計(jì)算機(jī)組成原理習(xí)題解析

1、4.3 主教材習(xí)題解析4.1 說明1Ml位DRAM片子的刷新方法，刷新周期定為8ms。解： 1Ml位DRAM片子的組織為10241024，(1024行1024列),每次刷新2048單元，在一個(gè)刷新周期內(nèi)刷新512次，每次刷新間隔為8ms / 512 = 15.625微秒，即每隔15.625微秒刷新2行，在不到8ms時(shí)間全部刷新一遍(即刷新周期定為8ms)。刷新時(shí)，送9位行地址A8A0，行地址選通信號RAS#=L，寫信號WE#=H (刷新是假讀)4.2 用16k8位的DRAM芯片構(gòu)成64K32位的存儲器：畫出該存儲器的組成邏輯框圖解：采用字位擴(kuò)展法，4片16k8位芯片組成一組為位擴(kuò)展，形成32位

2、字共用4組字?jǐn)U展,構(gòu)成64k32的存儲器。 4.3 設(shè)有一個(gè)具有20位地址和32位字長的存儲器，求 （1） 該存儲器能存儲多少個(gè)字節(jié)的信息？ （2） 若存儲器由512k8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）22032 / 8 = 4MB （2）4MB / 512k8位 = 8片,2片構(gòu)成1MB, 4MB需4組 （3）2片構(gòu)成1MB, 4MB需4組，用2位地址作芯片選擇。4.4. 用下列芯片構(gòu)成存儲系統(tǒng)，各需要多少個(gè)RAM芯片？需要多少位地址作為片外地址譯碼？設(shè)系統(tǒng)為20位地址線，采用全譯碼方式。（1）5124位RAM構(gòu)成16KB的存儲系統(tǒng)；（2）102

3、41位RAM構(gòu)成128KB的存儲系統(tǒng)；（3）2K4位RAM構(gòu)成64KB的存儲系統(tǒng)；（4）64K1位RAM構(gòu)成256KB的存儲系統(tǒng)；解： 1) 需要16KB/5124=64片 片外地址譯碼需11位地址線。2) 需要128KB/1K1=1024片 片外地址譯碼需10位地址線。3) 需要64KB/2K4=64片 片外地址譯碼需9位地址線。4) 需要256KB/64K1位=32片 片外地址譯碼需4位地址線。4.5 現(xiàn)有一種存儲芯片容量為5124位，若要用它組成4KB的存儲容量，需多少這樣的存儲芯片？每塊芯片需多少尋址線？而4KB存儲系統(tǒng)最少需多少尋址線？解: 4KB/ 5124b= 16，需要16片

4、每片芯片需9條尋址線 4KB存儲系統(tǒng)最少需12條尋址線4.6 何為位擴(kuò)展？何為字?jǐn)U展？并舉例說明。 解：若每個(gè)存儲芯片只有1條數(shù)據(jù)線D，8個(gè)存儲芯片的數(shù)據(jù)線分別同CPU的數(shù)據(jù)線D0D7相連，CPU發(fā)出16位地址，同時(shí)選中8個(gè)存儲片的同一地址單元，各提供1位數(shù)據(jù)，形成1個(gè)字節(jié)的信息供CPU讀寫（這就是“位擴(kuò)展”）;同樣，若每個(gè)存儲芯片只有2條數(shù)據(jù)線D1,D0，4個(gè)存儲芯片的數(shù)據(jù)線分別同CPU的數(shù)據(jù)線D0D1，D2D3，D4D5，和D6D7相連，CPU發(fā)出16位地址，同時(shí)選中4個(gè)存儲片的同一地址單元，各提供2位數(shù)據(jù)，形成1個(gè)字節(jié)的信息供CPU讀寫;若每個(gè)存儲芯片各有4條數(shù)據(jù)線D3,D2,D1,D0

5、，2個(gè)存儲芯片的數(shù)據(jù)線分別同CPU的數(shù)據(jù)線D3D2D1D0，和D6D7D4D5，相連，CPU發(fā)出16位地址，同時(shí)選中1個(gè)存儲片的同一地址單元，各提供4位數(shù)據(jù)，形成1個(gè)字節(jié)的信息供CPU讀寫。這都是“位擴(kuò)展”。每個(gè)存儲芯片提供字信息，設(shè)字信息為8位，每個(gè)芯片可提供64K8位64K字，8個(gè)存儲芯片構(gòu)成864K字，把存儲字從64K字?jǐn)U展為512K字。這就是“字?jǐn)U展”。4.7 用16k8位的SRAM芯片構(gòu)成64K16位的存儲器，要求畫出該存儲器的組成邏輯框圖。解：采用字位擴(kuò)展法，2片16k8位芯片組成一組為位擴(kuò)展，形成16位字共用4組字?jǐn)U展,構(gòu)成64k16位的存儲器。4.8 已知某8位機(jī)的主存采用半導(dǎo)

