第4章存儲器講解

存儲器第四章5.什么是存儲器的帶寬？若存儲器的數(shù)據(jù)總線寬度為32位，存取周期為200ns，則存儲器的帶寬是多少？

解：存儲器的帶寬指單位時間內(nèi)從存儲器進(jìn)出信息的最大數(shù)量。

存儲器帶寬=1/200ns×32位

=160M位/秒=20MB/S

（注：本題的兆單位來自時間=106）7.一個容量為16K×32位的存儲器，其地址線和數(shù)據(jù)線的總和是多少？當(dāng)選用下列不同規(guī)格的存儲芯片時，各需要多少片？

1K×4位，2K×8位，4K×4位，16K×1位，4K×8位，8K×8位

解：地址線和數(shù)據(jù)線的總和=14+32=46根；

各需要的片數(shù)為：

1K×4：16K×32/1K×4=16×8=128片

2K×8：16K×32/2K×8=8×4=32片

4K×4：16K×32/4K×4=4×8=32片

16K×1：16K×32/16K×1=32片

4K×8：16K×32/4K×8=4×4=16片

8K×8：16K×32/8K×8=2X4=8片討論：地址線根數(shù)與容量為2的冪的關(guān)系，在此為214，14根；

數(shù)據(jù)線根數(shù)與字長位數(shù)相等，在此為32根。

解：刷新——對DRAM定期進(jìn)行的全部重寫過程；

刷新原因——因電容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰減需要及時補(bǔ)充，因此安排了定期刷新操作.

9.什么叫刷新？為什么要刷新？說明刷新有幾種方法。

常用的刷新方法有三種——集中式、分散式、異步式。

集中式：在最大刷新間隔時間內(nèi)，

集中安排一段時間進(jìn)行刷新；

分散式：在每個讀/寫周期之后插入一個刷新周期，無CPU訪存死時間；

異步式：是集中式和分散式的折衷。11.一個8K×8位的動態(tài)RAM芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列成256×256形式，存取周期為0.1μs。試問采用集中刷新、分散刷新及異步刷新三種方式的刷新間隔各為多少？

解：設(shè)DRAM的刷新最大間隔時間為2ms，則

1)集中刷新

2ms

集中刷新的死時間=0.1μs×256行

=25.6μs

2)分散刷新

刷新間隔=0.1μs×2=0.2μs,即：每0.2μs刷新一行。

分散刷新一遍的時間=0.1μs×2×256行=51.2μs

分散刷新時，2ms內(nèi)可重復(fù)刷新遍數(shù)=2ms/51.2μs≈39遍。

3)異步刷新

刷新間隔=2ms/256=0.0078125ms=7.8125μs

即：每7.8125μs刷新一行。

14.某8位微型機(jī)地址碼為18位，若使用4K×4位的RAM芯片組成模塊板結(jié)構(gòu)的存儲器，試問：

（1）該機(jī)所允許的最大主存空間是多少？

（2）若每個模塊板為32K×8位，共需幾個模塊板？

（3）每個模塊板內(nèi)共有幾片RAM芯片？

（4）共有多少片RAM？

（5）CPU如何選擇各模塊板？

解：（1）218=256K，則該機(jī)所允許的最大主存空間是（2）模塊板總數(shù)=256K×8/32K×8=8塊；

（3）板內(nèi)片數(shù)=32K×8位/4K×4位=8×2=16片；（4）總片數(shù)=16片×8=128片；

（5）CPU通過最高3位地址譯碼選板，次高3位地址譯碼選片。地址格式分配如下：板地址片地址片內(nèi)地址331217151412110256K×8位=256KB；15.設(shè)CPU共有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用MREQ（低電平有效）作訪存控制信號，R/W作讀/寫命令信號（高電平為讀，低電平為寫）?，F(xiàn)有這些存儲芯片：

ROM（2K×8位，4K×4位，8K×8位），

RAM（1K×4位，2K×8位，4K×8位），

及74138譯碼器和其他門電路（門電路自定）。

試從上述規(guī)格中選用合適的芯片，畫出CPU和存儲芯片的連接圖。要求如下：

（1）最小4K地址為系統(tǒng)程序區(qū)，4096~16383地址范圍為用戶程序區(qū)；（2）指出選用的存儲芯片類型及數(shù)量；

（3）詳細(xì)畫出片選邏輯。(1)寫出對應(yīng)的二進(jìn)制地址碼A15A14A13A11A10…A7…

A4A3…

A000

00000000000000…00

001111111111114K×8位ROM2片4K×4位

解：（1）地址空間分配圖如下：4K（ROM）4K（SRAM）4K（SRAM）4K（SRAM）……0~40954096~81918192~1228712288~16383

