計(jì)算機(jī)組成原理三章

1、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位字長的存儲(chǔ)器，問(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512Kx 8位SRAMI5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)：220 32 4M字節(jié)8220 32512K 8220 32219 8(3)用512K 8位的芯片構(gòu)成字長為32位的存儲(chǔ)器，則需要每4片為一組進(jìn)行字長的位數(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4MX 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

2、式，問；(1)若每個(gè)內(nèi)存條為16MX 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 DRAMS片？(3)主存共需多少DRAMS片？ CPU如何選擇各內(nèi)存條？解：226 644條內(nèi)存條共需上6416M 64(2)每個(gè)內(nèi)存條內(nèi)共有16M 64 32個(gè)芯片4M 826 主存共需多少 4 128個(gè)RAMS片，共有4個(gè)內(nèi)存條，故CPUte擇4M 8 4M 8內(nèi)存條用最高兩位地址 A4和A25通過2: 4譯碼器實(shí)現(xiàn)；其余的24根地址線用于內(nèi)存條內(nèi) 部單元的選擇。3、用16Kx 8位的DRA跛片構(gòu)成64Kx 32位存儲(chǔ)器，要求：(1)畫出該存儲(chǔ)器的組成邏輯框圖。(2)設(shè)存儲(chǔ)器讀/寫周期為0.5 pS,

3、 CPUS 1S內(nèi)至少要訪問一次。試問采用哪種刷新 方式比較合理？?jī)纱嗡⑿碌淖畲髸r(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16Kx 8位的DRAM片構(gòu)成64Kx 32位存儲(chǔ)器，需要用64K 32 4 4 16個(gè)芯片， 16K 8其中每4片為一組構(gòu)成16Kx 32-一一進(jìn)行字長位數(shù)擴(kuò)展(一組內(nèi)的4個(gè)芯片只有數(shù)據(jù)信號(hào) 線不互連一一分別接D0。、D8 D15、D16 D23和D4 C31,其余同名引腳互連)，需要低14位地址 (A0 A3)作為模塊內(nèi)各個(gè)芯片的內(nèi)部單元地址一一分成行、列地址兩次由A0 A6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 A

4、4、As通過2: 4譯碼器實(shí)現(xiàn)4組中選擇 一組。畫出邏輯框圖如下。(2)設(shè)刷新周期為2m6并設(shè)16K 8位的DRA解構(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)上 若采用集中式刷新，則每2ms中的最后128 0.5 s=64 s為集中刷新時(shí)間，不能進(jìn)行 正常讀寫，即存在64 s的死時(shí)間上 若采用分散式刷新，則每1 s只能訪問一次主存，而題目要求 CPUS 1pS內(nèi)至少要 訪問一次，也就是說訪問主存的時(shí)間間隔越短越好，故此方法也不是最適合的上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)間間隔為網(wǎng)s 15.625 s,可取1

5、5.5 s；128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： 15.5 s 128=1.984ms；采用這種方式， 每15.5 s中有0.5 s用于刷新，其余的時(shí)間用于訪存(大部分時(shí)間中1 s可以訪問兩次 內(nèi)存)。4、有一個(gè)1024Kx 32位的存儲(chǔ)器，由128Kx 8位的DRA跛片構(gòu)成。問：(1)總共需要多少DRAM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 8ms,則刷新信號(hào)周期是多少？解：需要1024K 32 8 4 32片，每4片為一組，共需8組 128K 8(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DRAM5片的存儲(chǔ)陣列為512

6、 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A A8,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8m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8ms 15.625 s進(jìn)行一次，可取刷新信號(hào)周期為15.5 so 5125、要求用256Kx l6位SRAM片設(shè)計(jì)1024Kx 32位的存儲(chǔ)器。SRA跛片有兩個(gè)控制端：當(dāng) CSt效時(shí)，該片選中。當(dāng)W/R= 1時(shí)執(zhí)行讀操作，當(dāng)W/R=0寸執(zhí)行寫操作。解：1024K 32256K 164 2 8片，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,字長為32,故地址長度為20位(A9A),

7、所用芯片存儲(chǔ) 單元數(shù)為256K,字長為16位，故占用的地址長度為18位(Ai7A)。由此可用字長位數(shù) 擴(kuò)展與字單元數(shù)擴(kuò)展相結(jié)合的方法組成組成整個(gè)存儲(chǔ)器字長位數(shù)擴(kuò)展：同一組中2個(gè)芯片的數(shù)據(jù)線，一個(gè)與數(shù)據(jù)總線的D5D相連，一個(gè)與C3iD6 相連；其余信號(hào)線公用(地址線、片選信號(hào)、讀寫信號(hào)同名引腳互連)字單元數(shù)擴(kuò)展：4組RAM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 公用。具存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖所示6、用32Kx 8位的E2PROM片組成128Kx 16位的只讀存儲(chǔ)器，試問：(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片？(4)畫出此存儲(chǔ)器組成框圖。解：(1)

