計(jì)算機(jī)組成原理第五版 白中英(詳細(xì))第3章習(xí)題參考答案

1、第3章習(xí)題參考答案第3章習(xí)題參考答案1、設(shè)有一個(gè)具有20位地址和32位字長(zhǎng)的存儲(chǔ)器，問(wèn)(1) 該存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)多少字節(jié)的信息？(2) 如果存儲(chǔ)器由512k×8位sram芯片組成，需要多少片？(3) 需要多少位地址作芯片選擇？解：(1) 該存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)：(2) 需要(3) 用512k´8位的芯片構(gòu)成字長(zhǎng)為32位的存儲(chǔ)器，則需要每4片為一組進(jìn)行字長(zhǎng)的位數(shù)擴(kuò)展，然后再由2組進(jìn)行存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展。所以只需一位最高位地址進(jìn)行芯片選擇。2、已知某64位機(jī)主存采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，其地址碼為26位，若使用4m×8位的dram芯片組成該機(jī)所允許的最大主存空間，并選用內(nèi)存條結(jié)構(gòu)形式，問(wèn)；

2、(1) 若每個(gè)內(nèi)存條為16m×64位，共需幾個(gè)內(nèi)存條?(2) 每個(gè)內(nèi)存條內(nèi)共有多少dram芯片?(3) 主存共需多少dram芯片? cpu如何選擇各內(nèi)存條?解：(1) 共需內(nèi)存條(2) 每個(gè)內(nèi)存條內(nèi)共有個(gè)芯片(3) 主存共需多少個(gè)ram芯片， 共有4個(gè)內(nèi)存條，故cpu選擇內(nèi)存條用最高兩位地址a24和a25通過(guò)2：4譯碼器實(shí)現(xiàn)；其余的24根地址線(xiàn)用于內(nèi)存條內(nèi)部單元的選擇。3、用16k×8位的dram芯片構(gòu)成64k×32位存儲(chǔ)器，要求：(1) 畫(huà)出該存儲(chǔ)器的組成邏輯框圖。(2) 設(shè)存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)周期為0.5s，cpu在1s內(nèi)至少要訪(fǎng)問(wèn)一次。試問(wèn)采用哪種刷新方式比較合理?

3、兩次刷新的最大時(shí)間間隔是多少?對(duì)全部存儲(chǔ)單元刷新一遍所需的實(shí)際刷新時(shí)間是多少?解：(1) 用16k×8位的dram芯片構(gòu)成64k×32位存儲(chǔ)器，需要用個(gè)芯片，其中每4片為一組構(gòu)成16k×32位進(jìn)行字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展(一組內(nèi)的4個(gè)芯片只有數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)不互連分別接d0d7、d8d15、d16d23和d24d31，其余同名引腳互連)，需要低14位地址(a0a13)作為模塊內(nèi)各個(gè)芯片的內(nèi)部單元地址分成行、列地址兩次由a0a6引腳輸入；然后再由4組進(jìn)行存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展，用高兩位地址a14、a15通過(guò)2：4譯碼器實(shí)現(xiàn)4組中選擇一組。畫(huà)出邏輯框圖如下。(2) 設(shè)刷新周期為2ms，并設(shè)16

4、k´8位的dram結(jié)構(gòu)是128´128´8存儲(chǔ)陣列，則對(duì)所有單元全部刷新一遍需要128次(每次刷新一行，共128行)l 若采用集中式刷新，則每2ms中的最后128´0.5ms=64ms為集中刷新時(shí)間，不能進(jìn)行正常讀寫(xiě)，即存在64ms的死時(shí)間l 若采用分散式刷新，則每1ms只能訪(fǎng)問(wèn)一次主存，而題目要求cpu在1s內(nèi)至少要訪(fǎng)問(wèn)一次，也就是說(shuō)訪(fǎng)問(wèn)主存的時(shí)間間隔越短越好，故此方法也不是最適合的l 比較適合采用異步式刷新：采用異步刷新方式，則兩次刷新操作的最大時(shí)間間隔為，可取15.5ms；對(duì)全部存儲(chǔ)單元刷新一遍所需的實(shí)際刷新時(shí)間為：15.5ms´128=

