计算机组成原理课后答案(第二版)唐朔飞第四章 存储器.ppt

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1、存 储 器,第 四 章,3.存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache主存和主存辅存这两个存储层次上。Cache主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。主存辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。,综合上述两个存储层次的作用，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。

2、而主存辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现，即将主存与辅存的一部份通过软硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间（物理地址空间）大得多的虚拟地址空间（逻辑地址空间）编程，当程序运行时，再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此，这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。,4.说明存取周期和存取时间的区别。解：存取周期和存取时间的主要区别是：存取时间仅为完成一次操作的时间，而存取周期不仅包含操作时间，还包含操作后线路的恢复时间。即：存取周期=存取时间+恢复时间 5.什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns

3、，则存储器的带宽是多少？解：存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。存储器带宽=1/200ns 32位=160M位/秒=20MB/S=5M字/秒 注意字长（32位）不是16位。（注：本题的兆单位来自时间=106）,6.某机字长为32位，其存储容量是64KB，按字编址其寻址范围是多少？若主存以字节编址，试画出主存字地址和字节地址的分配情况。解：存储容量是64KB时，按字节编址的寻址范围就是64KB，则：按字寻址范围=64K8/32=16K字 按字节编址时的主存地址分配图如下：,0,1,2,3,6,5,4,65534,65532,7,65535,65533,字地址 HB 字节地址LB,

4、0486552865532,讨论：1、在按字节编址的前提下，按字寻址时，地址仍为16位，即地址编码范围仍为064K-1，但字空间为16K字，字地址不连续。2、字寻址的单位为字，不是B（字节）。3、画存储空间分配图时要画出上限。,7.一个容量为16K32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少？当选用下列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？1K4位，2K8位，4K4位，16K1位，4K8位，8K8位 解：地址线和数据线的总和=14+32=46根；各需要的片数为：1K4：16K32/1K4=168=128片 2K8：16K32/2K 8=8 4=32片 4K4：16K32/4K 4=4 8=32片

5、 16K1：16K 32/16K 1=32片 4K8：16K32/4K8=4 4=16片 8K8：16K32/8K 8=2X4=8片,讨论：地址线根数与容量为2的幂的关系，在此为214，14根；数据线根数与字长位数相等，在此为32根。（注：不是2的幂的关系。）：32=25，5根,8.试比较静态RAM和动态RAM。答：静态RAM和动态RAM的比较见下表：,9.什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。解：刷新对DRAM定期进行的全部重写过程；刷新原因因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充，因此安排了定期刷新操作；常用的刷新方法有三种集中式、分散式、异步式。集中式：在最大刷新间隔

6、时间内，集中安排一段时间进行刷新；分散式：在每个读/写周期之后插入一个刷新周期，无CPU访存死时间；异步式：是集中式和分散式的折衷。,讨论：1）刷新与再生的比较：共同点：动作机制一样。都是利用DRAM存储元破坏性读操作时的重写过程实现；操作性质一样。都是属于重写操作。,区别：解决的问题不一样。再生主要解决DRAM存储元破坏性读出时的信息重写问题；刷新主要解决长时间不访存时的信息衰减问题。操作的时间不一样。再生紧跟在读操作之后，时间上是随机进行的；刷新以最大间隔时间为周期定时重复进行。动作单位不一样。再生以存储单元为单位，每次仅重写刚被读出的一个字的所有位；刷新以行为单位，每次重写整个存储器所有

7、芯片内部存储矩阵的同一行。,芯片内部I/O操作不一样。读出再生时芯片数据引脚上有读出数据输出；刷新时由于CAS信号无效，芯片数据引脚上无读出数据输出（唯RAS有效刷新，内部读）。鉴于上述区别，为避免两种操作混淆，分别叫做再生和刷新。2）CPU访存周期与存取周期的区别：CPU访存周期是从CPU一边看到的存储器工作周期，他不一定是真正的存储器工作周期；存取周期是存储器速度指标之一，它反映了存储器真正的工作周期时间。,3）分散刷新是在读写周期之后插入一个刷新周期，而不是在读写周期内插入一个刷新周期，但此时读写周期和刷新周期合起来构成CPU访存周期。4）刷新定时方式有3种而不是2种，一定不要忘了最重要

8、、性能最好的异步刷新方式。,10.半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种？解：半导体存储器芯片的译码驱动方式有两种：线选法和重合法。线选法：地址译码信号只选中同一个字的所有位，结构简单，费器材；重合法：地址分行、列两部分译码，行、列译码线的交叉点即为所选单元。这种方法通过行、列译码信号的重合来选址，也称矩阵译码。可大大节省器材用量，是最常用的译码驱动方式。,11.一个8K8位的动态RAM芯片，其内部结构排列成256256形式，存取周期为0.1s。试问采用集中刷新、分散刷新及异步刷新三种方式的刷新间隔各为多少？注：该题题意不太明确。实际上，只有异步刷新需要计算刷新间隔。解：设DRAM的刷新最大间隔