6、體存儲器，地址碼為18位，采用4K4位的SRAM芯片組成該機(jī)所允許的最大主存空間，并選用模塊條形式，問：（1）若每個(gè)模塊條為32K8位，共需幾個(gè)模塊條？（2）每個(gè)模塊條內(nèi)有多少片RAM芯片?（3）主存共需多少RAM芯片？CPU需使用幾根地址線來選擇各模塊？使用何種譯碼器？ 解：（1）地址碼為18位，所允許的最大主存空間為218B=512KB 512KB / 32K8位 = 16，共需16個(gè)模塊條（2）32K8位 / 4K4位 = 16，每個(gè)模塊條內(nèi)有16片RAM芯片（3）1616 = 256 主存共需256個(gè)RAM芯片 16 = 2n， n = 4 CPU需使用4地址線來選擇各模塊，使用2-4

7、譯碼器。49 用32K8位的靜態(tài)存儲芯片實(shí)現(xiàn)128K16位的存儲體，按字編址（16位為一個(gè)字）。 該存儲體需要多少塊32K8位存儲芯片； 該存儲體的地址總線和數(shù)據(jù)總線各是多少位。解：（1）128K16 / 32K8位 =42（2）該存儲體的地址總線為17位; 該存儲體的數(shù)據(jù)總線為16位410 試述三級存儲系統(tǒng)的組成（按CPU向外的次序?qū)懀┘肮δ?。解：三級存儲系統(tǒng)的組成是Cache（高速緩沖存儲器）、主存儲器和輔助存儲器構(gòu)成三級存儲系統(tǒng)，分為兩個(gè)存儲層次：Cache-主存存儲層次（Cache存儲系統(tǒng)）和主存-輔存存儲層次（虛擬存儲系統(tǒng)）。Cache-主存存儲層次用來解決主存速度低的問題，彌補(bǔ)CP

8、U與主存在速度上的差異。 主存-輔存存儲層次用來解決主存容量小的問題，在主存和輔存之間增加輔助硬件和輔助軟件，使主存和輔存構(gòu)成一個(gè)整體，擴(kuò)大程序可訪問的存儲空間，通過把磁盤空間當(dāng)作主存空間供程序使用，建立起一個(gè)虛擬存儲器。411一個(gè)具有8KB直接映象Cache的32位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主存容量為32MB，假定該Cache中塊的大小為4個(gè)32位字。（1）求該主存地址中區(qū)號、塊號和塊內(nèi)地址的位數(shù)。（2）求主存地址為ABCDEF16的單元在Cache中的位置解：( 1 ) 區(qū)號 = 32MB / 8KB = 4K, 12位 塊號 = 8KB / 44B = 512 , 9位 塊內(nèi)地址 = 432 / 8

9、= 16 , 4位 (字節(jié)地址)( 2 ) 主存地址為ABCDEF16的單元其二進(jìn)制地址為： 0 1010 1011 1100 1101 1110 1111 (注意主存字節(jié)地址為25位) 區(qū)號為0 1010 1011 110 塊號為0 1101 1110 數(shù)據(jù)在Cache中的位置是 0 1101 1110 1111即DEF16412 直接映象Cache的塊長為4個(gè)32位字,容量為4096字,主存容量為64K字:（1） 畫出該Cache的地址映象方式（2）求主存中有多少塊，Cache中有多少塊解：(1) Cache的地址映象方式 這里的塊號同Cache塊號。(2) 主存中塊數(shù)為64K字 / 4字

10、=16K個(gè)Cache中塊數(shù)為4096 字/ 4字 =1024個(gè)413 一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主存容量為2MB，字長32位，采用直接映象的Cache的容量為512字，計(jì)算主存地址格式中，區(qū)號、塊號和塊內(nèi)地址字段的位數(shù)。 （1）Cache塊長為1字 （2）Cache塊長為8字解： (1) Cache塊長為1字 主存為2MB, 21位，字長32位，字內(nèi)字節(jié)地址2位，主存字地址19位 區(qū)號 = 2MB / 5124B = 1024, 10位 塊號 = 512字 / 1字 = 512, 9位 塊內(nèi)地址,字地址0位(1個(gè)字), 字內(nèi)字節(jié)地址2位(4B) (2) Cache塊長為8字主存為2MB, 21位，字長3

