add Tt(* Ts:* Ts !W Ta* >Tt3 !W Ta(* >Tt(3 La! menor #e+ T&* Tzero* eit eit8 s!t Tt* Ts* Ta, #e+ Tt* Tzero* eit addi Ts* Ts* ( L !oop eit8 add T&* Ts* Tzero !W Tra* (,>Tsp3 !W Ts:* =>Tsp3

 espaço na pi!?a para 1 registradores  sa!&a ra  sa!&a s:  sa!&a s,  sa!&a s  opia a para s, >sa!&a a3  opia a( para s: >sa!&a a(3 i4  a!u!a endereo &iQ   a!u!a endereo riQ   !e &iQ   !e riQ   ?ama menor   menor retornou &a!or igua! a zero@ )e sim* &ai para  i X s@  se i 74 s* &ai para eit  i4i(  &o!ta para !oop  opia i para &  restaura ra restaura s:

!W Ts,* 1>Tsp3 !W Ts* >Tsp3 addi Tsp* Tsp* (; Lr Tra

 restaura s,  restaura s  restaura pi!?a  retorna

11. Prans&orme o seguinte c>digo C em assembl-  ;3<:

int soma (int a! int 9) Q return aT9? S int redu- (int vVW! int si-e) Q int resultado J %! i? &or (iJ%?isi-e?iTT) resultado J soma (resultado! vViW)? return resultado? S soma8 add T&* Ta* Ta( Lr ra reduz8 addi Tsp* Tsp* B, sW Tra* (;>Tsp3 sW Ts:* (,>Tsp3 sW Ts,* =>Tsp3 sW Ts(* 1>Tsp3 sW Ts* >Tsp3 add Ts,* Ta* Tzero add Ts:* Ta(* Tzero add Ts(* Tzero* Tzero add Ts* Tzero* Tzero !oop8 s!t Tt* Ts* Ts: #e+ Tt* Tzero* eit add Tt(* Ts,* Ts !W Ta(*  >Tt(3 add Ta* Ts(* Tzero La! soma add Ts(* T&* Tzero L !oop eit8 !W Tra* (;>Tsp3 !W Ts:* (,>Tsp3 !W Ts,* =>Tsp3 !W Ts(* 1>Tsp3 !W Ts* >Tsp3 addi Tsp* Tsp* , Lr Tra

 espaço na pi!?a para 1 registradores  sa!&a ra  sa!&a s:  sa!&a s,  sa!&a s(  sa!&a s  opia a para s, >sa!&a &3  opia a( para s: >sa!&a size3  resu!tado 4  i4  i X size@  se i 74 size* &ai para eit    a!u!a &iQ    parametro para a(  parametro para a  ?ama soma  resu!tado 4 soma>3

 restaura ra  restaura s:  restaura s,  restaura s(  restaura s  restaura pi!?a

12. Prans&orme o seguinte c>digo C em assembl-  ;3<:

int sum (int n! int acc) Q

i& (nR%) return sum (n! accTn)? else return acc? S sum8 s!ti #ne add addi  L sum5eit8 add  Lr

Tt* Ta* ( Tt* Tzero* sum5eit  Ta(* Ta(* Ta Ta* Ta* B( sum T&* Ta(* Tzero Tra

13. Prans&orme o seguinte c>digo C em assembl-  ;3<:

int &i9onacci(int num) Q i&(numJJ OO numJJ+) return ? else return &i9onacci(num) T &i9onacci(num+)? S fi#8 addi Tsp* Tsp* B(, sW Tra* >Tsp3 sW Ts* 1>Tsp3 sW Ts(* =>Tsp3 add Ts* Ta* Tzero addi Tt(* Tzero* ( addi Tt,* Tzero* , addi T&* Tzero* ( #e+ Ts*Tt(* eitfi# #e+ Ts*Tt,* eitfi# addi Ta* Ts* B(  La! fi# add Ts(* Tzero* T& addi Ta* Ts* B,  La! fi# add T&* T&* Ts( eitfi#8 !W Tra* >Tsp3 !W Ts* 1>Tsp3 !W Ts(*=>Tsp3 addi Tsp* Tsp* (,  Lr Tra (1. Prans&orme o c>digo C da &igura  em assembl-  ;3<.

void somap (intI A!intI G! int si-e) Q int i? &or (iJ? i  si-e? iTT) AViW J AViW T GViW?

S somap8 addi Tt* Tzero* (  iniia i  !oop8 #e+ Tt* Ta,* fim  ompara om fim do !oop !W Tt(* >Ta3  !e 'iB(Q  !W Tt,* 1>Ta(3 !e iQ  add Tt:* Tt(* Tt,  'iB(Q  iQ  sW Tt:* 1>Ta3  'iQ 4 'iB(Q  iQ  addi Ta* Ta* 1  inrementa ponteiro de ' addi Ta(* Ta(* 1  inrementa ponteiro de  addi Tt* Tt* (  inrementa i   L !oop fim8  Lr Tra 15. Prans&orme o c>digo C a9aixo em assembl-  ;3<.

int poEer(int 9!int p) Q i&(pJJ%) return ? else return 9I(poEer(9!p))? S  poWer8 addi Tsp* Tsp* B1 sW Tra* >Tsp3 #ne Ta(*Tzero* e!se addi T&* Tzero* ( addi Tsp* Tsp* 1  Lr Tra e!se8 addi Ta(* Ta(* B(  La! poWer  mu! T&* T&* Ta !W Tra* >Tsp3 addi Tsp* Tsp* 1  Lr Tra 16. Fscreva uma sequ2ncia de instru"ões em assembl-   ;3< que arma-ene no registrador Mt o

seguinte valor constante de + 9its: %%%% %%%% %%%% %%% %%%% %%%% %%%% %%%. !ui Tt(* ( ori Tt(* Tt(* ( 17. Considere o seguinte &ragmento de c>digo assem9lY:

addi addi

Mt%! M-ero!  Mt! M-ero! %%

lE

Mt! %(Ma)

loop:

lE add sE addi addi addi 9ne

Mt+! 4(Ma+) Mt! Mt! Mt+ Mt! 4(Ma) Ma! Ma! 4 Ma+! Ma+! 4 Mt%! Mt%!  Mt%! Mt! loop

Fscreva o c>digo C equivalente a esta opera"#o. for >i4(Y iX(Y i3  'iQ 4 'iB(Q  iQ  onde 'iQ e iQ são o primeiro e segundo parZmetros da função 18.
pro5etada para copiar 9locos de palavras de um endere"o de origem para um endere"o de destino. Assuma que essa pseudoinstru"#o requeira que o endere"o de origem este5a presente no registrador Mt e o endere"o de destino no registrador Mt+. A pseudoinstru"#o tam96m requer que o nBmero de palavras a ser copiada este5a em Mt! e que esse valor se5a maior do que -ero. Al6m do mais! assuma que os valores desses registradores! 9em como o do registrador Mt4 possam ser destru*dos na execu"#o da pseudoinstru"#o (ou se5a! esses registradores podem ser usados como temporrios na implementa"#o da pseudoinstru"#o). a) Fscreva o c>digo assembl-   ;3< que implementa o c>digo da pseudoinstru"#o? 9) ;ostre um pequeno &ragmento de c>digo em assembl-  (cerca de 4 instru"ões) que exempli&ique o uso desta pseudoinstru"#o. a3 !oop8 !W sW addi addi addi #ne

Tt1*  >Tt(3 Tt1*  >Tt,3 Tt(* Tt(* 1 Tt,* Tt,* 1 Tt:* Tt:* B( Tt:* Tzero* !oop

#3 addi Tt(* Ta* ( addi Tt,* Ta(* ,-;  addi Tt:* Tzero* -  #p 19. nstru"ões de desvio condicional s#o do Pipo. Leste tipo de instru"#o! a quantidade de bits utili-ada para representar o endere"o de desvio 6 limitada a @ bits. Pendo este cenrio em mente! considere a instru"#o bne s/, s', 0' .
mesma &uncionalidade! mas que permita desvios para endere"os de c>digo que a instru"#o original n#o permitiria. #e+  L

Ts(* Ts* ", "(

",8 20. Prans&orme o seguinte &ragmento de c>digo assembl-   ;3< em c>digo C! considerando que as

variveis &! g! h! i e 5 est#o arma-enadas respectivamente nos registradores Ms4! Ms! Ms+! Ms e Ms%: sll Ms+! Ms4!  add Ms%! Ms+! Ms add Ms%! Ms%! Ms ? 4 f  ,Y  L 4 ?  gY  L 4 iY 21. magine que a instru"#o de deslocamento l>gico à esquerda (sll) n#o &osse implementada

diretamente pelo hardEare! mas sim pelo montador! ou se5a! que a mesma &osse na verdade uma pseudoinstru"#o. ual sequencia de c>digo assem9lY ;3< implementaria essa pseudoinstru"#o0  's operaç%es de des!oamento !gio [ es+uerda orrespondem [ suessi&as mu!tip!iaç%es  por ,. s!! Ts(* Ts,* n E!as podem ser imp!ementadas por um !oop8 addi Tt* Tzero*  iniia ontador do nSmero de iteraç%es >Tt3 om zero addi Tt(*Tzero* n  !H onstante n para &ari&e! Tt( addi Ts(* Ts,*   opia Ts, para Ts( !oop8 mu!i Ts(* Ts(* , su#i Tt* Tt* ( #ne Tt* Tt(* !oop 22. =imos em sala que quatro registradores especiais! Ma% a Ma! s#o utili-ados para passar

argumentos em chamadas de procedimentos  &un"ões. Descreva com suas palavras o que ocorre caso tenhamos uma &un"#oprocedimento que necessite mais que quatro argumentos. Os argumentos adiionais de&em ser passados na pi!?a. 23. 3or que o ;3< n#o tem uma instru"#o de su9tra"#o imediata0 Por+ue o ampo imediato pode assumir &a!or negati&o. 24.  ria)! quantas opera"ões de desvio seriam

necessrias para que o valor de 3C passasse a apontar para o endere"o %%%% %%%% %%%% %%% %%%% %%%% %%%% %%%%0 Um des&io. isto +ue o des&io 0 uma instrução do tipo I* ter2amos (; #its para epressar o nSmero de Words +ue deseLamos des&iar. Podemos assim des&iar at0 PC1Endereço do des&io em Words* o +ue nos permitiria des&iar at0 o endereço    (    (* portanto superior ao endereço dado no enuniado da +uestão.

)egunda parte da disip!ina

A) questões relativas ao item  do programa (Aritm6tica Computacional) 1. 
o valor do registrador Mt+ depois que a seguinte sequencia de instru"ões &or executada0 slt 9ne  5 FK
Mt+! M-ero! Mt% Mt+! M-ero! FK
 Tt, 4  2. 3adrões de 9its n#o possuem signi&icado inerente. Fles podem representar inteiros com sinal!

inteiros sem sinal! nBmeros em ponto &lutuante! instru"ões e assim por diante.  que 6 representado depende da instru"#o que opera so9re os 9its. Dado o padr#o de 9its //'/ /'// '//' //'/ /'// '//' //'/ /'// *! o que ele representa! supondo que o mesmo se5a interpretado como: a) um inteiro em complemento a dois0 ;(:-;;<-;  9) um inteiro sem sinal0 ;(:-;;<-;  c) um nBmero em ponto &lutuante com precis#o simples0 ;*:11(:((B(<  d) uma instru"#o ;3<0 addiu Ts,* Ta* (=<,1 3. Usando uma vers#o de 4 9its do algoritmo de divis#o visto em sala! calcule o resultado da divis#o

de  por %%%. $uoiente8  Di&isor8 (  Nesto8  (((( I(8 N8  (((( $8  D8 (  I,8 N8  (((( $8  D8  ( I:8 N8  ((( $8 ( D8  ( I18 N8  (( $8 ((