9、时间为2ms，则 异步刷新的刷新间隔=2ms/256行=0.0078125ms=7.8125s 即：每7.8125s刷新一行。集中刷新时，刷新最晚启动时间=2ms-0.1s256行=2ms-25.6s=1974.4s,集中刷新启动后，刷新间隔=0.1s 即：每0.1s刷新一行。集中刷新的死时间=0.1s256行=25.6s 分散刷新的刷新间隔=0.1s2=0.2s 即：每0.2s刷新一行。分散刷新一遍的时间=0.1s2256行=51.2s 则 分散刷新时，2ms内可重复刷新遍数=2ms/51.2s 39遍,12.画出用10244位的存储芯片组成一个容量为64K8位的存储器逻辑框图。要求将64K

10、分成4个页面，每个页面分16组，指出共需多少片存储芯片？（注：将存储器分成若干个容量相等的区域，每一个区域可看做一个页面。）解：设采用SRAM芯片，总片数=64K 8位/1024 4位=64 2=128片 题意分析：本题设计的存储器结构上分为总体、页面、组三级，因此画图时也应分三级画。首先应确定各级的容量：页面容量=总容量/页面数=64K 8位/4=16K 8位；,组容量=页面容量/组数=16K 8位/16=1K 8位；组内片数=组容量/片容量=1K8位/1K4位=2片；地址分配：,页面号 组号 组内地址,2 4 10,组逻辑图如下：（位扩展）,页面逻辑框图：（字扩展）,存储器逻辑框图：（字扩

11、展）,13.设有一个64K8位的RAM芯片，试问该芯片共有多少个基本单元电路（简称存储基元）？欲设计一种具有上述同样多存储基元的芯片，要求对芯片字长的选择应满足地址线和数据线的总和为最小，试确定这种芯片的地址线和数据线，并说明有几种解答。解：存储基元总数=64K 8位=512K位=219位；思路：如要满足地址线和数据线总和最小，应尽量把存储元安排在字向，因为地址位数和字数成2的幂的关系，可较好地压缩线数。,设地址线根数为a，数据线根数为b，则片容量为：2a b=219；b=219-a；若a=19，b=1，总和=19+1=20；a=18，b=2，总和=18+2=20；a=17，b=4，总和=17

12、+4=21；a=16，b=8，总和=16+8=24；由上可看出：片字数越少，片字长越长，引脚数越多。片字数、片位数均按2的幂变化。结论：如果满足地址线和数据线的总和为最小，这种芯片的引脚分配方案有两种：地址线=19根，数据线=1根；或地址线=18根，数据线=2根。,14.某8位微型机地址码为18位，若使用4K4位的RAM芯片组成模块板结构的存储器，试问：（1）该机所允许的最大主存空间是多少？（2）若每个模块板为32K8位，共需几个模块板？（3）每个模块板内共有几片RAM芯片？（4）共有多少片RAM？（5）CPU如何选择各模块板？,解：（1）218=256K，则该机所允许的最大主存空间是256K

13、8位（或256KB）；（2）模块板总数=256K8/32K8=8块；（3）板内片数=32K8位/4K4位=8 2=16片；（4）总片数=16片 8=128片；（5）CPU通过最高3位地址译码选板，次高3位地址译码选片。地址格式分配如下：,15.设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ（低电平有效）作访存控制信号，R/W作读/写命令信号（高电平为读，低电平为写）。现有这些存储芯片：ROM（2K8位，4K4位，8K8位），RAM（1K4位，2K8位，4K8位），及74138译码器和其他门电路（门电路自定）。试从上述规格中选用合适的芯片，画出CPU和存储芯片的连接图。要求如下：（1）最小4

14、K地址为系统程序区，409616383地址范围为用户程序区；（2）指出选用的存储芯片类型及数量；（3）详细画出片选逻辑。,解：（1）地址空间分配图如下：,4K（ROM）4K（SRAM）4K（SRAM）4K（SRAM）,04095 40968191 8192122871228816383 65535,Y0Y1Y2Y3,A15=1,A15=0,（2）选片：ROM：4K 4位：2片；RAM：4K 8位：3片；（3）CPU和存储器连接逻辑图及片选逻辑：,4K4ROM,74138（3：8）,4K4ROM,4K8RAM,4K8RAM,4K8RAM,G1,+5V,讨论：1）选片：当采用字扩展和位扩展所用芯片

