計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)第三版-第七章課后答案教學(xué)教材

1、計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)第三版-第七章課后答案7.3比較DRAM和SRAM芯片的主要特性。 n從所用的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝區(qū)分，存儲(chǔ)器芯片又可以分為靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器兩種類型。由于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器集成度高，生產(chǎn)成本低，被廣泛地用于實(shí)際要求更大容量的主存儲(chǔ)器。靜態(tài)存儲(chǔ)器讀寫速度快，生產(chǎn)成本高，通常多用其實(shí)現(xiàn)容量可以較小的高速緩沖存儲(chǔ)器。兩者不同之處主要再現(xiàn)如下表： 7.9設(shè)計(jì)用2732ROM芯片和6116RAM芯片組成16位字長(zhǎng)的、由一個(gè)8K字ROM區(qū)(在前)和4k字RAM區(qū)(在后)的主存儲(chǔ)器系統(tǒng),要求能直接支持按字亦可按字節(jié)讀寫,并判斷:支持對(duì)ROM區(qū)按字節(jié)讀出實(shí)用意義大嗎?n解：按字讀大家一定理解和會(huì)做。支

2、持字和字節(jié)，只要列一張真值表，輸入為按字讀的片選（比如2行為/CS1、/CS0）還要增加一位區(qū)分字和字節(jié)的信號(hào)（W/B），輸出為（/CE3、/CE2、/CE1、/CE0）四片內(nèi)存芯片的芯片允許，列出后得到的四個(gè)輸出變量的表達(dá)式，再根據(jù)邏輯表達(dá)式畫出邏輯電路，就是此能按字或字節(jié)讀寫的系統(tǒng)。如果監(jiān)控（MON）ROM中有按字節(jié)讀出的數(shù)據(jù)表，那么ROM支持此方式就有意義。否則沒有必要。7.10為什么動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器會(huì)是破壞性讀出？靜態(tài)存儲(chǔ)器又為什么讀出操作不會(huì)破壞已存儲(chǔ)的信息呢？什么是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的回寫（預(yù)充電延遲）？它對(duì)存儲(chǔ)器性能的影響是什么？ n答：動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的讀操作過程時(shí)，當(dāng)字線的高電平到來后，則T管導(dǎo)

3、通，若電容中原存儲(chǔ)有電荷（存儲(chǔ)1信號(hào)），電容就要放電，則會(huì)使數(shù)據(jù)線的電位由高變低，使電容中原存儲(chǔ)的電荷（存儲(chǔ)1信號(hào)）丟失，這就是通常說的破壞性讀出。n為了保持電容器原記憶內(nèi)容，必須在讀操作之后立刻跟隨一次寫回操作，這被稱為預(yù)充電延遲。在預(yù)充電延遲完成之前，是不能開始下一次的讀操作的，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的讀寫周期顯然比它的數(shù)據(jù)讀出時(shí)間長(zhǎng)得多，也降低了存儲(chǔ)器的運(yùn)行速度。n靜態(tài)存儲(chǔ)器是用觸發(fā)器線路記憶與讀寫數(shù)據(jù)的，它是通過檢查哪一條位線上出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖來判斷狀態(tài)，即區(qū)分讀出來的信號(hào)是1或是0，而無需改變存儲(chǔ)器的脈沖波紋，所以不會(huì)破壞已存儲(chǔ)的信息 .7.127.12存儲(chǔ)器讀寫操作時(shí)，地址信號(hào)、片選信號(hào)、讀寫命

4、存儲(chǔ)器讀寫操作時(shí)，地址信號(hào)、片選信號(hào)、讀寫命令、讀出的數(shù)據(jù)或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)，在時(shí)間配合上要滿足些令、讀出的數(shù)據(jù)或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)，在時(shí)間配合上要滿足些什么關(guān)系？什么關(guān)系？n答：存儲(chǔ)器讀寫操作時(shí)，地址信號(hào)、片選信號(hào)、讀寫命令、讀出的數(shù)據(jù)或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)，它們之間在時(shí)序配合要滿足以下這些條件：有了穩(wěn)定的地址與片選信號(hào)才可以讀；有了穩(wěn)定的地址和寫入的數(shù)據(jù)，再有了片選信號(hào)才能再給出寫命令，以便保證無誤的寫操作。此外，這些信號(hào)應(yīng)有一定的持續(xù)時(shí)間，以保證讀寫操作得以正常完成。7.13在所用主存儲(chǔ)器芯片已確定的情況下，還要進(jìn)行大幅度提高主存儲(chǔ)器系統(tǒng)的讀寫速度的辦法是什么？ n答：在所用主存儲(chǔ)器芯片已確定的情況下，還要進(jìn)行