5、1.984ms；采用這種方式，每15.5ms中有0.5ms用于刷新，其余的時(shí)間用于訪(fǎng)存(大部分時(shí)間中1ms可以訪(fǎng)問(wèn)兩次內(nèi)存)。4、有一個(gè)1024k×32位的存儲(chǔ)器，由128k×8位的dram芯片構(gòu)成。問(wèn)：(1) 總共需要多少dram芯片?(2) 設(shè)計(jì)此存儲(chǔ)體組成框圖。(3) 采用異步刷新方式，如單元刷新間隔不超過(guò)8ms，則刷新信號(hào)周期是多少?解：(1) 需要片，每4片為一組，共需8組(2) 設(shè)計(jì)此存儲(chǔ)體組成框圖如下所示。(3) 設(shè)該128k´8位的dram芯片的存儲(chǔ)陣列為512´256´8結(jié)構(gòu)，則如果選擇一個(gè)行地址進(jìn)行刷新，刷新地址為a0a8，

6、那么該行上的2048個(gè)存儲(chǔ)元同時(shí)進(jìn)行刷新，要求單元刷新間隔不超過(guò)8ms，即要在8ms內(nèi)進(jìn)行512次刷新操作。采用異步刷新方式時(shí)需要每隔進(jìn)行一次，可取刷新信號(hào)周期為15.5ms。5、要求用256k×l6位sram芯片設(shè)計(jì)1024k×32位的存儲(chǔ)器。sram芯片有兩個(gè)控制端：當(dāng)cs有效時(shí)，該片選中。當(dāng)w/r1時(shí)執(zhí)行讀操作，當(dāng)w/r=0時(shí)執(zhí)行寫(xiě)操作。解： ，共需8片，分為4組，每組2片即所設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器單元數(shù)為1m，字長(zhǎng)為32，故地址長(zhǎng)度為20位（a19a0），所用芯片存儲(chǔ)單元數(shù)為256k，字長(zhǎng)為16位，故占用的地址長(zhǎng)度為18位（a17a0）。由此可用字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展與字單元數(shù)擴(kuò)展相結(jié)

7、合的方法組成組成整個(gè)存儲(chǔ)器字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展：同一組中2個(gè)芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)，一個(gè)與數(shù)據(jù)總線(xiàn)的d15d0相連，一個(gè)與d31d16相連；其余信號(hào)線(xiàn)公用(地址線(xiàn)、片選信號(hào)、讀寫(xiě)信號(hào)同名引腳互連)字單元數(shù)擴(kuò)展：4組ram芯片，使用一片2:4譯碼器，各組除片選信號(hào)外，其余信號(hào)線(xiàn)公用。其存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖所示6、用32k×8位的e2prom芯片組成128k×16位的只讀存儲(chǔ)器，試問(wèn)：(1) 數(shù)據(jù)寄存器多少位?(2) 地址寄存器多少位?(3) 共需多少個(gè)e2prom芯片?(4) 畫(huà)出此存儲(chǔ)器組成框圖。解：(1) 系統(tǒng)16位數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)寄存器16位 (2) 系統(tǒng)地址128k217，所以地址寄存器17位

8、 (3)共需，分為4組，每組2片 (4) 組成框圖如下7某機(jī)器中，已知配有一個(gè)地址空間為0000h3fffh的rom區(qū)域。現(xiàn)在再用一個(gè)ram芯片(8k×8)形成40k×l6位的ram區(qū)域，起始地為6000h。假設(shè)ram芯片有和信號(hào)控制端。cpu的地址總線(xiàn)為a15a0，數(shù)據(jù)總線(xiàn)為d15d0，控制信號(hào)為 (讀/寫(xiě))， (訪(fǎng)存)，要求：(1) 畫(huà)出地址譯碼方案。(2) 將rom與ram同cpu連接。解：(1) 由于ram芯片的容量是8k×8，要構(gòu)成40k×16的ram區(qū)域，共需要，分為5組，每組2片；8k=213，故低位地址為13位：a12a0每組的2片位并聯(lián)

9、，進(jìn)行字長(zhǎng)的位擴(kuò)展有5組ram芯片，故用于組間選擇的譯碼器使用3:8譯碼器，用高3位地址a15a13作譯碼器的選擇輸入信號(hào)地址分配情況： 各芯片組各組地址區(qū)間a15a14a13138的有效輸出rom0000h3fffh000001010ram16000h7fffh011ram28000h9fffh100ram3a000hbfffh101ram4c000hdfffh110ram5e000hffffh111注：ram1ram5各由2片8k´8芯片組成，進(jìn)行字長(zhǎng)位擴(kuò)展各芯片組內(nèi)部的單元地址是a12a0由全0到全1(2) rom、ram與cpu的連接如圖：8、設(shè)存儲(chǔ)器容量為64m，字長(zhǎng)為64