15、一样多时，选位扩展。理由：字扩展需设计片选译码，较麻烦，而位扩展只需将数据线按位引出即可。本题如选用2K8 ROM，则RAM也应选2K8的。否则片选要采用二级译码，实现较麻烦。当需要RAM、ROM等多种芯片混用时，应尽量选容量等外特性较为一致的芯片，以便于简化连线。2）应尽可能的避免使用二级译码，以使设计简练。但要注意在需要二级译码时如果不使用，会使选片产生二意性。,3）片选译码器的各输出所选的存储区域是一样大的，因此所选芯片的字容量应一致，如不一致时就要考虑二级译码。4）其它常见错误：EPROM的PD端接地；（PD为功率下降控制端，当输入为高时，进入功率下降状态。因此PD端的合理接法是与片选

16、端CS并联。）ROM连读/写控制线WE；（ROM无读/写控制端）注：该题缺少“系统程序工作区”条件。,16.CPU假设同上题，现有8片8K8位的RAM芯片与CPU相连。（1）用74138译码器画出CPU与存储芯片的连接图；（2）写出每片RAM的地址范围；（3）如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据，以A000H为起始地址的存储芯片都有与其相同的数据，分析故障原因。（4）根据（1）的连接图，若出现地址线A13与CPU断线，并搭接到高电平上，将出现什么后果？,解：（1）CPU与存储器芯片连接逻辑图：,（2）地址空间分配图：,（3）如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据后，以A000H为起始地址的存

17、储芯片都有与其相同的数据，则根本的故障原因为：该存储芯片的片选输入端很可能总是处于低电平。可能的情况有：1）该片的-CS端与-WE端错连或短路；2）该片的-CS端与CPU的-MREQ端错连或短路；3）该片的-CS端与地线错连或短路；在此，假设芯片与译码器本身都是好的。,（4）如果地址线A13与CPU断线，并搭接到高电平上，将会出现A13恒为“1”的情况。此时存储器只能寻址A13=1的地址空间，A13=0的另一半地址空间将永远访问不到。若对A13=0的地址空间进行访问，只能错误地访问到A13=1的对应空间中去。,22.某机字长为16位，常规的存储空间为64K字，若想不改用其他高速的存储芯片，而使

18、访存速度提高到8倍，可采取什么措施？画图说明。解：若想不改用高速存储芯片，而使访存速度提高到8倍，可采取多体交叉存取技术，图示如下：,08M08K,19M18K,210M28K,311M38K,412M48K,513M58K,614M68K,715M78K,存储管理,存储总线,8体交叉访问时序：,启动M0：启动M1：启动M2：启动M3：启动M4：启动M5：启动M6：启动M7：,t,单体存取周期,由图可知：每隔1/8个存取周期就可在存储总线上获得一个数据。,23.设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用M/IO作为访问存储器或I/O的控制信号（高电平为访存，低电平为访I/O)，WR（低电平有效

19、）为写命令，RD（低电平有效）为读命令。设计一个容量为64KB的采用低位交叉编址的8体并行结构存储器。现有右图所示的存储芯片及138译码器。画出CPU和存储芯片（芯片容量自定）的连接图，并写出图中每个存储芯片的地址范围（用十六进制数表示）。,解：芯片容量=64KB/8=8KB 每个芯片（体）的地址范围以8为模低位交叉分布如下：,方案1：8体交叉编址的CPU和存储芯片的连接图：,注：此设计方案只能实现八体之间的低位交叉寻址，但不能实现八体并行操作。,方案2：8体交叉并行存取系统体内逻辑如下：,由于存储器单体的存取周期为T，而CPU的总线访存周期为（1/8）T，故体内逻辑要支持单体的独立工作速率。

20、因此在SRAM芯片的外围加了地址、数据的输入/输出缓冲装置，以及控制信号的扩展装置。,CPU和各体的连接图：由于存储器单体的工作速率和总线速率不一致，因此各体之间存在总线分配问题，存储器不能简单地和CPU直接相连，要在存储管理部件的控制下连接。,24.一个4体低位交叉的存储器，假设存取周期为T，CPU每隔1/4存取周期启动一个存储体，试问依次访问64个字需多少个存取周期？,解：本题中，只有访问第一个字需一个存取周期，从第二个字开始，每隔1/4存取周期即可访问一个字，因此，依次访问64个字需：存取周期个数=(64-1)(1/4)T+T=（63/4+1）T=15.75+1=16.75T 与常规存储