5、大幅度提高主存儲(chǔ)器系統(tǒng)的讀寫速度的辦法是采用成組傳送數(shù)據(jù)的方式，該方式是指用于提高在數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)輸入/輸出能力的一種技術(shù)。即通過地址總線傳送一次地址后，能連續(xù)在數(shù)據(jù)總線上傳送多個(gè)（一組）數(shù)據(jù)，而不像正?？偩€工作方式那樣，每傳送一次數(shù)據(jù)，總要用兩段時(shí)間，即先送一次地址（地址時(shí)間），后送一次數(shù)據(jù)傳送（數(shù)據(jù)時(shí)間）。在成組傳送方式，為傳送N個(gè)數(shù)據(jù)，就可以用N+1個(gè)總線時(shí)鐘周期，而不再是用2N個(gè)總線時(shí)鐘周期，使總線上的數(shù)據(jù)入/出尖峰提高一倍。7.147.14主存一體多字和多體交叉方案的優(yōu)缺點(diǎn)各表現(xiàn)在什主存一體多字和多體交叉方案的優(yōu)缺點(diǎn)各表現(xiàn)在什么地方？低位地址的多體交叉是何含義？?jī)?yōu)點(diǎn)何在？么地方？低

6、位地址的多體交叉是何含義？?jī)?yōu)點(diǎn)何在？n主存一體多字的優(yōu)點(diǎn)：是通過加寬每個(gè)主存單元的寬度，增加每個(gè)主存單元所包括的數(shù)據(jù)位數(shù)，使每個(gè)主存單元同時(shí)存儲(chǔ)幾個(gè)主存字，則每一次讀操作就同時(shí)讀出了幾個(gè)主存字，使讀出一個(gè)主存字的平均讀出時(shí)間變?yōu)樵瓉淼膸追种?。缺點(diǎn)是：每次讀出的幾個(gè)主存字必須首先保存在一個(gè)位數(shù)足夠長(zhǎng)的存儲(chǔ)器中，等待通過數(shù)據(jù)總線分幾次把他們傳送走。n多體交叉編址優(yōu)點(diǎn)：是把主存儲(chǔ)器分成幾個(gè)能獨(dú)立讀寫的、字長(zhǎng)為一個(gè)主存字的主體，這樣就可以按讀寫需要情況，分別對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)體執(zhí)行讀寫；通過合理的組織方式，使幾個(gè)存儲(chǔ)體協(xié)同運(yùn)行，從而提供出比單個(gè)存儲(chǔ)體更高的（幾倍）讀寫速度。n低位地址的多體交叉是把地址的幾個(gè)

7、主存字依次分配在不同的存儲(chǔ)體中。因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行的局部特征表明，程序運(yùn)行過程中，在短時(shí)間內(nèi)讀寫地址相鄰的主存字的概率更大。在這種編址方式中，地址寄存器送到主存儲(chǔ)器的地址的低幾位，用于區(qū)分讀寫哪個(gè)存儲(chǔ)體，其余高位部分送到每個(gè)存儲(chǔ)體，用于區(qū)分讀寫每個(gè)存儲(chǔ)體的哪一個(gè)存儲(chǔ)字。7.17簡(jiǎn)單說明硬磁盤機(jī)的組成，磁盤片上的信息組織方式和理論上可存儲(chǔ)的信息總量的計(jì)算公式，并解釋為什么格式化后的可用容量會(huì)比存儲(chǔ)的總信息位小了許多。 n答：硬磁盤驅(qū)動(dòng)器的一般組成：主軸及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、磁頭及其定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)讀寫等控制邏輯部分。n磁盤片上的信息組織方式：在同一磁盤記錄面上，信息被寫在許多個(gè)同心圓上，每個(gè)同心圓為一個(gè)磁道，不