11、2位，字內(nèi)字節(jié)地址2位，主存字地址19位 區(qū)號 = 2MB / 5124B = 1024, 10位 塊號 = 512字 / 8字 =64 , 6位 塊內(nèi)地址,字地址3位(8個(gè)字), 字內(nèi)字節(jié)地址2位(4B)414 一個(gè)具有16KB直接映象Cache的32位微處理器，主存容量為256MB，假定該Cache中塊的大小為4個(gè)32位字。 （1）畫出該Cache的地址映象方式，并指出主存地址不同字段的作用;(2) 主存地址為ABCDE8F16的單元在cache中的位置(寫出區(qū)號、塊號和塊內(nèi)地址值)解：(1) 主存256MB,地址為28位 區(qū)號 = 256MB / 16K =16K個(gè), 14位 塊號 =

12、16KB / 44B =1024, 10位 塊內(nèi)地址，字地址2位，字節(jié)地址4位這里的塊號同Cache塊號。 “區(qū)號”作為標(biāo)記（表示為Tag）存放在“地址映像表”中，用于判斷是否命中；“塊號”是區(qū)內(nèi)塊號，同Cache塊號，用于直接查“地址映像表”（用作查表索引，表示為Index），以及在Cache中進(jìn)行“塊尋址”；“塊內(nèi)地址”用于在塊內(nèi)選擇字或字節(jié)（表示為BS） (2) 主存地址為ABCDE8F16的單元其二進(jìn)制地址為： 1010 1011 1100 11 1111 (主存字節(jié)地址為28位) 區(qū)號為1010 1011 1100 11 塊號為01 1110 1000 數(shù)據(jù)在Cache中的位置是01

13、 1110 1000 1111即 1E8F16415 有一個(gè)Cache-主存存儲層次，主存容量為8個(gè)塊，Cache容量為4個(gè)塊。采用直接地址映象：（1）對于如下主存塊地址流：0,1,2,5,4,6,4,7,1,2,4,1,3,7,2,如果主存中內(nèi)容一開始未裝入Cache中，請列出每次訪問后Cache中各塊的分配情況（2）指出塊命中的時(shí)刻（3）求出此期間Cache的命中率解：(1)時(shí)間123456789101112131415地址流0125464712413720塊0000444444444441塊115555511111112塊22266662222223塊777777777(1) 從表可見命

14、中時(shí)刻為：7,11,12和15(2) h =4 / 15 =0.267416 一個(gè)組相聯(lián)映象Cache由64個(gè)存儲塊構(gòu)成，每組包含4個(gè)存儲塊。主存包含4096個(gè)存儲塊，每塊由128字組成，訪存地址為字地址。（1）求一個(gè)主存地址有多少位？一個(gè)Cache地址有多少位？（2）計(jì)算主存地址格式中，區(qū)號、組號、塊號和塊內(nèi)地址字段的位數(shù)。解：(1) 主存4096塊-12位, 每塊128字-7位, 共19位 Cache 64塊-6位, 每塊128字-7位, 共13位(2) 區(qū)號 = 主存塊數(shù) / Cache塊數(shù) = 4096 / 64 =64 (6位) 組號 = Cache塊數(shù) / 組內(nèi)塊數(shù) = 64 /

15、4 =16 (4位) 組內(nèi)塊號為4 (2位) 塊內(nèi)地址為7位(字地址，每塊128字) 主存地址格式如下6位 6位 2位 7位區(qū)號組號組內(nèi)塊號 塊內(nèi)地址417 有一個(gè)16KB 4路組相聯(lián)Cache的32位微處理器，假定該Cache的塊為4個(gè)32位的字。（1）畫出該Cache的結(jié)構(gòu)邏輯圖，指出主存地址的不同字段的作用。（2）主存地址為ABCDE8F816的單元在Cache中的什么位置。解：(1) Cache容量為16kb，地址14位; 采用4路組相聯(lián)結(jié)構(gòu)，塊地址2位;塊長為4個(gè)字,塊內(nèi)地址2位;每個(gè)字32位(4個(gè)字節(jié)),字內(nèi)字節(jié)地址2位。由(2)知主存地址為32位，則區(qū)號為32-14 = 18位。

16、則邏輯結(jié)構(gòu)圖如下：（2）主存地址單元ABCDE8F8的二進(jìn)制表示為： 1010 1011 1100 1101 1110 1000 11110 1000 Cache地址為：10 1000 11110 1000418 有一個(gè)”Cache-主存”存儲層次。主存共分為8個(gè)塊(07)，Cache為4個(gè)塊(03)，采用組相聯(lián)映象，組內(nèi)塊數(shù)為2塊，采用LRU(近期最少使用法)的替換算法。（1）畫出主存、Cache地址的各字段對應(yīng)關(guān)系;（2）畫出主存、Cache空間塊的映象對應(yīng)關(guān)系的示意圖;（3）對于如下主存塊地址流：1、2、4、1、3、7、0、1、2、5、4、6、4、7、2,請列出每次訪問后Cache 中各

