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1 Ejercicios 5.1 [5] < 5.3> Describa el efecto que un simple fallo permanecer como 0 (es decir, independiente de lo que debería ser, la señal es siempre 0) provocaría en los multiplexores en el camino de datos uniciclo de la figura 5.19, página 346. Qué instrucciones continuarían funcionando, si lo hace alguna? Considere cada uno de los siguientes fallos por separado. RegDest = O, FuenteALU = 0, MemaReg = 0, Cero = [5] < 5.3> Este ejercicio es similar al 5.1, pero ahora considere los fallos causados por permanecer en 1 (la señal es siempre 1). 5.3 [5] < 5.4> Este ejercicio es similar al 5.1, pero ahora considere el efecto que los fallos permanecer en 0 provocarían en los multiplexores del camino de datos multiciclo de la figura 5.32, página 366. Considere cada uno de los siguientes fallos: RegDest = O, MemaReg = 0, lod = 0, SelALUA = [5] < 5.3> Este ejercicio es similar al 5.3, pero ahora considere los fallos permanecer en 1 (la señal es siempre 1). 5.5 [15] < 5.3> Se desea añadir la instrucción addi (suma inmediata) al camino de datos uniciclo descrito en este capítulo. Para ello, añada los caminos de datos y las señales de control necesarios al camino de datos uniciclo de la figura 5.19, página 346, y diga lo que añadiría al de la figura 5.20, página 347. Puede fotocopiar estas figuras o conseguirlas de para realizar las modificaciones más rápidamente. 5.6 [15] < 5.3> Esta pregunta es similar a la 5.5 excepto que ahora se quiere añadir la instrucción jal (salto y enlace), descrita en el capítulo 3, página 123. Puede que le resulte más fácil hacer las modificaciones pertinentes a partir del camino de datos de la figura 5.29, de la página [8] < 5.3> Esta pregunta es similar a la 5.5 excepto que ahora se quiere añadir la instrucción bne (saltar si no igual), descrita en el capítulo [15] < 5.3> Esta pregunta es similar a la 5.5 excepto que ahora se quiere añadir una variante a la instrucción 1w (cargar palabra), que suma dos registros para obtener la dirección de memoria de los datos a ser cargados (véase Ejercicio 4.16) y utiliza el formato-r. 5.9 [5] < 5.3> Explique por qué no es posible modificar la realización uniciclo para construir la instrucción swap descrita en el Ejercicio 4.40, sin modificar el banco de registros [5] < 5.3, 5.4> Un amigo suyo quiere eliminar la señal de control MemaReg. El multiplexor que tiene esta señal como entrada utilizará en su lugar la señal de control LeerMem. Funcionará la modificación de su amigo? Considere ambos camino de datos [10] < 5.3> Este ejercicio es similar al 5.10 pero más general. Determine si cualquiera de las señales de control (aparte de MemaReg) en la realización uniciclo pueden ser eliminadas y reemplazadas por otra señal de control ya existente. Por qué si o por qué no? 5.12 [15] < S.3> Considere la siguiente idea: Se va a modificar la arqultectura del repertorio de instrucciones y a eliminar la posibilidad de especificar un desplazamiento para las instrucciones de acceso a memoria. Concretamente, todas las instrucciones de acceso a

2 memoria con desplazamientos diferentes de cero se convertirán en pseudoinstrucciones y se realizarán utilizando dos instrucciones: Por ejemplo: addi $at,$tl, 104# añade el offset al registro # temporal 1w $to,$at # nueva forma de hacer 1w $t0, 104 # ($tl) Qué cambios haría en el control y en el camino de datos uniciclo para utilizar esta arquitectura especificada? 5.13 [10] < 5.3> {Ejerc. 5.12} Si se realizan las modificaciones descritas en el ejercicio 5.12, existen algunos compromisos definitivos respecto al rendimiento. Concretamente, el tiempo de ciclo puede resultar afectado, y todas las instrucciones de acceso a memoria con desplazamientos no nulos requerirían ahora una instrucción addi extra (un buen compilador puede encontrar formas de reducir la necesidad de instrucciones addi extras, pero se ignora). Si hay demasiadas instrucciones de acceso a memoria con desplazamientos no nulos, es probable que la modificación no mejorara el rendimiento. Suponiendo los retardos especificados en la página 359, cuál es el mayor porcentaje de instrucciones de acceso a memoria con desplazamientos que se podría tolerar (es decir, que tuvieran en la modificación un impacto positivo en el rendimiento)? 