D8  ( I-8 N8  ( $8 ((( D8  ( 4. ue situa"#o leva a ocorr2ncia de over!lo+  em um computador0 Em nSmeros inteiros* oorre +uando um &a!or tornaBse tão grande +ue não pode ser  representado pe!os #its +ue o representam no omputador. Ro aso de pontoBf!utuante* +uando o epoente positi&o 0 muito grande para ser representado pe!os #its do epoente. 5. ue situa"ões levam a ocorr2ncia de um under!lo+  durante a execu"#o de um c>digo0 $uando o resu!tado de um !u!o 0 menor do +ue o menor nSmero +ue pode ser  representado pe!o omputador. 6. Usando uma vers#o de 4 9its do algoritmo de divis#o visto em sala! calcule o resultado da divis#o

de %+ por %%%+. Considere que os nBmeros s#o representados sem sinal. $uoiente8  Di&isor8 (  Nesto8  ((( Iteração (8 Nesto8  ((( $uoiente8  Di&isor8 (  Iteração ,8 Nesto8  ((( $uoiente8  Di&isor8  ( Iteração :8 Nesto8  ((( $uoiente8  Di&isor8  ( Iteração 18 Nesto8  (( $uoiente8 ( Di&isor8  ( Iteração -8 Nesto8  ( $uoiente8 (( Di&isor8  ( 7. Usando uma vers#o de 4 9its do algoritmo de divis#o visto em sala! calcule o resultado da divis#o de '/'/ * por /''/ * apresentando todas as itera"ões relativas a este processo.

$8  Di&8 ((  N8  (( (a. Iteração8 $8  Di&8 ((  N8  ((  ,a. Iteração8 $8  Di&8 ( ( N8  (( :a. Iteração8 $8  Di&8  (( N8  ((  1a. Iteração8 $8  Di&8  (( N8  (( - a. Iteração8 $8 ( Di&8  (( N8  ( 8. ;ostre a representa"#o 9inria no padr#o FFF $4 em precis#o simples para o seguinte nBmero

na 9ase decimal: !+. (((((( 9. ;ostre a representa"#o 9inria no padr#o FFF $4 em precis#o simples para o nBmero H!+. ((((( 10. ;ostre a representa"#o 9inria no padr#o FFF $4 em precis#o simples para o nBmero +%!. ((((( 11. Fncontre a menor seqZ2ncia de instru"ões ;3< para determinar se existe um carr-   vindo da soma dos registradores Mt e Mt4. Coloque % ou  no registrador Mt+ se o carr-   &or % ou !

respectivamente. addu Tt,* Tt:* Tt1 s!tu Tt,* Tt,* Tt: ou addu Tt,* Tt:* Tt1 s!tu Tt,* Tt,* Tt1

12. 
nBmero 9inrio %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%! perguntase que valor na 9ase decimal o mesmo representa. )ina!8 ( epoente8 (: mantissa8 *(( >B(3s  >(fração3  >,epoente =(.,=(,-4 B(.,- 

– #ias

 3 4 B(  >(*((3  ,:4B( (*(( =4B=>((/1(/:,34B

13. ue valor em decimal est sendo codi&icado por ''//////''//////////////////////1 2oi  utili3ada na codi!icação o padr#o FFF $4 em precis#o simples. ( no #it de sina! india &a!or negati&o epoente 4 (,9 – (,< 4 , fração 4 *( "ogo >B(3(>(  *(3, ,4 B(*( ,1 4 B(*-1 4 B;. 14. Apresente a codi&ica"#o 9inria do menor valor positivo (excluindo %) que pode ser representado

pelo padr#o FFF $4 em precis#o simples. a!or norma!izado8 (( a!or denorma!izado8 (

G) questões relativas ao item  do programa (rgani-a"#o de 3rocessadores) . Um dos alunos prop[s que o sinal de controle %emto4eg se5a eliminado.  multiplexador que tem %emto4eg como entrada de controle usar o sinal de controle %em4ead  em seu lugar. A modi&ica"#o proposta pelo aluno ir &uncionar em uma mquina de ciclo Bnico0 1usti&ique sua resposta. )im* &isto +ue para todas as instruç%es* am#os os sinais assumem os mesmos &a!ores. Mesmo no aso das instruç%es om don\t are >sW e #e+3* a troa funionaria* &isto +ue nen?uma de!as esre&e +ua!+uer &a!or no #ano de registradores. 2. Descreva o e&eito que teria uma Bnica &alha do tipo \preso em ] (isto 6! independente de qual deva

ser! o sinal 6 sempre ) so9re o multiplexador ^egDst no caminho de dados de ciclo Bnico visto em aula! para as seguintes instru"ões: a) tipo ^! 9) lE? c) sE! d) 9eq. )e NegDst 4 (* os !oads não funionarão >destino inorreto3. J as demais instruç%es funionam* &isto +ue a3 esse 0 o &a!or esperado para NegDst nas instruç%es AipoBN* e #3 sW e #e+ não esre&em no #ano de registradores* por isso o &a!or de NegDst 0 ] >don^t are3. Rão importa* portanto* se o &a!or 0  ou (* L +ue Neg_rite impede a esrita no #ano de registradores. 3. Considere que a mquina de ciclo Bnico do &ormulrio anexo possua as seguintes lat2ncias: 4%%ps

(mem>ria de instru"ões)! %%ps (somadores)! %ps (multiplexadores)! +%ps (AKU)! +%%ps (registradores)! %ps (mem>ria de dados) e %%ps (9locos de controle). Considere adicionalmente que a gera"#o dos sinais de controle se5a &eita em paralelo com o acesso ao 9anco de registradores? e que o clculo do novo 3C se5a &eito em paralelo com a execu"#o da instru"#o. Leste cenrio! qual o