8、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128K= 217,所以地址寄存器17位(3)共需128K 16 4 2 8片，分為4組，每組2片 32K 8(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 0000H 3FFFHROM：域。現(xiàn)在再用一個(gè)RA好片(8KX 8)形成40Kx 16位的RAML域，起始地為6000Ho假設(shè)RA就片有CS和WE信號(hào)控制端。CPU勺地址總線為A15 A,數(shù)據(jù)總線為D15 D),控制彳9號(hào)為R/W (讀/寫)，MREQ (訪 存)，要求: 解: 畫出地址譯碼方案。將 ROMT RAM CPU1接。由于RAM片的容量是8Kx 8,要構(gòu)成40Kx 16

9、的RAK域，共需要40K 16 5 2 10片，分為5組，每組2片；8K=213,故低位地址為13位：AzA 8K 8每組的2片位并聯(lián)，進(jìn)行字長的位擴(kuò)展有5組RA城片，故用于組問選擇的譯碼器使用3:8譯碼器，用高3位地址A5A3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Ai5Al4Ai3138的有效輸出YiROM0000H 3FFFH000001010RAM16000H 7FFFH011RAM28000H 9FFFH100RAM3A000HBFFFH101RAM4C000HDFFFH110RAM5E000HFFFFH111注：RAM1RAM5由2片8K 8芯片組成，進(jìn)行字長位擴(kuò)

10、展 各芯片組內(nèi)部的單元地址是A12A由全0到全1(2) ROM、RAMW CPU勺連接如圖：8、設(shè)存儲(chǔ)器容量為64M字長為64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T= 100ns,數(shù)據(jù)總線寬度為64位，總線傳送周期，=50nso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 X8 = 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：ti = mT = 8 x 100ns = 8 X10-7st 2 = T+(m-1) r = 100ns+7 x 50ns = 450 ns=4.5

11、X10-7 s順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬分別是：W 產(chǎn)q/t i=512/(8 X 10-7)=64 X 107位/sW 2=q/t 2=512/(4.5 乂 107)=113.8 X 107 位/s9、CPUa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 平均訪問時(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：平均訪問時(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)平均訪問時(shí)間為50n

12、s,求cache的命中率是多少？解：已知cache/主存系統(tǒng)平均訪問時(shí)間ta=50ns由于 ta h tc (1 h)tm所以有 h Ha 200 5093.75%tm tc 200 40 c11、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)取指周期為總線傳送周期為j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

13、存放在連續(xù)的存儲(chǔ)單元中，故取指令操作采用流水線存取 方式，兩種情況程序運(yùn)行的總的時(shí)間分別為：t = (T+5T +6t 0)*80 = 80T+400 r +480 t。t = (T+7r +8t 0)*60 = 60T+420 r +480 t 0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， 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)寫出Ta與丁、丁2、 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。主存4K個(gè)塊，每塊

14、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)4位，組內(nèi)頁號(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64 212個(gè)行，行號(hào)為12位

15、16B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：i j mod m , m為 cache的總行數(shù)20位的內(nèi)存地址格式如下：tag彳T#字地址4位12位4位兩個(gè)映射到同一個(gè)cache行的內(nèi)存地址滿足的條件是：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)，并畫出主存地址格式。解：由已知

16、條件可知Cache共有64 K 3, 214個(gè)行，行號(hào)為14位 4 32位主存共有16M 32體 222個(gè)塊,塊地址為22位，由行號(hào)和標(biāo)記組成4 32位cache的行號(hào)i與主存的塊號(hào)j之間的關(guān)系為：i j mod m , 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)存地址格式如下：tag彳T#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Caches主存和虛擬存儲(chǔ)器構(gòu)成B.存儲(chǔ)保護(hù)的目的是：在多用戶環(huán)境中，既要防止一個(gè)用戶程序出錯(cuò)而破壞系統(tǒng)軟件或 其它用戶程序，又要防止用戶訪問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

17、。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)器采用頁式存儲(chǔ)管理，使用LRUJ面替換算法，若每次訪問在一個(gè)時(shí)間單 位內(nèi)完成，頁面訪問序列如下：1、8、1、7、8、2、7、2、1、8、3

