計(jì)算機(jī)組成原理第四章部分課后題答案(唐朔飛版)

1、4.1 解釋概念：主存、輔存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。 主存：用于存放數(shù)據(jù)和指令，并能由中央處理器直接隨機(jī)存取，包括存儲(chǔ)器體M、各種邏輯部件、控制電路等輔存：輔助存儲(chǔ)器，又稱(chēng)為外部存儲(chǔ)器（需要通過(guò)I/O系統(tǒng)與之交換數(shù)據(jù)）。存儲(chǔ)容量大、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脫機(jī)保存信息。主要包括磁表面存儲(chǔ)器、軟盤(pán)存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)設(shè)備、光盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備。Cache：高速緩沖存儲(chǔ)器，比主存儲(chǔ)器體積小但速度快，用于保有從主存儲(chǔ)器得到指令的副本很可能在下一步為處理器所需的專(zhuān)用緩沖器。RAM：(Random Acce

2、ss Memory)隨機(jī)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲(chǔ)單元的位置無(wú)關(guān)的存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容，故主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序。 按照存儲(chǔ)信息的不同，隨機(jī)存儲(chǔ)器又分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Static RAM,SRAM)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dynamic RAM,DRAM)。SRAM：(Static Random Access Memory)它是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。DRAM：(Dynamic Random Access Memory)，即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器最為常見(jiàn)的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的

3、時(shí)間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲(chǔ)，所以 必須隔一段時(shí)間刷新（refresh）一次，如果存儲(chǔ)單元沒(méi)有被刷新，存儲(chǔ)的信息就會(huì)丟失。 （關(guān)機(jī)就會(huì)丟失數(shù)據(jù)）ROM：只讀內(nèi)存（Read-Only Memory）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的固態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。其特性是一旦儲(chǔ)存資料就無(wú)法再將之改變或刪除。通常用在不需經(jīng)常變更資料的電子或電腦系統(tǒng)中，資料并且不會(huì)因?yàn)殡娫搓P(guān)閉而消失。PROM：(Programmable Read-Only Memory)可編程只讀存儲(chǔ)器，也叫One-Time Programmable (OTP)ROM“一次可編程只讀存儲(chǔ)器”，是一種可以用程序操作的只讀內(nèi)存。最主要

4、特征是只允許數(shù)據(jù)寫(xiě)入一次，如果數(shù)據(jù)燒入錯(cuò)誤只能報(bào)廢。EPROM：(Erasable Programmable ROM，可擦除可編程ROM)芯片可重復(fù)擦除和寫(xiě)入，解決了PROM芯片只能寫(xiě)入一次的弊端。EPROM芯片有一個(gè)很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開(kāi)有一個(gè)玻璃窗口，透過(guò)該窗口，可以看到其內(nèi)部的集成電路，紫外線(xiàn)透過(guò)該孔照射內(nèi)部芯片就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM內(nèi)資料的寫(xiě)入要用專(zhuān)用的編程器，并且往芯片中寫(xiě)內(nèi)容時(shí)必須要加一定的編程電壓（VPP=1224V，隨不同的芯片型號(hào)而定）。EPROM的型號(hào)是以27開(kāi)頭的，如27C020(8*256K)是一片2M

5、 Bits容量的EPROM芯片。EPROM芯片在寫(xiě)入資料后，還要以不透光的貼紙或膠布把窗口封住，以免受到周?chē)淖贤饩€(xiàn)照射而使資料受損。 EPROM芯片在空白狀態(tài)時(shí)（用紫外光線(xiàn)擦除后），內(nèi)部的每一個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)都為1（高電平）。EEPROM：(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器-一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)芯片。 EEPROM 可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程。一般用在即插即用。CDROM：(Compact Disc Read-Only Memory)即只讀光盤(pán)，是一種在電腦上使用的光碟。