10、位，模塊數(shù)m=8，分別用順序和交叉方式進(jìn)行組織。存儲(chǔ)周期t100ns，數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為64位，總線(xiàn)傳送周期，t=50ns。求：順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少?解：順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出m = 8個(gè)字的信息總量都是：q = 64位×8 = 512位順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出8個(gè)字所需的時(shí)間分別是：t1 = mt = 8×100ns = 8×10-7s t2 = t+(m-1) = 100ns+7×50ns = 450 ns = 4.5×10-7 s順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬分別是： w1=q/t1=512/(8×10-

11、7)=64×107位/s w2=q/t2=512/(4.5×10-7)=113.8×107 位/s9、cpu執(zhí)行一段程序時(shí)，cache完成存取的次數(shù)為2420次，主存完成存取的次數(shù)為80次，已知cache存儲(chǔ)周期為40ns，主存存儲(chǔ)周期為240ns，求cache主存系統(tǒng)的效率和平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間。解：cache的命中率：主存慢于cache的倍率：cache/主存系統(tǒng)的效率：平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間：10、已知cache存儲(chǔ)周期40ns，主存存儲(chǔ)周期200ns，cache/主存系統(tǒng)平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為50ns，求cache的命中率是多少?解：已知cache主存系統(tǒng)平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間ta=50ns

12、由于所以有11、某計(jì)算機(jī)采用四體交叉存儲(chǔ)器，今執(zhí)行一段小循環(huán)程序，此程序放在存儲(chǔ)器的連續(xù)地址單元中，假設(shè)每條指令的執(zhí)行時(shí)間相等，而且不需要到存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)，請(qǐng)問(wèn)在下面兩種情況中（執(zhí)行的指令數(shù)相等），程序運(yùn)行的時(shí)間是否相等。(1) 循環(huán)程序由6條指令組成，重復(fù)執(zhí)行80次。(2) 循環(huán)程序由8條指令組成，重復(fù)執(zhí)行60次。解：設(shè)取指周期為t，總線(xiàn)傳送周期為，每條指令的執(zhí)行時(shí)間相等，并設(shè)為t0，存儲(chǔ)器采用四體交叉存儲(chǔ)器，且程序存放在連續(xù)的存儲(chǔ)單元中，故取指令操作采用流水線(xiàn)存取方式，兩種情況程序運(yùn)行的總的時(shí)間分別為：(1) t = (t+5+6t0)*80 = 80t+400+480 t0(2) t =

13、 (t+7+8t0)*60 = 60t+420+480 t0所以不相等12、一個(gè)由主存和cache組成的二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，參數(shù)定義如下：ta為系統(tǒng)平均存取時(shí)間，t1為cache的存取時(shí)間，t2為主存的存取時(shí)間，h為cache命中率，請(qǐng)寫(xiě)出ta與t1、t2、h參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式。解：13、一個(gè)組相聯(lián)cache由64個(gè)行組成，每組4行。主存儲(chǔ)器包含4k個(gè)塊，每塊128個(gè)字。請(qǐng)表示內(nèi)存地址的格式。解：主存4k個(gè)塊，每塊128個(gè)字，共有4k´128=219個(gè)字，故主存的地址共19位；共4k個(gè)塊，故塊地址為12位；每塊128個(gè)字，故塊內(nèi)的字地址為7位cache有64行，每組4行，共16組，故組號(hào)

14、4位，組內(nèi)頁(yè)號(hào)2位組相聯(lián)方式是組間直接映射，組內(nèi)全相聯(lián)映射方式；所以主存的塊地址被分為兩部分：低4位為在cache中的組號(hào)，高8位為標(biāo)記字段，即19位內(nèi)存地址的格式如下：tag組號(hào)字地址8位4位7位14、有一個(gè)處理機(jī)，內(nèi)存容量1mb，字長(zhǎng)1b，塊大小16b，cache容量64kb，若cache采用直接映射式，請(qǐng)給出2個(gè)不同標(biāo)記的內(nèi)存地址，它們映射到同一個(gè)cache行。解：cache共有，行號(hào)為12位采用直接映射方式，所以cache的行號(hào)i與主存的塊號(hào)j之間的關(guān)系為：，m為cache的總行數(shù)20位的內(nèi)存地址格式如下：tag行號(hào)字地址4位12位4位兩個(gè)映射到同一個(gè)cache行的內(nèi)存地址滿(mǎn)足的條件是