tempo do ciclo de cloc"  para a mquina (considere apenas as instru"ões tipo ^! lE! sE! 9eq e 5). O tempo de i!o de !o6 0 determinado pe!o amin?o r2tio* +ue 0 dado neste aso pe!o amin?o de dados da instrução !oad8 IBmem* regs* mu* a!u* DBmem* ,mu e regs. O aesso  para !eitura ao #ano de registradores 0 feito na su#ida do !o6* e de esrita na desida do i!o. ' !atHnia deste amin?o 0 de 1ps  ,ps  :ps  (,ps  :-ps ,:ps 4 ((;ps. 4. Considere a implementa"#o da instru"#o 5al. a)
de ciclo Bnico! ser#o necessrias modi&ica"ões em seu hardEare0 1usti&ique. 9) uais valores os sinais de controle devem assumir para implementar essa instru"#o (5 considerando eventuais modi&ica"ões propostas no item a)0 a3 )im. ' instrução La! faz N:(Q 4 PC  = e PC 4 Jump'ddr. O ?ardWare L pre&H todo o meanismo para fazer PC 4 Jump'ddr* &isto +ue esta 0 a mesma imp!ementação da instrução  L. Contudo* são neessrias modifiaç%es para fazer N:(Q 4 PC  =. Iniia!mente* mais um somador de&e pegar o resu!tado de PC  1 e somB!o a onstante = >ou de modo a!ternati&o  pegar diretamente o &a!or de PC e somB!o a onstante =3. Esse &a!or então ser&ir de antrada no #ano de registradores* em `_rite data. Como L eiste um &a!or a!imentando `_rite data* &indo do mu!tip!eador* temos duas a!ternati&as para imp!ementação8 a3 a!terar o mu!tip!eador eistente* +ue passaria a ter : entradas* ao in&0s de ( >a tereira entrada seria o resu!tado do somador adiionado3Y adiiona!mente o sina! de ontro!e MemtoNeg passaria a ter , #its* ou #3 'diionar um mu!tip!eador de , #its* +ue teria omo primeira entrada o &a!or  oriundo do mu!tip!eador origina!* e omo segunda entrada o &a!or de PC=* gerado pe!o somador. Um sina! de ontro!e de ( #it seria adiionado para definir a sa2da deseLada. Do mesmo modo* o &a!or `Write register de&e admitir +ue a onstante :( possa ser atri#u2da a  porta* a!0m dos &a!ores L eistentes. PodeBse usar a mesma a!ternati&a de proLeto itada anteriormente para a so!ução de `Write data. #3 Imaginando +ue dois mu!tip!eadores ten?am sido adiionados [ ar+uitetura* teriamos8 NegDst 4 ] Y Jump 4 ( Y ran? 4  Y MemNead 4  Y MemtoNeg 4 ] Y '"UOp4 ]] Y Mem_rite 4 Y '"U)r 4 ]Y Neg_rite 4 ( Y NegDstJa! 4 ( Y Ja!Neg 4 (. 6 e 7. uando pro5etistas consideram melhorias em um processador! em geral a decis#o depender

da ra-#o custo9ene&*cio. Assuma para as pr>ximas questões uma mquina de ciclo Bnico que implemente em hardEare as instru"ões lE! sE! add! su9! and! or! slt! 9eq e 5. Lesta mquina os tempo de acesso as unidades &uncionais s#o os seguintes: mem>ria de instru"ões! 4%%ps? 9anco de registradores! %%ps? AKU! %ps? ;em>ria de dados! 4%%ps. s custos dessas unidades s#o respectivamente %%% unidades monetrias (um)! +%% um! %% um e +%%% um. Considere que estamos estudando a via9ilidade de implementar na AKU mais uma instru"#o Pipo^! mul.  custo da implementa"#o 6 de acrescentar %%ps no tempo da execu"#o de todas as opera"ões da UKA e adicionar @%%um em seu custo.  9ene&*cio dessa implementa"#o 6 redu-ir o total de instru"ões em %/! 5 que a instru"#o mul deixar de ser emulada. 6. Fncontre o tempo de ciclo com e sem a implementa"#o da instru"#o mul na AKU. a3 sem imp!ementação de mu!  Instrução

Mem I

Neg

'"U

Mem Dados Neg

Aota!  

!W

1

(

(-

1

((-

sW

1

(

(-

1

AipoBN

1

(

(-

(

(- (

<-

#e+

1

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Aempo de i!o sem imp!ementação de mu!8 ((- a3 om imp!ementação de mu!  Instrução

Mem I

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Aota!  

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(- 9- -

Aempo de i!o sem imp!ementação de mu!8 (1- 7.  Compare a ra-#o custo9ene&*cio desta melhoria. =ale a pena &a-er a implementa"#o0 (Dica:

calcule o custo relativo da implementa"#o! o ganho de desempenho com a melhoria! e divida os dois. =alores maiores que  indicam que o aumento no custo 6 maior que o aumento no desempenho? valores menores indicam o contrrio). Custo sem imp!ementação8 ((,,4 ::um Custo om imp!ementação8 ::  ; 4 :9um Nazão do usto8 :9/:: 4 (.(= Desempen?oom / Desempen?osem 4 Aemposem /Aempoom I sem ] CPI sem  tempo do i!o sem / I om ] CPI om  tempo do i!o om (  (  ((- / .<  (  (1- 4 (.(: "ogo não &a!e a pena* L +ue pagaremos (=G a mais pe!a m+uina para ter um desempen?o (:G me!?or. 8, 9 e 10. 3rocessadores algumas ve-es implementam opera"ões ponto &lutuante (3_) apenas por

so&tEare. Fstamos interessados em duas implementa"ões de um computador! uma com e uma sem hardEare de 3_. Considere um programa! 3! com o seguinte mix de opera"ões: ;ultiplica"ões em ponto &lutuante %/ Adi"õessu9tra"ões em ponto &lutuante / Divis#o em ponto &lutuante / nstru"ões de inteiros $%/  computador ;_3 (computador com ponto &lutuante) possui hardEare de 3_ e! portanto! pode implementar as opera"ões de 3_ diretamente! exigindo o seguinte nBmero de ciclos de cloc" : ;ultiplica"ões em ponto &lutuante: %@ Adi"õessu9tra"ões em ponto &lutuante: %4 Divis#o em ponto &lutuante: +% nstru"ões de inteiros: %+  computador ;L_3 (computador sem ponto &lutuante) n#o possui qualquer hardEare de 3_ e

precisa emular as opera"ões de 3_ usando instru"ões de inteiros. Podas as instru"ões de inteiros levam + ciclos de cloc" .  nBmero de instru"ões de inteiros necessrio para implementar cada uma das opera"ões de 3_ 6 o seguinte: ;ultiplica"#o em ponto &lutuante: % Adi"#osu9tra"#o em ponto &lutuante: +% Divis#o em ponto &lutuante: % s dois computadores possuem uma velocidade de cloc"  de .%%%;8-. 8. Fncontre os *ndices de ;3< nativos para am9os os computadores. CPI5MFP 4 *(-*(-1*-,*<,4:*;  CPI5MRFP 4 , MIP)5MFP 4 (/:.; 4 ,<= MIP)5MRFP 4 (/, 4 - 9.
instru"ões de inteiros o computador ;L_3 precisa para o mesmo programa0 Mu!tip!iação PF

(G

:

9

)oma /)u#tração PF

(-G

1-

9

Di&isão PF

-G

(-

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Inteiros

<G

,(

,(

:

,<;

Aota!