6、這種光碟只能寫(xiě)入數(shù)據(jù)一次，信息將永久保存在光碟上，使用時(shí)通過(guò)光碟驅(qū)動(dòng)器讀出信息。CD的格式最初是為音樂(lè)的存儲(chǔ)和回放設(shè)計(jì)的，1985年，由SONY和飛利浦制定的黃皮書(shū)標(biāo)準(zhǔn)使得這種格式能夠適應(yīng)各種二進(jìn)制數(shù)據(jù)。有些CD-ROM既存儲(chǔ)音樂(lè)，又存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，這種CD-ROM的音樂(lè)能夠被CD播放器播放，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)只能被計(jì)算機(jī)處理。Flash Memory：閃存是一種長(zhǎng)壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息）的存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)刪除不是以單個(gè)的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位（注意：NOR Flash 為字節(jié)存儲(chǔ)。），區(qū)塊大小一般為256KB到20MB。閃存是電子可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）的

7、變種，閃存與EEPROM不同的是，它能在字節(jié)水平上進(jìn)行刪除和重寫(xiě)而不是整個(gè)芯片擦寫(xiě)，這樣閃存就比EEPROM的更新速度快。由于其斷電時(shí)仍能保存數(shù)據(jù)，閃存通常被用來(lái)保存設(shè)置信息，如在電腦的BIOS（基本輸入輸出程序）、PDA（個(gè)人數(shù)字助理）、數(shù)碼相機(jī)中保存資料等。4.3 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在什么地方，為什么要分這些層次，計(jì)算機(jī)如何管理這些層次？ CPU的內(nèi)部第一層：通用寄存器堆第二層：指令與數(shù)據(jù)緩沖棧第三層：高速緩沖存儲(chǔ)器第四層：主儲(chǔ)存器（DRAM） 第五層：聯(lián)機(jī)外部?jī)?chǔ)存器（硬磁盤(pán)機(jī)） 第六層：脫機(jī)外部?jī)?chǔ)存器（磁帶、光盤(pán)存儲(chǔ)器等）這就是存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)， 主要體現(xiàn)在訪(fǎng)問(wèn)速度1、設(shè)置多個(gè)存儲(chǔ)

8、器并且使他們并行工作。本質(zhì)：增添瓶頸部件數(shù)目，使它們并行工作，從而減緩固定瓶頸。 2、 采用多級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，特別是Cache技術(shù)，這是一種減輕存儲(chǔ)器帶寬對(duì)系統(tǒng)性能影響的最佳結(jié)構(gòu)方案。本質(zhì)：把瓶頸部件分為多個(gè)流水線(xiàn)部件，加大操作時(shí)間的重疊、提高速度，從而減緩固定瓶頸。 3、在微處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置各種緩沖存儲(chǔ)器，以減輕對(duì)存儲(chǔ)器存取的壓力。增加CPU中寄存器的數(shù)量，也可大大緩解對(duì)存儲(chǔ)器的壓力。本質(zhì)：緩沖技術(shù)，用于減緩暫時(shí)性瓶頸。4.5 什么是存儲(chǔ)器的帶寬？若存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為32位，存取周期為200ns，則存儲(chǔ)器的帶寬是多少？ 存儲(chǔ)器的帶寬：存儲(chǔ)器帶寬：?jiǎn)挝粫r(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量體現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率技

9、術(shù)指標(biāo)（位/秒，字節(jié)/秒）存儲(chǔ)器的帶寬決定了以存儲(chǔ)器為中心的機(jī)器獲取信息的傳輸速度，它是改善機(jī)器瓶頸的一的關(guān)鍵因素。 存儲(chǔ)器的帶寬 = 32bit / 200ns = 160Mbit/s4.7 一個(gè)容量為16K * 32位的存儲(chǔ)器，其地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)的總和為多少？選用下列不同規(guī)格的存儲(chǔ)芯片時(shí)，各需要多少片？ 1K * 4位，2K * 8位，4K * 4位，16K * 1位，4K * 8位，8K * 8位 地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)的總和 = 14根 + 32根 = 46根 各需要128片，32片，32片，32片，32片，16片，8片4.12 畫(huà)出用1024 * 4位的存儲(chǔ)芯片組成一個(gè)容量為64K * 8位的