15、：12位的行號(hào)相同，而4位的標(biāo)記不同即可，例如下面的兩個(gè)內(nèi)存地址就滿(mǎn)足要求：0000 000000000000 0000=00000h與0001 000000000000 0000=10000h15、假設(shè)主存容量16m´32位，cache容量64k´32位，主存與cache之間以每塊4´32位大小傳送數(shù)據(jù)，請(qǐng)確定直接映射方式的有關(guān)參數(shù)，并畫(huà)出主存地址格式。解：由已知條件可知cache共有，行號(hào)為14位主存共有，塊地址為22位，由行號(hào)和標(biāo)記組成cache的行號(hào)i與主存的塊號(hào)j之間的關(guān)系為：，m為cache的總行數(shù)設(shè)32位為一個(gè)字，且按字進(jìn)行編址，則24位的內(nèi)存地址格

16、式如下：tag行號(hào)字地址8位14位2位16. 下述有關(guān)存儲(chǔ)器的描述中，正確的是( b、d )a. 多級(jí)存儲(chǔ)體系由cache、主存和虛擬存儲(chǔ)器構(gòu)成b. 存儲(chǔ)保護(hù)的目的是：在多用戶(hù)環(huán)境中，既要防止一個(gè)用戶(hù)程序出錯(cuò)而破壞系統(tǒng)軟件或其它用戶(hù)程序，又要防止用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)不是分配給他的主存區(qū)，以達(dá)到數(shù)據(jù)安全與保密的要求。c. 在虛擬存儲(chǔ)器中，外存和主存以相同的方式工作，因此允許程序員用比主存空間大得多的外存空間編程。d. cache和虛擬存儲(chǔ)器這兩種存儲(chǔ)器管理策略都利用了程序的局部性原理。18虛擬段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方案的特性為( d )a.空間浪費(fèi)大、存儲(chǔ)共享不易、存儲(chǔ)保護(hù)容易、不能動(dòng)態(tài)連接。b.空間浪費(fèi)小、存儲(chǔ)共

17、享容易、存儲(chǔ)保護(hù)不易、不能動(dòng)態(tài)連接。c.空間浪費(fèi)大、存儲(chǔ)共享不易、存儲(chǔ)保護(hù)容易、能動(dòng)態(tài)連接。d.空間浪費(fèi)小、存儲(chǔ)共享容易、存儲(chǔ)保護(hù)容易、能動(dòng)態(tài)連接。19. 某虛擬存儲(chǔ)器采用頁(yè)式存儲(chǔ)管理，使用lru頁(yè)面替換算法，若每次訪(fǎng)問(wèn)在一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)完成，頁(yè)面訪(fǎng)問(wèn)序列如下：1、8、1、7、8、2、7、2、1、8、3、8、2、1、3、1、7、1、3、7。已知主存只允許放4個(gè)頁(yè)面，初始狀態(tài)時(shí)4個(gè)頁(yè)面是全空的，則頁(yè)面失效次數(shù)是_6_。解答過(guò)程： lru算法的思想：每頁(yè)設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，每次命中一頁(yè)，該頁(yè)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器清零，其他各頁(yè)的計(jì)數(shù)器加1；需要替換時(shí)，將計(jì)數(shù)值最大的頁(yè)換出，所以，對(duì)應(yīng)的訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程及相應(yīng)的計(jì)數(shù)器的內(nèi)容

18、、替換結(jié)果如下：訪(fǎng)問(wèn)序列18178272183821317137調(diào)入的頁(yè)號(hào)a11111111111111111111b8888888888888887777c77777773333333333d222222222222222各計(jì)數(shù)器的值a01012345012340101012b0120123401012340120c01201230123012301d010123401234567注：紅色標(biāo)注的頁(yè)是未命中的訪(fǎng)問(wèn)共6次20. 主存容量為4mb，虛存容量為1gb，則虛擬地址和物理地址各為多少位?如頁(yè)面大小為4kb，則頁(yè)表長(zhǎng)度是多少?解：主存容量為4mb，物理地址22位虛存容量為1gb，虛擬地址3