8、同磁道用磁道號(hào)表示。磁道間的距離為道密度，它與磁頭選擇磁道的定位精度直接有關(guān)。對(duì)固定尺寸的盤片，磁道密度與磁盤片的總存儲(chǔ)容量成正比。對(duì)多片結(jié)構(gòu)的磁盤組，不同記錄面上的同一磁道被叫做一個(gè)柱面。在同一磁道上，信息被組織為固定大小的區(qū)段，稱為扇區(qū)。即把一個(gè)圓周等分成若干部分，每部分構(gòu)成一個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)的一個(gè)磁道，用于存儲(chǔ)一定數(shù)目的二進(jìn)制信息。扇區(qū)的一個(gè)磁道通常是磁盤進(jìn)行讀寫的最小信息單位。不同扇區(qū)用扇區(qū)號(hào)表示。n在一磁道上，只有一部分區(qū)域用于記錄有用的信息；還有很多區(qū)域用于標(biāo)記磁道的開始、結(jié)束、扇區(qū)位置、磁道號(hào)等，以及用于保存數(shù)據(jù)校驗(yàn)與糾錯(cuò)處理的冗余信息，可能還有一些必要的間隙部分。對(duì)一個(gè)磁盤片，

9、在使用之前要進(jìn)行格式化操作，即在每個(gè)磁道上完成區(qū)域劃分，寫入各種標(biāo)記信息，建立標(biāo)明磁記錄面使用情況的信息位圖等。所以一個(gè)磁盤上的可用存儲(chǔ)容量，是指磁盤完成格式化操作之后，留給用戶實(shí)際可用的存儲(chǔ)空間，比存儲(chǔ)的總信息量小了許多。n理論上可用存儲(chǔ)信息總量=磁道數(shù)*扇區(qū)數(shù)*每扇區(qū)寫留給用戶實(shí)際可用的存儲(chǔ)空間。7.25為什么要采用磁盤陣列技術(shù)？何為邏輯盤，何為物理盤？作為一個(gè)邏輯盤使用的多個(gè)物理盤需要在轉(zhuǎn)速和所用扇區(qū)等方面嚴(yán)格的同步嗎？為什么？ n答：使用統(tǒng)一管理的由多個(gè)磁盤組成的磁盤陣列，這一技術(shù)的著眼點(diǎn)，是通過多個(gè)磁盤設(shè)備的并行操作來提高設(shè)備總體的性能和可靠性。如果一個(gè)磁盤有xMB的容量，單位時(shí)間提

10、供y傳送能力，則概念上講，n個(gè)這樣的磁盤就有n*xMB的容量，n*yMB的傳送能力，即要讀出yMB的數(shù)據(jù)，所用的平均時(shí)間只要原來單個(gè)磁盤所用時(shí)間的1/n；還有一點(diǎn)好處是通過合理地在多個(gè)磁盤之間組織數(shù)據(jù)，可以得到比較理想的容錯(cuò)能力，這指的是，額外拿出一定的存儲(chǔ)容量，用于保存檢錯(cuò)糾錯(cuò)的信息。在總體價(jià)格上，使用多個(gè)磁盤也不會(huì)給用戶帶來太大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。n實(shí)際使用的多個(gè)磁盤就是物理盤。7.25為什么要采用磁盤陣列技術(shù)？何為邏輯盤，何為物理盤？作為一個(gè)邏輯盤使用的多個(gè)物理盤需要在轉(zhuǎn)速和所用扇區(qū)等方面嚴(yán)格的同步嗎？為什么？n為了統(tǒng)一管理磁盤陣列，使用戶所感覺到的不再是多個(gè)物理盤，似乎就是一個(gè)性能更高的單個(gè)磁

11、盤，就要使用一塊特點(diǎn)的接口卡（RAID陣列控制卡），把組成陣列的多個(gè)物理磁盤連接為一個(gè)邏輯整體，這就是邏輯磁盤。n作為一個(gè)邏輯盤使用的多個(gè)物理盤不需要在轉(zhuǎn)速和所用扇區(qū)等方面嚴(yán)格同步。陣列磁盤運(yùn)行 過程中，有以下兩項(xiàng)重要技術(shù)。一個(gè)是并發(fā)命令請(qǐng)求和排隊(duì)管理，并使多個(gè)命令得以并發(fā)處理；如果在處理命令的時(shí)候，還能進(jìn)行某些性能優(yōu)化，而不是機(jī)械地按命令到來的先后次序處理，還可以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)讀寫的速度。最簡(jiǎn)單的例子，對(duì)兩個(gè)等待操作的命令，磁頭先到達(dá)哪一個(gè)命令的數(shù)據(jù)扇區(qū)，就先執(zhí)行哪一個(gè)命令，這在磁盤本身的控制器部分來處理可能更方便。另外一項(xiàng)技術(shù)是設(shè)備的快速接入和斷開，即當(dāng)一個(gè)占據(jù)了總線的磁盤開始執(zhí)行一個(gè)讀命