10. ual 6 o tempo de execu"#o (em segundos) para o programa ser executado no ;_3 e no ;L_30 Aempo Eeução5MFP 4 :/,<= 4 (*=s Aempo Eeução5MRFP 4 ,<;/- 4 -*-,s 11. Considere a seguinte instru"#o: se+ Trd* Trs* Trt ! onde ^egistradorVrdW J valor 9ooleano (% ou )

dependendo se (^egistrador VrsW JJ ^egistradorVrtW). Considere que a instru"#o use o &ormato ^. a) dado oriundo da sa2da do mu!tip!eador aionado pe!o sina! de ontro!e `MemtoNeg3. Um sina! de ontro!e de&er ser riado para se!eionar a entrada do mu!tip!eador >se+* por eemp!o3. #3 se+ 4 (Y NegDst 4 (Y ran? 4 Y Lump 4 Y MemNead4Y Mem_rite4Y MemtoNeg4]Y  '"UOp4(Y '!u)r4(Y Neg_rite4(. 12. Considere a execu"#o da seguinte sequencia de c>digo em uma mquina de ciclo Bnico: a. and Mt! Ms%! Ms

#. sE Mt! %%(Ms)

3ara cada instru"#o! quais ser#o os valores gerados pela unidade de controle para cada um dos sinais de controle0 Neg_rite MemNead '"U)r NegDst

ran?

'"UOp Mem_rite

MemAoNeg Jump

(



(

(



(



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

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

]



a

13. Considere a seguinte instru"#o:

lEi

M^t! M^d! M^s

onde ^egistradorVrtW J ;em>ria V^egistrador V^dW T ^egistradorV^sWW. Considere que a instru"#o use o &ormato imediato! mas que os 9its  a  se5am usados para de&inir o valor do registrador ^d. a)
quaisquer sinais de controle e caminhos de dados! se necessrios! no caminho de dados de ciclo Bnico e mostre os valores que os sinais de controle devam assumir para que a instru"#o se5a implementada. Uma modifiação 0 neessria no amin?o de dados para permitir +ue o no&o PC &en?a de um registrador >&indo da porta ( do #ano de registradores3 e um no&o sina! >p. e.* JumpNeg3  para ontro!aB!o atra&0s de um mu!tip!eador. Neg_rite MemNead '"U  Neg ran? '"UOp Mem_rite )r Dst   Lr 

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

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

MemAo Neg

Jump

um%-eg

]

]

(

Aereira parte da disip!ina

A) questões relativas ao item @ do programa ( $ipelining) 1 e 2. Dado que os tempos dos estgios individuais em um caminho de dados se5am _J%ps!

DJ+%%ps! F`J+%%ps! ;F;J+%%ps e GJ%%ps! responda as questões  e + a9aixo:

1. a) 
opera"#o de AKU agora exigir +%/ mais tempo0 a3 Rão* por+ue o tempo do maior estgio ontinua em ,ps >ID e MEM3. #3 Neduziria o desempen?o* pois o maior tempo passaria para o estgio E]* om ,1ps. 2. 3ipelines possuem registradores entre cada um dos seus estgios! e estes! por sua ve-! adicional

uma lat2ncia no tempo total de execu"#o do pipeline. Considere que esta lat2ncia adicional para a leitura de um registrador do pipeline e a escrita no registrador seguinte se5a de ps. Leste cenrio! e assumindo que n#o existam stalls no pipeline! qual seria a acelera"#o alcan"ada pelo pipeline! quando comparada a uma mquina de ciclo Bnico0 Ci!o Snio 4 =-ps Pipe!ine 4 ,(- ps =-/,(- 4 :.9-  3. 5talls no  pipeline decorrentes de &alhas na previs#o dos desvios levam a um aumento no C3 da

aplica"#o. Calcule o C3 extra de uma aplica"#o em que '/ de suas instru"ões s#o desvios condicionais! e em que o previsor dinNmico de desvios &alhe em +/ das previsões. Considere nesta quest#o que: a) o endere"o da instru"#o que segue o desvio s> pode ser 9uscado da mem>ria de instru"ões no ciclo de cloc"   seguinte ao &im da execu"#o da compara"#o dos registradores pelo estgio F`! 9) que n#o existem ar3ards  de dados! e c) que a t6cnica de desvio adiado n#o 6 utili-ada pelo ard+are. Cada fa!?a na pre&isão de des&io !e&a a trHs i!os de sta!!* L +ue s ao fim do estgio de eeução >se sa#er o endereço orreto do des&io3. 'ssim CPI etra 4 :  *,  .= 4 *-. 4. Considere a seguinte sequ2ncia de instru"ões:

ADD K K ^

^! ^+! ^ ^+! %(^) ^! 4(^) ^! ^! ^+

a) Assumindo que o processador implemente o mecanismo de !or+ard ! encontre todos os a3ards nesta sequencia de instru"ões. b) Assumindo agora que o processador n#o implemente o mecanismo de !or+ard ! encontre todos os a3ards nesta sequencia de instru"ões. a3 I: para I1 >N(3 #3I( para I, e I: >N(3 Y I, para I1 >N,3 Y I: para I1 >N(3 5. Um arquiteto de computadores precisa pro5etar o pipeline de um novo microprocessador. Fle tem

um nBcleo de um programa exemplo com % + instru"ões. Cada instru"#o exige %ps para terminar. a)('./ pt) -  (B(,  ((, 3/(- 4 :.:s 16.  Dado que os tempos dos estgios individuais em um caminho de dados se5am _J+%ps! DJ%ps! F`J%ps! ;F;J%%ps e GJ+%%ps! responda: a) ual o tempo de ciclo de cloc"  em um

processador com e sem pipeline0 b) 
< K ADD

^@! %% (^@) ^4! ' (^@) ^! ^4! ^4

a) denti&ique os tipos de a3ards que ocorreriam neste c>digo. 9) Assuma agora que o processador n#o implemente o mecanismo de !or+ard . Adicione instru"ões L3 (9olhas no pipeline) de modo a eliminar os a3ards do pipeline. a3 'penas um ?azard de dados entre "_ e 'DD no aesso [ N1. #3 )_ "_ ROP ROP  'DD

N(;* B( >N;3 N1* = >N(;3

N-* N1* N1

18. Considere que um dos desvios condicionais de um determinado programa teve o seguinte

comportamento durante sua execu"#o: PPPPPPPPPLP! onde P signi&ica desvio tomado e LP signi&ica desvio n#o tomado. ual seria a taxa de erros caso um esquema de previs#o de  9it! iniciado para prever tomado! &osse usado0  ' taa de erros seria de (G8 as 9 primeiras pre&is%es seriam orretas* e apenas na S!tima oorreria um erro* om a pre&isão mudando de A para RA. 19 e 20. Considere um programa composto por cinco desvios condicionais. A seguir est#o listados os

resultados de cada um dos desvios para cada uma de suas execu"ões. Desvio condicional : PPPP Desvio condicional +: LPLPLPLP Desvio condicional : PLPPLP Desvio condicional 4: LPPLPP Desvio condicional : PPLPLP onde P signi&ica desvio tomado e LP signi&ica desvio n#o tomado. 19. ual seria a taxa de erros caso um esquema de previs#o sempre tomado &osse usado0 Des&io ondiiona! (8  erros Des&io ondiiona! ,8 1 erros Des&io ondiiona! :8 , erros Des&io ondiiona! 18 , erros

Des&io ondiiona! -8 , erros taa de erros8 (/, 4 -G 20. ual seria a taxa de erros caso um esquema de previs#o de  9it! iniciado para prever tomado!

&osse usado0 Des&io ondiiona! (8  erros Des&io ondiiona! ,8 ( erro Des&io ondiiona! :8 : erros >pre&is%es8 ABABRABA3 Des&io ondiiona! 18 1 erros >pre&is%es8 ABRABABRA3 Des&io ondiiona! -8 ( erro >pre&is%es8 ABABABRA3 taa de erros8 9/, 4 1-G

G) questões relativas ao item $ do programa (8ierarquia de mem>ria) 1. Considere uma cache associativa por con5unto de 4 vias! &ormada por 4b 9locos! com 9locos de '

palavras e endere"os de + 9its. Determine a quantidade de 9its usada para o tag! *ndice e o&&set do 9loco. Kem9rese que cada 9Yte pode ser acessado de modo individual dentro de uma palavra. Em uma a?e assoiati&a por onLunto de 1 &ias* formada por 1c #!oos* temos um tota! de  1c/1 4 (c onLuntos. Preisamos então de ( #its para o 2ndie* ou seLa* para aessar uma entrada no onLunto. Para o offset do #!oo* omposto por = pa!a&ras por #!oo* são neessrios !og ,=4: #its. )omamBse a estes os , #its para o offset do #te. Aemos assim +ue tag 4 :, – ( – : – , 4 (< #its. 2. Assuma as seguintes taxas de &alhas na execu"#o de uma aplica"#o por um computador: cache de

instru"ões! de / e cache de dados! /.  custo de uma &alha! tanto de dados quanto de instru"ões! equivale a +%% ciclos de C3U.  processador tem C3 igual a ! quando seus dadosinstru"ões s#o encontrados na cache. u#o mais rpido executaria uma aplica"#o em um computador com cache per&eita! em que +%/ das instru"ões s#o de acesso a dados na mem>ria0 Ci!os de fa!?a de instrução 4 I  (G  , 4 ,I  Ci!os de fa!?a de dados 4 I  ,G  :G  , 4 (*,I  Aota! de i!os de sta!! de memria 4 ,I  (*,I 4 :*,I  CPI 4 (*-  :*, 4 1*<  Como não ? mudança na ontagem de instruç%es e na &e!oidade do !o6* temos8 Aempo de CPU om sta!!   / Aempo de CPU om a?e perfeita 4 >I  CPI sta!!   Ci!o de !o63/ >I  CPI  perfeito   Ci!o de !o63 ∴ CPI sta!!  /CPI  perfeito 4 1*< / (*- 4 :*( &ezes mais rpido 3. Considere um computador que possua endere"os virtuais de 4$ bits! pginas de @bG e 4 b-tes

por entrada da ta9ela de pginas. ria em um processador com cloc"  de  ns! penalidade de &alha de +% ciclos de cloc" ! taxa de &alhas (instru"ões T dados) de / por instru"#o! e tempo de acesso à cache (incluindo a detec"#o de um acerto) de  ciclo de cloc" 0 Assuma que as penalidades

de leitura e escrita s#o iguais e ignore qualquer outra parada decorrente da escrita de dados. Aempo 4 >( i!o  *- ,3  (ns 4 ,  (ns 4 ,ns 5. 3ara uma cache diretamente mapeada pro5etada com endere"os de + 9its! os seguintes 9its do endere"o s#o utili-ados para acessar a cache: tag (9its % a )? index  (9its H a ) e o!!set  (9its 4 a %).