5.14 [10] < 5.3> En la estimación del rendimiento de la realización uniciclo hemos supuesto que sólo las unidades funcionales más grandes tienen retardo (es decir, los retardos de los multiplexores, la unidad de control, acceso al PC, unidad de extensión de signo, y de las conexiones se consideran despreciables). Suponga que se cambian los retardos especificados en la página 359 y que se utiliza un tipo diferente de sumador para suma sencilla: ALU: 2 ns sumador para PC+4: X ns sumador para el cálculo de la dirección del salto: Y ns a. Cuál sería el tiempo de ciclo si X e Y son 3? b. Cuál sería el tiempo de ciclo si X e Y son 5? c. Cuál sería el tiempo de ciclo si X = 1 e Y = 8? 5.15 [15] < 5.4> Se quiere añadir la instrucción addi (suma inmediata) al camino de datos multiciclo descrito en este capítulo. Esta instrucción se describe en el capítulo 4, página 213. Añada los caminos de datos y las señales de control necesarias al camino de datos multiciclo de la figura 5.33, página 368, e indique las modificaciones necesarias a la máquina de estados finitos de la figura 5.42, página 381. Para ello puede serle de ayuda examinar los pasos de ejecución mostrados en las páginas 370 a 374, y considere los pasos que se necesitarán para ejecutar la nueva instrucción. Puede fotocopiar las figuras o conseguirlas en para mostrar más fácilmente las modificaciones. Intente encontrar una solución que minimice el número de ciclos de reloj requeridos para la nueva instrucción. Especifique claramente cuántos ciclos necesita la nueva instrucción para ejecutarse en su camino de datos y la máquina de estados finitos modificada.

3 5.16 [5] < 5.5, 5.8> {Ejercicio 5.15} Escriba las secuencias de microcódigo para la instrucción addi. Si necesita hacer algún cambio en el formato de la microinstrucción o en los contenidos de campos, indique cómo modificarán las salidas de control los nuevos formatos y campos [15] < 5.4> Esta pregunta es similar al Ejercicio 5.15 excepto que ahora se quiere añadir la instrucción jal (salto y enlace), descrita en el capítulo [15] < 5.4> Esta pregunta es similar al Ejercicio 5.15 excepto que ahora se quiere añadir la instrucción swap descrita en el Ejercicio No modifique el banco de registros. Como el formato de la instrucción swap no se ha definido aún, puede definirla como quiera [15] < 5.4> Esta pregunta es similar al Ejercicio 5.15 excepto que ahora se quiere añadir una nueva instrucción, wai (del inglés, where am I?, dónde estoy?), que coloca la posición de la instrucción (el valor del PC cuando la instrucción fue cargada) en un registro especificado por el campo rt de la instrucción de lenguaje máquina. Suponga que el camino de datos no ha cambiado y, como es normal, el ciclo de reloj es tan corto que no permite una operación ALU y un acceso al banco de registros en un mismo ciclo de reloj si uno de ellos depende del resultado del otro [15] < 5.4> Esta pregunta es similar al Ejercicio 5.15 excepto que ahora se quiere añadir una instrucción nueva, jm (jump memory, salto a memoria). Su formato de instrucción es igual a 1w excepto que el campo rt no se utiliza porque el dato cargado de memoria se coloca en el PC en vez de hacerlo en el registro destino [20] < 5.4> Esta pregunta es similar al Ejercicio 5.15 excepto que ahora se quiere añadir el soporte de instrucciones aritméticas de cuatro operandos como add3, la cual suma tres números en vez de dos: add3 $t5, $t6, $t7, $t8 # $t5 = $t6 + $t7 + $t8 Suponga que la arquitectura del repertorio de instrucciones está modificada al introducir un nuevo formato de instrucción similar al formato R, excepto que los bits 0-4 se utilizan para especificar el registro adicional (se seguirá utilizando los rs, rt y rd) y, por supuesto, se utiliza un nuevo código de operación. Su solución no debería depender de añadir nuevos puertos de lectura al banco de registros, ni debería utilizar una nueva ALU [10] < 5.4> Indique cómo puede realizarse la instrucción de salto a registro (descrita en las páginas 120 y 479) simplemente modificando la máquina de estados finitos de la figura 5.42, página 381. (Le puede ayudar el recordar que $0 = $zero = 0.) 5.23 [15] < 5.4> Considere un cambio en la realización multiciclo que altere el banco de registros para que sólo tenga un puerto de lectura. Describa (mediante un diagrama) cualquier cambio adicional del camino de datos para soportar esta modificación. Modifique la máquina de estados finitos para indicar cómo trabajarán las instrucciones con el nuevo camino de datos [15] < > Para este problema utilice los datos del gcc de la figura 4.54, página 297. Suponga que dispone de tres máquinas: M1: El camino de datos multiciclo del capítulo 5 con un reloj de 500 MHz.