12、令，數(shù)據(jù)又尚未準(zhǔn)備好時(shí)，它應(yīng)快速地暫時(shí)把自己從總線上分離出來，以便使另外正急于使用總線的磁盤可能搶到總線，從而提高總線的使用效率和系統(tǒng)性能，當(dāng)這個(gè)磁盤準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)保證它能把自己盡快地接通到總線上去。這實(shí)質(zhì)是把占用總線的時(shí)間壓縮到盡可能短的一項(xiàng)處理技術(shù)。 7.28陣列磁盤應(yīng)用什么類型的接口卡？該卡上大體有些什么組成部件？陣列盤中的RAID1，RAID1，RAID4和RAID5指的是什么類型的容錯(cuò)處理？nRAID4模式，是為N個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁盤分配另外一個(gè)專用于存儲(chǔ)奇偶校驗(yàn)信息的磁盤，它仍以數(shù)據(jù)散放為基礎(chǔ)，但在把文件數(shù)據(jù)分塊寫進(jìn)多個(gè)數(shù)據(jù)磁盤的同時(shí)，對(duì)這些數(shù)據(jù)中相應(yīng)的幾位求出它們的奇偶校驗(yàn)值，最終

13、形成一個(gè)由奇偶校驗(yàn)值組成的信息塊，并將其寫入專用于存儲(chǔ)奇偶校驗(yàn)信息的磁盤，這被稱為數(shù)據(jù)保護(hù)。好處是提供了容錯(cuò)能力，缺點(diǎn)是比較費(fèi)時(shí)，受奇偶磁盤的制約，不支持多個(gè)數(shù)據(jù)磁盤的并行寫操作。nRAID5模式，是對(duì)RAID4的改進(jìn)。不再區(qū)分N個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁盤和另外一個(gè)專用的奇偶校驗(yàn)磁盤，它是把N+1個(gè)磁盤同等對(duì)待，都用于存放數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)信息，在同一物理盤中，數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)信息是以不同扇區(qū)的形式體現(xiàn)出來的，這被稱為分布式數(shù)據(jù)保護(hù)。它也提供了容錯(cuò)能力，而且可能可以對(duì)多個(gè)磁盤執(zhí)行并行的寫操作。 7.28陣列磁盤應(yīng)用什么類型的接口卡？該卡上大體有些什么組成部件？陣列盤中的RAID1，RAID1，RAID4和RA

14、ID5指的是什么類型的容錯(cuò)處理？ n答：陣列磁盤應(yīng)用RAID陣列控制卡，該卡的一端將被插接到高速的SCSI總線或PCI總線的插槽中，以便與計(jì)算機(jī)主機(jī)接通；另外一端有13個(gè)接插頭，通過電纜與13組磁盤設(shè)備連接，每組可有串行連接在一起的17物理磁盤。該卡是一個(gè)有較強(qiáng)智能處理能力的接口卡，上面有一個(gè)單片計(jì)算機(jī)，形成奇偶校驗(yàn)信息的機(jī)構(gòu)，分析與處理主機(jī)CPU發(fā)送來的讀寫磁盤命令的機(jī)構(gòu)；有起緩沖作用的DRAM存儲(chǔ)器等幾個(gè)組成部分。系統(tǒng)能通過該卡對(duì)連接到卡上的多個(gè)磁盤，按用戶的使用要求，靈活地配置為不同的使用和容錯(cuò)方式。nRAID0模式，是指把一個(gè)文件的數(shù)據(jù)分成容量相等的塊，把每一塊交替地分別寫到不同的物理