19、0位頁(yè)表長(zhǎng)度，即頁(yè)面數(shù)=1gb/ 4kb=218=256k21. 設(shè)某系統(tǒng)采用頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理，頁(yè)表存放在內(nèi)存中。(1) 如果一次內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)使用50ns，訪(fǎng)問(wèn)一次主存需用多少時(shí)間?(2) 如果增加tlb，忽略查找頁(yè)表項(xiàng)占用的時(shí)間，并且 75%的頁(yè)表訪(fǎng)問(wèn)命中tlb，內(nèi)存的有效訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間是多少？解：(1) 若頁(yè)表存放在主存中，則要實(shí)現(xiàn)一次主存訪(fǎng)問(wèn)需兩次訪(fǎng)問(wèn)主存：一次是訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)表，確定所存取頁(yè)面的物理地址；第二次才根據(jù)該地址存取頁(yè)面數(shù)據(jù)。故訪(fǎng)問(wèn)一次主存的時(shí)間為50×2=100(ns)(2) 75%×50+(1-75%) ×2×50=62.5(ns)22.某計(jì)算機(jī)的存

20、儲(chǔ)系統(tǒng)由cache，主存和磁盤(pán)構(gòu)成。cache的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為15ns；如果被訪(fǎng)問(wèn)的單元在主存中但不在cache中，需要用60ns的時(shí)間將其裝入cache，然后再進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)；如果被訪(fǎng)問(wèn)的單元不在主存中，則需要10ms的時(shí)間將其從磁盤(pán)中讀入主存，然后再裝入cache中并開(kāi)始訪(fǎng)問(wèn)。若cache的命中率為90%，主存的命中率為60%，求該系統(tǒng)中訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)字的平均時(shí)間。解：被訪(fǎng)問(wèn)的字在cache中的概率為0.9 不在cache中但在主存中的概率為：(1-0.9)×0.6=0.06 不在cache也不在主存中的概率為：(1-0.9)×(1-0.6)=0.04所以， 一個(gè)字的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為：15&

21、#215;0.9+(15+60)×0.06+(15+60+10×106) ×0.04=13.5+4.5+400003=400021(ns)23.某頁(yè)式存儲(chǔ)管理，頁(yè)大小為2kb，邏輯地址空間包含16頁(yè)，物理空間共有8頁(yè)，邏輯地址應(yīng)用多少位？主存物理空間有多大？解：邏輯地址空間包含16頁(yè)，頁(yè)大小為2kb，所以邏輯地址空間為32kb，邏輯地址應(yīng)用4+11=15位物理空間共有8頁(yè)，頁(yè)大小為2kb，所以主存物理空間16kb 24.在一個(gè)分頁(yè)虛存系統(tǒng)中，用戶(hù)虛地址空間為32頁(yè)，頁(yè)長(zhǎng)1kb，主存物理為16kb。已知用戶(hù)程序有10頁(yè)長(zhǎng)，若虛頁(yè)0、1、2、3已經(jīng)被調(diào)入到主存8、7、

22、4、10頁(yè)中，請(qǐng)問(wèn)虛地址0ac5和1ac5(十六進(jìn)制)對(duì)應(yīng)的物理地址是多少？解：頁(yè)長(zhǎng)1kb，所以頁(yè)內(nèi)地址為10位。主存物理頁(yè)面數(shù)：16頁(yè)，共14位地址碼(其中頁(yè)面號(hào)4位，頁(yè)內(nèi)地址10位)用戶(hù)虛地址空間：32頁(yè)，頁(yè)面號(hào)為031；共15位地址碼(其中頁(yè)面號(hào)5位，頁(yè)內(nèi)地址10位)0ac5h=00010，1011000101b，頁(yè)面號(hào)為2，已被調(diào)入到主存頁(yè)4，所以，物理地址中的頁(yè)面號(hào)為4，頁(yè)內(nèi)地址與虛地址的頁(yè)內(nèi)地址相同，所以是：0100，1011000101=12c5h1ac5h=00110，1011000101b，頁(yè)面號(hào)為6，未被調(diào)入到主存頁(yè)中，所以無(wú)物理地址，會(huì)發(fā)生缺頁(yè)中斷。25.段式虛擬存儲(chǔ)器對(duì)程序員是否透明？請(qǐng)說(shuō)明原因。解：虛擬管理是由軟件(操作系統(tǒng))和硬件共同完成，由于軟件的介入，虛存對(duì)實(shí)