4 M2: Una máquina con el camino de datos multiciclo del capítulo 5, excepto que los registros se actualizan en el mismo ciclo de reloj que una lectura de memoria o una operación de ALU. Así, en la figura 5.42, página 381, se combinan los estados 6 y 7, y los estados 3 y 4. Esta máquina tiene un reloj de 400 MHz, ya que la actualización del registro incrementa la longitud del camino crítico. M3: Una máquina como M2, excepto que los cálculos de la dirección efectiva se realizan en el mismo ciclo de reloj que un acceso a memoria. Así, los estados 2, 3 y 4 se pueden combinar, como el 2 y el 5, y también el 6 y el 7. Esta máquina tiene un reloj de 250 MHz debido al ciclo largo creado al combinar el cálculo de la dirección y el acceso a memoria. Averigue qué máquina es la más rápida. Existe alguna combinación de instrucciones que harían a otra máquina más rápida? Y si la hay, cuál es esa combinación o combinaciones? 5.25 [20] < 5.4> Sus amigos de la C 3 (Creative Computer Corporation) han determinado que el camino crítico que establece la longitud del ciclo de reloj del camino de datos multiciclo es el acceso a memoria de datos (no para instrucciones). Esto ha dado lugar a su más reciente realización de la MIPS para ejecutar con una frecuencia de reloj de 500 MHz en vez del objetivo de alcanzar los 750 MHz. De todas formas, Clara, de C 3, tiene una solución. Si todos los ciclos que acceden a memoria se dividen en dos ciclos, entonces la máquina puede ejecutar con la frecuencia de reloj final. Utilizando la combinación de instrucciones del gcc mostrada en el capítulo 4 (figura 4.54, página 297), determine cuánto más rápida será la máquina con accesos a memoria de dos ciclos respecto a la máquina de 500 MHz con acceso a memoria en un ciclo. Suponga que todos los saltos necesitan el mismo número de ciclos y que las instrucciones del repertorio y las aritméticas inmediatas se realizan como de tipo R [20] < 5.4> Suponga que hubiera una instrucción MIPS, llamada bcp, que copiara un bloque de palabras de una dirección a otra. Suponga que esta instrucción requiere que la dirección del principio del bloque fuente sea un registro $t1 y la dirección destino esté en $t2, y que el número de palabras a copiar esté en $t3 (que es 0). Además, suponga que los valores de estos registros, así como el registro $t4 puedan destruirse al ejecutar esta instrucción (para que los registros puedan usarse como temporales). Escriba el programa de lenguaje ensamblador MIPS para realizar la copia del bloque. Cuántas instrucciones se ejecutarán para copiar un bloque de 100 palabras? Utilizando el CPI de las instrucciones en la realización multiciclo, cuántos ciclos se necesitarán para copiar el bloque de 100 palabras? 5.27 [30] < 5.5> {Ejercicio 5.26} Se ha usado microcódigo para añadir instrucciones más potentes a un repertorio de instrucciones dado. Se van a estudiar los beneficios potenciales de esta aproximación. Diseñe una estrategia para realizar la instrucción bcp descrita en el Ejercicio 5.26 utilizando el camino de datos multiciclo y microcódigo. Probablemente se necesitará hacer algunos cambios en el camino de datos para realizar la instrucción eficientemente. Dé una descripción de los cambios propuestos y de cómo funciona la instrucción. Existen ventajas por añadir registros internos al camino de datos para ayudar a soportar la instrucción bcp? Estime la mejora del rendimiento que se puede conseguir al realizar la instrucción en circuitería (respecto de la solución por programa del Ejercicio 5.26) y explique de dónde procede el incremento del rendimiento [30] < 5.5> {Ejercicio 5.27} Usando la estrategia desarrollada en el Ejercicio 5.27, modifique el formato de las microinstrucciones MIPS descrito en la figura 5.45, página 387, y dé el microprograma completo para la instrucción bcp. Describa detalladamente cómo se extiende el