18、、8、2、1、3、1、7、 1、3、7。已知主存只允許放4個(gè)頁面，初始狀態(tài)時(shí)4個(gè)頁面是全空的，則頁面失效次數(shù)是 6。解答過程：LRm法的思想：每頁設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，每次命中一頁，該頁對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器清零，其他各 頁的計(jì)數(shù)器加1;需要替換時(shí)，將計(jì)數(shù)值最大的頁換出，所以，對(duì)應(yīng)的訪問過程及相應(yīng)的 計(jì)數(shù)器的內(nèi)容、替換結(jié)果如下：訪問序18178272183821317137列調(diào)a11111111111111111111入b8888888888888887777的c77777773333333333頁號(hào)d222222222222222各a01012345012340101012計(jì)b012012340101234

19、0120數(shù)c01201230123012301器的d010123401234567值注：紅色標(biāo)注的頁是未命中的訪問共 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？如頁面大小 為4KB,則頁表長度是多少？解：主存容量為4MB物理地址22位虛存容量為1GB虛擬地址30位頁表長度，即頁面數(shù)=1GB/ 4KB=218=256K設(shè)某系統(tǒng)采用頁式虛擬存儲(chǔ)管理，頁表存放在內(nèi)存中。(1)如果一次內(nèi)存訪問使用50ns,訪問一次主存需用多少時(shí)間？(2)如果增加TLB,忽略查找頁表項(xiàng)占用的時(shí)間，并且 75%的頁表訪問命中TLB,內(nèi)存的 有效訪問時(shí)間是多少？解：若頁表存放在主存中，則要實(shí)

20、現(xiàn)一次主存訪問需兩次訪問主存：一次是訪問頁表，確定所存取頁面的物理地址；第二次才根據(jù)該地址存取頁面數(shù)據(jù)。故訪問一次主存的時(shí)間為 50X2=100(ns)75% X 50+(1-75%) X2X 50=62.5(ns)某計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)由cache,主存和磁盤構(gòu)成。cache的訪問時(shí)間為15ns；如果被 訪問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 訪問；如果被訪問的單元不在主存中，則需要 10ms的時(shí)間將其從磁盤中讀入主存，然后再裝入 cache 中并開始訪問。若cache 的命中率為90%，主存的命中率為60%，求該系統(tǒng)中訪問一個(gè)字的平均時(shí)間。解

21、：被訪問的字在 cache 中的概率為0.9不在cache中但在主存中的概率為：(1-0.9) X 0.6=0.06不在cache也不在主存中的概率為：(1-0.9) X (1-0.6)=0.04所以， 一個(gè)字的訪問時(shí)間為：15X0.9+(15+60) X 0.06+(15+60+10 X 106) X 0.04=13.5+4.5+400003=400021(ns)某頁式存儲(chǔ)管理，頁大小為2KB,邏輯地址空間包含16頁，物理空間共有8頁，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，頁大小為2KB,所以邏輯地址空間為32KBi邏輯地址應(yīng)用 4+11=15位物理空間共有8

22、頁，頁大小為2KB,所以主存物理空間16KB在一個(gè)分頁虛存系統(tǒng)中，用戶虛地址空間為32頁，頁長1KB,主存物理為16KR已知用戶程序有10 頁長，若虛頁0、 1、 2、 3 已經(jīng)被調(diào)入到主存 8、 7、 4、 10 頁中，請(qǐng)問虛地址0AC楙口 1AC5什六進(jìn)制)對(duì)應(yīng)的物理地址是多少？解：頁長1KB,所以頁內(nèi)地址為10位。主存物理頁面數(shù)： 16頁，共 14位地址碼 (其中頁面號(hào)4 位，頁內(nèi)地址10位)用戶虛地址空間： 32頁，頁面號(hào)為 0 31；共 15位地址碼 (其中頁面號(hào)5位，頁內(nèi)地址10位)0AC5H=00010,頁面號(hào)為2,已被調(diào)入到主存頁4,所以，物理地址中的頁面號(hào)為 4,頁內(nèi)地址與虛地址的頁內(nèi)地址相同，所以是： 0100， 12C5H1AC5H=00110,頁面號(hào)為6,未被調(diào)入到主存頁中，所以無物理地址，會(huì)發(fā)生缺頁中斷。段式虛擬存儲(chǔ)器對(duì)程序員是否透明？請(qǐng)說明原因。解：虛擬管理是由軟件 ( 操作系統(tǒng) ) 和硬件共同完成，