10、存儲(chǔ)器邏輯框圖。要求將64K分成4個(gè)頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面分16組，共需要多少片存儲(chǔ)芯片？ 總片數(shù) = 64K * 8位 / 1024 * 4位 = 128片 頁(yè)面容量 = 64K * 8位 / 4 = 16K * 8位，4片16K * 8位串聯(lián)成64K * 8位 頁(yè)內(nèi)片數(shù) = 16K * 8位 / 1024 * 4位 = 32片 組容量 = 16K * 8位 / 16 = 1K * 8位，16片1K * 8位串聯(lián)成16K * 8位 組內(nèi)片數(shù)=1K * 8位/1024*4位=2片，兩片1024 * 4位芯片并聯(lián)成1K * 8位 1K * 4位 1K * 4位 1K * 4位 1K * 4位 32片 3

11、2片 32片 32片 4.15 設(shè)CPU共有16根地址線(xiàn)，8根數(shù)據(jù)線(xiàn)，并用MREQ(低電平有效)作訪(fǎng)存控制信號(hào)，R/W作讀/寫(xiě)命令信號(hào)（高電平為讀，低電平為寫(xiě)）?，F(xiàn)有這些存儲(chǔ)芯片：ROM(2K * 8位，4K * 4位，8K * 8位)，RAM(1K * 4位，2K * 8位，4K * 8位)及74138譯碼器和其他門(mén)電路（門(mén)電路自定）。 試從上述規(guī)格中選用合適的芯片，畫(huà)出CPU和存儲(chǔ)芯片的連接圖。要求如下： (1)最小4K地址為系統(tǒng)程序區(qū)，409616383地址范圍為用戶(hù)程序區(qū) (2)指出選用的存儲(chǔ)芯片的類(lèi)型和數(shù)量 (3)詳細(xì)畫(huà)出片選邏輯 解：(1)地址空間分配 系統(tǒng)程序區(qū)(4K * 8位)

12、 A15 A12 . A9 A8 A5 A4 A3 A2 A1 A00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1用戶(hù)程序區(qū)(12K * 8位)0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1(2)選擇存儲(chǔ)芯片選擇4K * 4位的ROM芯片兩片，位并聯(lián)選擇4K * 8位的RAM芯片3片，字串聯(lián)（RAM1選址范圍為1000H1FFFH，RAM2選址范圍為2000H2FFFH，RAM3選址范圍為3000H3FFFH）(3) 4.28 設(shè)主存容量2

13、56K字，Cache容量2K字，塊長(zhǎng)4. (1)設(shè)計(jì)Cache地址格式，Cache中可裝入多少塊數(shù)據(jù)？ (2) 在直接映射方式下，設(shè)計(jì)主存地址格式(3)在四組路相映射方式下，設(shè)計(jì)主存地址格式(4)在全相映射方式下，設(shè)計(jì)主存地址格式(5)若存儲(chǔ)字長(zhǎng)為32位，存儲(chǔ)器按字節(jié)尋址，寫(xiě)出上述三種映射存的主存的地址格式解：(1)cache地址長(zhǎng)度為11位，塊內(nèi)地址長(zhǎng)度為2位，主存地址位數(shù)為18位。 9位 2位緩存塊號(hào)塊內(nèi)地址 Cache可裝入29 = 512個(gè)塊 (2)直接映射方式 7位 9位 2位標(biāo)記緩存塊號(hào)塊內(nèi)地址 (3)四路組相連 9位 7位 2位標(biāo)記組地址塊內(nèi)地址 (4)全相連 16位 2位標(biāo)記塊內(nèi)地址 (5)直接映射方式 7位 9位 4位標(biāo)記緩存塊號(hào)塊內(nèi)地址 四路組相連 9位 7位 4位標(biāo)記組地址塊內(nèi)地址 全相連 16位 4位標(biāo)記塊內(nèi)地址4.29 假設(shè)CPU執(zhí)行某段程序時(shí)共訪(fǎng)問(wèn)Cache4800次，訪(fǎng)問(wèn)主存200次，已知Ca