5 microcódigo para soportar la creación de estructuras de control más complejas (como un bucle) con microcódigo. Ha cambiado el soporte para la instrucción bcp el tamaño del microcódigo? Además de la instrucción bcp, alguna otra instrucción se verá afectada por el cambio en el formato de microinstrucción? 5.29 [15] < 5.6> Se quiere añadir la instrucción rfe (retorno de excepción) al camino de datos multiciclo descrito en este capitulo. La principal tarea de la instrucción rfe es copiar el contenido del EPC en el PC (los mecanismos de la excepción requieren algunas posibilidades adicionales que se expondrán en el capítulo 7). Añada lo que estime oportuno en el camino de datos y las señales de control necesarias al multiciclo de la figura 5.48, página 398, y muestre las modificaciones necesarias en la máquina de estados finitos de las figuras 5.49 y 5.50, páginas 399 y 400. Puede fotocopiar las figuras u obtenerlas de para hacer más fácil el mostrar las modificaciones [1 semana] < 5.2, 5.3> Utilizando un lenguaje de simulación de circuitería, como Verilog, realice un simulador funcional para la versión de un ciclo. Construya el simulador con las librerías existentes, si están disponibles. Si las partes contienen información de sincronización, determine qué tiempo de ciclo tendrá la realización [1 semana] < 5.2, 5.4, 5.5> Utilizando un lenguaje de simulación de circuitería, como Verilog, realice un simulador funcional para la versión multiciclo del diseño. Construya el simulador con las librerías existentes, si están disponibles. Si las partes contienen información de sincronización, determine qué tiempo de ciclo tendrá la realización [2-3 meses] < > Utilizando componentes estándar, construya una máquina que realice la máquina uniciclo de este capítulo [2-3 meses] < > Utilizando componentes estándar, construya una máquina que realice la máquina multiciclo de este capítulo [debate] < 5.5, 5.8, 5.9> Hipótesis: Si la primera realización de una arquitectura utiliza microprogramación, afecta a la arquitectura del repertorio de instrucciones. Por qué puede ser esto cierto? Puede encontrar una arquitectura que probablemente utilizará siempre microcódigo? Por qué? Qué máquinas nunca utilizarán microcódigo? Por qué? Qué realización del control piensa que el arquitecto tiene en mente cuando diseña la arquitectura del repertorio de instrucciones? 5.35 [debate] < 5.5, 5.10> Wilkes inventó la microprogramación en gran parte para simplificar la construcción del control. Desde 1980, ha habido una explosión de los programas de diseño asistido por ordenador cuyo objetivo es también simplificar la construcción del control. Esto ha hecho el diseño del control mucho más fácil. Hay alguna evidencia, basada en las herramientas o en los diseños reales, que apoye o niegue esta hipótesis? 5.36 [debate] < 5.10> Las microinstrucciones y las instrucciones MIPS tienen muchas similitudes. Qué haría más difícil para el compilador generar microcódigo MIPS que macrocódigo? Qué cambios en la microarquitectura haría más útil el microcódigo para esta realización?

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