21、器的速度相比，加快了：（64-16.75）T=47.25T 注：4体交叉存取虽然从理论上讲可将存取速度提高到4倍，但实现时由于并行存取的分时启动需要一定的时间，故实际上只能提高到接近4倍。,25.什么是“程序访问的局部性”？存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理？解：程序运行的局部性原理指：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大(大约 5:1)。存储系统中Cache主存层次采用了程序访问的局部性原理。,26.计算机中设置Cache的作用是什么？能不能把Cache的容量扩

22、大，最后取代主存，为什么？答：计算机中设置Cache主要是为了加速CPU访存速度；不能把Cache的容量扩大到最后取代主存，主要因为Cache和主存的结构原理以及访问机制不同（主存是按地址访问，Cache是按内容及地址访问）。,27.Cache制作在CPU芯片内有什么好处？将指令Cache和数据Cache分开又有什么好处？答：Cache做在CPU芯片内主要有下面几个好处：1）可提高外部总线的利用率。因为Cache在CPU芯片内，CPU访问Cache时不必占用外部总线；2）Cache不占用外部总线就意味着外部总线可更多地支持I/O设备与主存的信息传输，增强了系统的整体效率；3）可提高存取速度。因

23、为Cache与CPU之间的数据通路大大缩短,故存取速度得以提高；,将指令Cache和数据Cache分开有如下好处：1）可支持超前控制和流水线控制，有利于这类控制方式下指令预取操作的完成；2）指令Cache可用ROM实现，以提高指令存取的可靠性；3）数据Cache对不同数据类型的支持更为灵活，既可支持整数（例32位），也可支持浮点数据（如64位）。,补充讨论：Cache结构改进的第三个措施是分级实现，如二级缓存结构，即在片内Cache（L1）和主存之间再设一个片外Cache（L2），片外缓存既可以弥补片内缓存容量不够大的缺点，又可在主存与片内缓存间起到平滑速度差的作用，加速片内缓存的调入调出速度

24、（主存L2L1）。,设主存容量为256K字，Cache容量为2K字，块长为4。（1）设计Cache地址格式，Cache中可装入多少块数据？（2）在直接映射方式下，设计主存地址格式。（3）在四路组相联映射方式下，设计主存地址格式。（4）在全相联映射方式下，设计主存地址格式。（5）若存储字长为32位，存储器按字节寻址，写出上述三种映射方式下主存的地址格式。,29.假设CPU执行某段程序时共访问Cache命中4800次，访问主存200次，已知Cache的存取周期是30ns，主存的存取周期是150ns，求Cache的命中率以及Cache-主存系统的平均访问时间和效率，试问该系统的性能提高了多少？,30

25、.一个组相联映射的Cache由64块组成，每组内包含4块。主存包含4096块，每块由128字组成，访存地址为字地址。试问主存和Cache的地址各为几位？画出主存的地址格式。,31.设主存容量为1MB，采用直接映射方式的Cache容量为16KB，块长为4，每字32位。试问主存地址为ABCDEH的存储单元在Cache中的什么位置？,32.设某机主存容量为4MB，Cache容量为16KB，每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射（即Cache每组内共有4个字块）的Cache组织。,（1）画出主存地址字段中各段的位数；（2）设Cache的初态为空，CPU依次从主存第0、1、289号单元读出9

26、0个字（主存一次读出一个字），并重复按此次序读8次，问命中率是多少？（3）若Cache的速度是主存的6倍，试问有Cache和无Cache相比，速度约提高多少倍？,答：（1）由于容量是按字节表示的，则主存地址字段格式划分如下：8 7 2 3 2（2）由于题意中给出的字地址是连续的，故（1）中地址格式的最低2位不参加字的读出操作。当主存读0号字单元时，将主存0号字块（07）调入Cache（0组0号块），主存读8号字单元时，将1号块（815）调入Cache（1组0号块）主存读89号单元时，将11号块（8889）调入Cache（11组0号块）。,共需调90/8 12次，就把主存中的90个字调入Cach

27、e。除读第1遍时CPU需访问主存12次外，以后重复读时不需再访问主存。则在908=720个读操作中：访Cache次数=（90-12）+630=708次 Cache命中率=708/720 0.98 98%（3）设无Cache时访主存需时720T（T为主存周期），加入Cache后需时：708T/6+12T=（118+12）T=130T 则：720T/130T 5.54倍 有Cache和无Cache相比，速度提高了4.54倍左右。,35.画出RZ、NRZ、NRZ1、PE、FM写入数字串1011001的写电流波形图。解：,36.以写入1001 0110为例，比较调频制和改进调频制的写电流波形图。解：写