15、磁盤的幾個(gè)扇區(qū)中去，這種處理叫數(shù)據(jù)散放。提高了數(shù)據(jù)輸入/輸出的吞吐率，但沒有容錯(cuò)能力。nRAID1模式，是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)磁盤互為備份的用法，即把相同的數(shù)據(jù)分別寫到這樣配對(duì)使用的兩個(gè)磁盤中去，這叫做磁盤鏡像。最大好處是數(shù)據(jù)被同時(shí)保存在兩個(gè)磁盤中，若其中任何一個(gè)磁盤出現(xiàn)故障，可以從另一個(gè)磁盤中讀出數(shù)據(jù)。不足之處是磁盤總存儲(chǔ)容量的有效利用率只有50%。7.337.33說明影響高速緩存命中率的因素都有哪一些，并簡(jiǎn)單說明影響高速緩存命中率的因素都有哪一些，并簡(jiǎn)單解釋一下的如何影響的。解釋一下的如何影響的。n答：影響cache命中率的因素有以下幾點(diǎn)：1.cache的容量：更大一點(diǎn)的cache容量，對(duì)提高命中率是

16、有好處的，而容量達(dá)到一定大小之后，再增加其容量，對(duì)命中率的提高并不明顯。2. cache line size(每次與內(nèi)存交換信息的單位量)：由cache在命中的情況下，可以在0等待狀態(tài)快速向CPU提供指令和數(shù)據(jù)，而一旦不命中，CPU就必須到主存去取信息，會(huì)增加幾個(gè)等待狀態(tài)。所以為減少訪問內(nèi)存的次數(shù)，可通過每次到內(nèi)存取信息時(shí)，不是以一個(gè)字為單位，而是以幾個(gè)字在主存與cache之間實(shí)現(xiàn)信息傳送。Cache line size太大，會(huì)拖慢本次完成傳送的進(jìn)度，還可能出現(xiàn)cache中這多信息并不被CPU使用，造成費(fèi)時(shí)費(fèi)資源。3.多級(jí)的cache結(jié)構(gòu)：在已有cache存儲(chǔ)器系統(tǒng)之外，再增加一個(gè)容量更大的c

17、ache。此時(shí)第一級(jí)cache中保存的信息第二級(jí)cache也保存，CPU訪問第一級(jí)cache出現(xiàn)缺失時(shí)，就去訪問第二級(jí)cache。若兩個(gè)cache命中率為90%，兩個(gè)合起來的命中率為99%，所以不可再增加第三級(jí)cache。 4.不同映像方式：全相聯(lián)映象方式很難實(shí)用，直接映像方式命中率略低，多路組相聯(lián)映像方式性能/價(jià)格比更好。 7.37說明段表的組成與邏輯段地址到內(nèi)存物理地址的變換。 n答：段表也是一個(gè)特定的段，通常被保存在主存中。段表由多個(gè)入口（表項(xiàng)）組成，每個(gè)表項(xiàng)由3部分內(nèi)容構(gòu)成：段起始地址，段的長(zhǎng)度，段的裝入位。段起始地址給出的是本段在主存中的起始地址，該起始地址加上段內(nèi)地址就得到本段的一

18、個(gè)字在主存中的真正地址。段的長(zhǎng)度用于主存使用的合法性檢查，當(dāng)出現(xiàn)段內(nèi)地址超過段的長(zhǎng)度時(shí)，就是主存使用中的一個(gè)地址越界錯(cuò)誤。段的裝入位用于判斷本段是否已裝入主存。n地址轉(zhuǎn)換過程，從概念上講可以用如下辦法完成：把邏輯地址中的段號(hào)取來與段表基地址的內(nèi)容相加，用相加之和作地址，找到段表的一個(gè)表項(xiàng)，檢查該表項(xiàng)中的裝入位，其內(nèi)容為1，表示該段已調(diào)入主存，從表項(xiàng)中取段的起始地址與邏輯地址中的段內(nèi)地址相加，就得到一個(gè)數(shù)據(jù)在主存中的實(shí)際地址。若表項(xiàng)的裝入位的值為0，表示該段尚未調(diào)入主存，則操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)首先把該段從磁盤裝入主存，并相應(yīng)修改段表中的該表項(xiàng)內(nèi)容，之后才可以完成地址轉(zhuǎn)換過程。7.39說明頁表的組成與程序邏輯地址到內(nèi)存物理地址的變換過程?？毂硎且欢ㄒ械膯?？說明快表內(nèi)容的組成與讀寫原理。 n答：頁表由若干表項(xiàng)組成，每個(gè)虛頁號(hào)