Gaseado nessas in&orma"ões! e lem9rando que um 9loco de cache 6 composto por vrias palavras! e que cada b-te pode ser acessado de modo individual dentro de uma palavra! responda: a) ual a quantidade de b-tes que podem ser arma-enadas na cache0 b) ual o tamanho total da cache0 a3 ' a?e possui :, entradas >, -  3* ada entrada om #!oos de = >,: 3 pa!a&ras. "ogo o taman?o tota! da a?e 0 de :,  =  1 #tes 4 (.,1 #tes 4 =(9; #its 4 ( c. #3 Contudo* de&emos armazenar adiiona!mente o tag e o #it de &a!idade para ada entrada >,: #its adiionais3* num tota! de ,::,  (,1= 4 =9,= #its. O&er?ead 4 =.9G 6. Usando a s6rie de re&er2ncias à mem>ria ! 4%! +%!  e 4% mostre (% pts) a) o conteBdo &inal da cache e (% pts) b) a taxa de &alhas! considerando que o sistema possui uma cache diretamente

mapeada com 9locos de duas palavra e um tamanho total de @ palavras. s endere"os s#o dados em palavras. a3  (  ,

,*,(Q 

:  1

1*1(Q 

-  ;

(,*(:Q  

<  #3 (: >fa!?a3* 1 >fa!?a3* , >fa!?a3* (: >aerto3* 1 >aerto3 4 ,/- 4 1G 7. Gaseado no c>digo a9aixo! escrito em C e que reali-a algumas opera"ões com duas matri-es a e

9! responda as duas questões a9aixo: &or (i J % ? i  ' ?iTT) &or (5 J %? 5  '%%%? 5TT) aViWV5W J 9ViWV%W T aV5WViW? a) ^e&er2ncias a que variveis no c>digo exi9iriam localidade temporal0 9) ^e&er2ncias a que variveis no c>digo exi9iriam localidade espacial0 Kem9rese que em C os elementos de uma mesma linha s#o arma-enados de modo cont*guo na mem>ria. a3 i* L e #iQQ #3 aiQLQ  8. 3ara uma cache diretamente mapeada pro5etada com endere"os de + 9its! os seguintes bits do endere"o s#o utili-ados para acessar a cace: tag (bits % a )? index (bits  a H) e o!!set (bits  % a 4).

Gaseado nessas in&orma"ões! e lem9rando que um 9loco de cache 6 composto por vrias palavras! e que cada b-te pode ser acessado de modo individual dentro de uma palavra! responda: a) ual o tamanho do 9loco da cace! em palavras0 b) uantas entradas a cache possui0 a3 = #3:, 9. 3ara uma cace diretamente mapeada pro5etada com endere"os de + bits! os seguintes bits do endere"o s#o utili-ados para acessar a cace: tag (bits + a )? index (bits  @ a ) e o!!set (bits % a

). Gaseado nessas in&orma"ões! e lem9rando que um 9loco de cache 6 composto por vrias palavras! e que cada b-te pode ser acessado de modo individual dentro de uma palavra! responda: a) ual o tamanho do 9loco da cace! em palavras0 b) uantas entradas a cache possui0 a3 (; #3;1 10. Usando a s6rie de re&er2ncias aos 9locos de mem>ria ! 4! +! ! 4! 4! %! +! +!  mostre a) os acertos e &alhas e b) o conteBdo &inal da cache para uma diretamente mapeada com 9locos de uma

palavra e um tamanho total de ' palavras. a3 : >miss3* 1 >miss3* , >miss3* : >?it3* 1 >?it3* (1 >miss3* ( >miss3* , >miss3* , >?it3* (: >miss3 #3  (  ,

,

M,Q 

:

:

M:Q

 1

1

M1Q 

-

(:

M(:Q

 

;

(1

M(1Q

 

 

< 

11. Considere a seguinte lista de re&er2ncias a endere"os de mem>ria! dadas como endere"os de palavras! de uma mquina de + 9its: ! '%! 4! +! H! ''! H%! 4! '! 44! '@! +. a) Apresente

o conteBdo &inal de uma cache totalmente associativa com 9locos de duas palavras e tamanho total de ' palavras! e que usa K^U para su9stitui"#o das entradas0 b) ual a taxa de &alhas da cache para estes acessos0 a3  ,-,

,-:

(=

(=(

(=

(=(

11

1-

1,

1:

,-,

,-:

(9

(9(

==

=9

(1

(-

11

1-

(=;

(=< 

(=; (=<  

#3 : missY (= miss Y 1: miss Y , ?it Y (9( missY == miss Y (9 ?it Y (1 miss Y (=( miss Y 11 miss Y (=; miss Y ,-: miss miss rate8 (/(, 4 =:*:G

12. Assuma as seguintes taxas de &alhas na execu"#o de uma aplica"#o por um computador: cache

de instru"ões! de / e cache de dados! /.  custo de uma &alha! tanto de dados quanto de instru"ões! equivale a +%% ciclos de C3U.  processador tem C3 igual a ! quando seus dadosinstru"ões s#o encontrados na cache. u#o mais rpido executaria uma aplica"#o em um computador com cache per&eita! em que +%/ das instru"ões s#o de acesso à dados na mem>ria0 Ci!os de fa!?a de instrução 4 I  (G  , 4 ,I  Ci!os de fa!?a de dados 4 I  ,G  :G  , 4 (*,I  Aota! de i!os de sta!! de memria 4 ,I  (*,I 4 :*,I  CPI 4 (*-  :*, 4 1*<  Como não ? mudança na ontagem de instruç%es e na &e!oidade do !o6* temos8 Aempo de CPU om sta!! / Aempo de CPU om a?e perfeita 4 >I  CPIsta!!  Ci!o de !o63/ >I    CPIperfeito  Ci!o de !o63 ∴ CPIsta!!/CPIperfeito 4 1*< / (.- 4 :*( &ezes mais rpido 13. ual o tempo m6dio de acesso à mem>ria em um processador com cloc de  ns! penalidade de

&alha de +% ciclos de cloc! taxa de &alhas (instru"ões T dados) de / por instru"#o! e tempo de acesso à cache (incluindo a detec"#o de um acerto) de  ciclo de cloc0 Assuma que as penalidades de leitura e escrita s#o iguais e ignore qualquer outra parada decorrente da escrita de dados. Aempo 4 >( i!o  *- ,3  (ns 4 ,  (na 4 ,ns 14. Considere a seguinte lista de re&er2ncias a endere"os de mem>ria! dadas como endere"os de palavras! de uma mquina de + 9its: +! ! ! +! +! %! ! +! ! %! +! . a) Apresente o conteBdo