28、电流波形图如下：,FM:MFM:MFM:,1 0 0 1 0 1 1 0,t,1 0 0 1 0 1 1 0频率提高一倍后的MFM制。,t,比较：1）FM和MFM写电流在位周期中心处的变化规则相同；2）MFM制除连续一串“0”时两个0周期交界处电流仍变化外，基本取消了位周期起始处的电流变化；3）FM制记录一位二进制代码最多两次磁翻转，MFM制记录一位二进制代码最多一次磁翻转，因此MFM制的记录密度可提高一倍。上图中示出了在MFM制时位周期时间缩短一倍的情况。由图可知，当MFM制记录密度提高一倍时，其写电流频率与FM制的写电流频率相当；,4）由于MFM制并不是每个位周期都有电流变化，故自同步脉冲

29、的分离需依据相邻两个位周期的读出信息产生，自同步技术比FM制复杂得多。,37.画出调相制记录01100010的驱动电流、记录磁通、感应电势、同步脉冲及读出代码等几种波形。解：,I：e：T：D：,0 1 1 0 0 0 1 0,t,t,t,t,t,写入,读出,注意：1）画波形图时应严格对准各种信号的时间关系。2）读出感应信号不是方波而是与磁翻转边沿对应的尖脉冲；3）同步脉冲的出现时间应能“包裹”要选的读出感应信号，才能保证选通有效的读出数据信号，并屏蔽掉无用的感应信号。PE记录方式的同步脉冲应安排对准代码周期的中间。4）最后读出的数据代码应与写入代码一致。,38.磁盘组有6片磁盘，最外两侧盘面可

30、以记录，存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层密度为400位/cm，转速3600转/分。（1）共有多少存储面可用？（2）共有多少柱面？（3）盘组总存储容量是多少？（4）数据传输率是多少？,解：（1）共有：62=12个存储面可用；（2）有效存储区域=（33-22）/2=5.5cm 柱面数=40道/cm 5.5cm=220道（3）内层道周长=22cm=69.08cm 道容量=400位/cm69.08cm=3454B 面容量=3454B220道=759 880B 盘组总容量=759，880B12面=9，118，560B,（4）转速=3600转/60秒=60转/秒 数据传输率=

31、3454B 60转/秒=207，240 B/S 注意：1）的精度选取不同将引起答案不同，一般取两位小数；2）柱面数盘组总磁道数（=一个盘面上的磁道数）3）数据传输率与盘面数无关；4）数据传输率的单位时间是秒，不是分。,39.某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录盘面，每毫米5道，每道记录信息12 288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道，求：（1）磁盘存储器的存储容量；（2）最高位密度（最小磁道的位密度）和最低位密度；（3）磁盘数据传输率；（4）平均等待时间。,解：（1）存储容量=275道12 288B/道4面=13 516 800B（2）最高位密度=12 288B/2301

32、7B/mm136位/mm（向下取整）最大磁道直径=230mm+275道/5道 2=230mm+110mm=340mm 最低位密度=12 288B/34011B/mm92位/mm（向下取整）（3）磁盘数据传输率=12 288B 3000转/分=12 288B 50转/秒=614 400B/S（4）平均等待时间=1/50/2=10ms,讨论：1、本题给出的道容量单位为字节，因此算出的存储容量单位也是字节，而不是位；2、由此算出的位密度单位最终应转换成bpm(位/毫米）；3、平均等待时间是磁盘转半圈的时间，与容量无关。,40.采用定长数据块记录格式的磁盘存储器，直接寻址的最小单位是什么？寻址命令中如

33、何表示磁盘地址？答：采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是一个记录块（数据块），寻址命令中可用如下格式表示磁盘地址：,41.设有效信息为110，试用生成多项式G(x)=11011将其编成循环冗余校验码。解：编码过程如下：M(x)=110 n=3 G(x)=11011 k+1=5 k=4 M(x)x4=110 0000 M(x)x4/G(x)=110 0000/11011=100+1100/11011 R(x)=1100 M(x)x4+R(x)=110 0000+1100=110 1100=CRC码（7，3）码 注：此题的G(x)选得不太好，当最高位和最低位出错时，余数相同，均为0001。此时只能检错，无法纠错。,42.有一个（7，4）码，生成多项式G(x)=x3+x+1，写出代码1001的循环冗余校验码。解：编码过程如下：M(x)=1001 n=4 G(x)=x3+x+1=1011 k+1=4 k=3 M(x)x3=1001 000 M(x)x3/G(x)=1001 000/1011=1010+110/1011 R(x)=110 M(x)x3+R(x)=1001 000+110=1001 110=CRC码 由于码制和生成多项式均与教材上的例题4.15相同，故此（7，4）码的出错模式同表4.6。,