17、塊的分配情況。解：(1) 主存、Cache地址的各字段對應(yīng)關(guān)系如下：(2) 主存的第0和第1塊映射到Cache的第0和第1塊; 主存的第2和第3塊映射到Cache的第2和第3塊; 主存的第4和第5塊映射到Cache的第0和第1塊; 主存的第6和第7塊映射到Cache的第2和第3塊; 如下圖所示： (3) Cache 中各塊的使用狀況如下圖所示：塊失效又發(fā)生塊爭用的時(shí)刻為：6.7.9.10.11.12.14.15。Cache命中3次,在此期間Cache的命中率為：H = 3 / 15 = 0.2。419設(shè)Cache的工作速度為主存的8倍，Cache被訪問命中的概率為0.90，問采用Cache后，

18、存儲器性能提高多少？ 解：Ta = 0.1 Tm +0.9Tm / 8 = 0.2125 性能為原來的 1 / 0.2125 = 4.706 倍，即提高了3.706倍420 某計(jì)算機(jī)的頁式虛存管理中采用長度為32字的頁面。頁表內(nèi)容如表習(xí)5-1所示，求當(dāng)CPU程序按下列2進(jìn)制虛擬字地址訪存時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際字地址。（1）00001101（2）10000000（3）00101000表習(xí)5-1虛頁號實(shí)頁號裝入位0000110010010111011001100101101011001110解：頁面長度為32字，則頁內(nèi)地址5位，8位地址碼巾的髙3位為虛頁號，從表中查出2位實(shí)頁號，與頁內(nèi)地址合并構(gòu)成7位實(shí)際物

19、理內(nèi)存的地址。(1) 虛頁號為000,查得實(shí)頁號01，與頁內(nèi)地址01101合并，得0101101;(2) 虛頁號為100,查得實(shí)頁號10，與頁內(nèi)地址00000合并，得1000000;(3) 虛頁號為001,查得該頁未裝入內(nèi)存，故無相應(yīng)的內(nèi)存地址。421 一個(gè)虛擬存儲器有8個(gè)頁面，頁面大小為1024字，內(nèi)存有4個(gè)頁面框架，頁表的內(nèi)容如表習(xí)5-2所示。問對應(yīng)于虛擬地址4096的主存地址是什么。表習(xí)5-2虛頁號實(shí)頁號虛頁號實(shí)頁號034211526037解：方法1：利用除法和取模法 頁面大小為1024，虛擬地址為4096,4096 / 1024 =4-0， 虛頁號為4頁內(nèi)地址為0，查表得實(shí)頁號為2，實(shí)

20、際地址為21024+0=2048 方法2：頁面大小為1024，用二進(jìn)制表示地址中頁內(nèi)地址部分為10位,髙位部分為虛頁號，4096 = 1 0000 0000 00002 虛頁號為4 = 100, 頁內(nèi)地址為 00 0000 0000，查得實(shí)頁號為2,即102,與頁內(nèi)號合并得實(shí)際地址為 1000 0000 00002422 一個(gè)虛擬存儲器有8個(gè)頁面，頁面大小為1024字，內(nèi)存有4個(gè)頁面框架，頁表的內(nèi)容如表習(xí)5-2所示(同上題)。（1）問哪些虛擬地址將引起頁面失效？（2）對應(yīng)于以下虛擬地址的主存地址是什么？ 0 3728 1023 1024 7800 4096解：(1) 虛頁號為2、3、5、7的頁

21、面失效。 (2) 0-0110000000000 3728-虛頁號為3，頁面失效。 1023-0111111111111 1024-0010000000000 7800-虛頁號為7，頁面失效 4096-0100000000000423 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，頁表長度是多少？ 解： 1GB = 230 虛擬地址 = 30位 4MB =222 物理地址 = 22位 主存4MB，頁面大小為4KB ，主存中有4MB /4KB = 1024頁 虛存容量為1GB，可有256*1024頁頁表長度 = 218 =256K424 一臺計(jì)算機(jī)的主存

22、容量為1MB，字長為32位，Cache的容量為512字，確定下列情況下主存和Cache的地址格式：（1）直接映像的Cache，塊長1字（2）直接映像的Cache，塊長8字（3）組相聯(lián)映像的Cache，塊長1字，組內(nèi)4塊解：(1) Cache塊長為1字 主存為1MB, 20位，字長32位，字內(nèi)字節(jié)地址2位，主存字地址18位 區(qū)號 =1MB / 5124B = 512, 9位 塊號 = 512字 / 1字 = 512, 9位 塊內(nèi)地址,字地址0位(1個(gè)字), 字內(nèi)字節(jié)地址2位(4B)主存的地址格式 區(qū)號塊號塊內(nèi)字節(jié)地址 9位 9位 2位 Cache的地址格式塊號塊內(nèi)字節(jié)地址 9位 2位 (2) Cache塊長為8字主存為1MB, 20位，字長32位，