&inal de uma cache associativa por con5unto de duas vias com 9locos de duas palavras e tamanho total de @ palavras! e que usa K^U para su9stitui"#o das entradas0 b) ual a taxa de &alhas da cache para estes acessos0 a3  ( ,

:

 , (,

(:

( ((

: #3 :/(, 4 *,- ou ,-G 15. Usando a s6rie de re&er2ncias aos 9locos de mem>ria ! 4! +! ! 4! 4! %! +! +!  mostre 1.0 %t) a) os acertos e &alhas e 1.0 %t) 9) o conteBdo &inal da cache para uma diretamente mapeada com

9locos de uma palavra e um tamanho total de ' palavras. Considere que os endere"os apresentados acima s#o em +ords. a3 : >miss3* 1 >miss3* , >miss3* : >?it3* 1 >?it3* (1 >miss3* ( >miss3* , >miss3* , >?it3* (: >miss3 #3  (  ,

,

M,Q 

:

:

M:Q

 1

1

M1Q 

 

-

(:

M(:Q

 

;

(1

M(1Q

 

< 

16. Usando a s6rie de re&er2ncias à mem>ria ! ! ! ! ! ! ! ! ! e  mostre (% pts) a) o conteBdo

&inal da cache e (% pts) 9) a taxa de acertos! considerando que o sistema possui uma cache associativa por con5unto de duas vias! com 9locos de uma palavra e um tamanho total de 4 palavras. s endere"os s#o dados em palavras e o esquema K^U 6 usado na su9stitui"#o dos 9locos de cace. a3 !oo 

!oo (

M:Q

M-Q

ConLunto  ConLunto (

 

#3 ( >fa!?a3* : >fa!?a3* - >fa!?a3* ( >fa!?a3* : >fa!?a3* ( >aerto3* : >aerto3* - >fa!?a3* : >aerto3* -  >aerto3 taa de aertos 4 1G 17. 
de mem>ria e a penalidade de &alha 6 de $% ciclos para todas as &alhas! determine o quanto mais rpido um processador executaria com uma cace per&eita que nunca &alhasse. Considere que a &requ2ncia de todos os loads e stores se5a de +%/. Ci!os de fa!?a de instrução 4 I K :G K < 4 ,.(I  Ci!os de fa!?a de dados 4 I K ,G K -G K < 4 *
C) questões relativas ao item ' do programa (Arma-enamento! redes e outros peri&6ricos) 1 e 2.  Considere um disco magn6tico com as seguintes caracter*sticas: a) Pempo de see"   m6dio:

+ms? velocidade de rota"#o: @%% ^3;? Paxa de trans&er2ncia: !;Gs?
qual 6 o tempo m6dio para ler ou escrever um setor do disco0 Aempo de aesso 4 (,  >.-;(: /:;3  >-(,/>:.-(;  33(  -.- 4 ,-.9< ms

2. 
deste ^AD sincroni-a os 9ra"os de todos os discos de modo que todos este5am sempre nos mesmos setores das mesmas trilhas. s dados a serem escritos s#o divididos entre os quatro discos! de modo que quatro setores consecutivos possam ser lidos em paralelo. ual o tempo m6dio para lermos +bG consecutivos deste ^AD0 Uma &ez +ue +uatro setores onseuti&os podem ser !idos em para!e!o* podemos !er 1  -(, 4  ,c por &ez. Para !er :, c* temos de !er (; setores em ada diso. (; setores e+ui&a!em a (;    -(, 4 =c. Aempo de aesso 4 (,  >.-;( : /:;3  >=(,1/>:.-(;  33(  -.- 4 ,=.(<  ms 3. Considere um disco com um setor de tamanho igual a %+4 9Ytes! e que gire a %.%%% rpm. Leste disco! o tempo de see"   m6dio 6 de $ms! a taxa de trans&er2ncia de 4% ;Gseg e o overead  da

controladora de %! ms. *- rotação /( NPM3 >( c / 1 M/se3  *(   4 <  :  *,-   *( 4(*(,- ms 4. Con&orme visto em sala! as opera"ões de F< podem ser executadas em 9arramentos s*ncronos

ou ass*ncronos. ue tipo de 9arramento seria mais apropriado para lidar com comunica"#o entre a C3U e uma impressora0 1usti&ique.  'ss2nrono. ' impressora 0 e!etriamente distante da CPU. 5. Um programa reali-a repetidamente um processo em tr2s etapas: ele l2 um 9loco de 4 bG de

dados do disco! &a- algum processamento nesses dados e depois escreve o resultado como outro 9loco de 4 bG em outro lugar no disco. Cada 9loco 6 cont*guo e locali-ado aleatoriamente em uma Bnica trilha do disco. A unidade de disco gira a %.%%% rpm! possui um tempo de see"  m6dio de 4ms e uma velocidade de trans&er2ncia de % ;Gs.  overead   do controlador 6 de ms. Lenhum outro programa est usando o disco ou o processador! e n#o existe so9reposi"#o de opera"ões de disco com processamento. A etapa de processamento utili-a +% milhões de ciclos de cloc" ! e a velocidade do cloc"  6 de +78-. ual 6 a velocidade geral do sistema em 9locos processados por segundo0  ,>Aempo de )ee6  'traso rotaiona!  O&er?ead3  tempo de proessamento  , >.1 seg  .- / >(/;3 seg  .(3  >, mi!?%es de i!os3>, z3 seg 4  , >.1  .:  .(3  .( 4 ,; ms !oos proessados/seg 4 (/,; ms ⋍ :=.- #!oos/seg O tempo de transferHnia 0 de = se e !ogo pode ser neg!igeniado. 6. rdene as tr2s &ormas de &a-er opera"ões de entradasa*da ( polling! interrup"#o e D;A)!

considerando uma opera"#o de entradasa*da em um Bnico dispositivo! com respeito ao menor impacto na utili-a"#o do processador. DM'* interrupção* po!!ing 7.