……65535Y0Y1Y2Y3………A15=1A15=0ROM（2K×8位，4K×4位，8K×8位），

RAM（1K×4位，2K×8位，4K×8位），

4096~16383地址范圍為用戶程序區(qū)單元數(shù)=16383-4096+1=12288=12K12K×8位RAM3片4K×8位

（2）選片：ROM：4K×4位：2片；

RAM：4K×8位：3片；4K×4ROM74138（3：8）4K×4ROM4K×8RAM4K×8RAM4K×8RAMG1+5VMREQA15A14A13A12CPUA11~0R/WD3~0D7~4G2AG2BCS0CS1CS2CS3CBAY0Y1Y2Y3

（3）CPU和存儲器連接邏輯圖及片選邏輯：16.CPU假設(shè)同上題，現(xiàn)有8片8K×8位的RAM芯片與CPU相連。

（1）用74138譯碼器畫出CPU與存儲芯片的連接圖；

（2）寫出每片RAM的地址范圍；

（3）如果運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)不論往哪片RAM寫入數(shù)據(jù)，以A000H為起始地址的存儲芯片都有與其相同的數(shù)據(jù)，分析故障原因。

（4）根據(jù)（1）的連接圖，若出現(xiàn)地址線A13與CPU斷線，并搭接到高電平上，將出現(xiàn)什么后果？

解：

（1）CPU與存儲器芯片連接邏輯圖：CPU8K×8SRAM74138（3：8）R/WD7~0A12~08K×8SRAM8K×8SRAM8K×8SRAM…G2AG2BABCMREQA13A14A15CS0CS1CS2……CS7+5VG1

（2）地址空間分配圖：8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAMY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70~81918192~1638316384~2457524576~3276732768~4095940960~4915149152~5734357344~65535

（3）如果運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)不論往哪片RAM寫入數(shù)據(jù)后，以A000H為起始地址的存儲芯片都有與其相同的數(shù)據(jù)，則根本的故障原因為：該存儲芯片的片選輸入端很可能總是處于低電平?？赡艿那闆r有：

1）該片的-CS端與-WE端錯連或短路；

2）該片的-CS端與CPU的-MREQ端錯連或短路；

3）該片的-CS端與地線錯連或短路；

在此，假設(shè)芯片與譯碼器本身都是好的。

（4）如果地址線A13與CPU斷線，并搭接到高電平上，將會出現(xiàn)A13恒為“1”的情況。此時存儲器只能尋址A13=1的地址空間，A13=0的另一半地址空間將永遠(yuǎn)訪問不到。若對A13=0的地址空間進(jìn)行訪問，只能錯誤地訪問到A13=1的對應(yīng)空間中去。17.寫出1100,1101的漢明碼。

二進(jìn)制序號

名稱1234567C1C21C4100C1=357=0C2=367=1C4=567=1∴1100的漢明碼為

01111001001的漢明碼為

101010118.的接受到的漢明碼為1100100,1100000。（配偶）P1=1357=0P2=2367=1P4=4567=1∴P4P2P1=110第6位出錯，可糾正為1100110。第7位出錯，可糾正為1100001。22.某機(jī)字長為16位，常規(guī)的存儲空間為64K字，若想不改用其他高速的存儲芯片，而使訪存速度提高到8倍，可采取什么措施？畫圖說明。

解：若想不改用高速存儲芯片，而使訪存速度提高到8倍，可采取多體交叉存取技術(shù)，圖示如下：08……M08K19……M18K210……M28K311……M38K412……M48K513……M58K614……M68K715……M78K存儲管理存儲總線8體交叉訪問時序：啟動M0：啟動M1：啟動M2：啟動M3：啟動M4：啟動M5：啟動M6：啟動M7：t單體存取周期由圖可知：每隔1/8個存取周期就可在存儲總線上獲得一個數(shù)據(jù)。23.設(shè)CPU共有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用M/IO作為訪問存儲器或I/O的控制信號（高電平為訪存，低電平為訪I/O)，WR（低電平有效）為寫命令，RD（低電平有效）為讀命令。設(shè)計一個容量為64KB的采用低位交叉編址的8體并行結(jié)構(gòu)存儲器?，F(xiàn)有右圖所示的存儲芯片及138譯碼器。

畫出CPU和存儲芯片（芯片容量自定）的連接圖，并寫出圖中每個存儲芯片的地址范圍（用十六進(jìn)制數(shù)表示）。RAM…………AiA0OEDnD0WECE…………OE允許讀WE允許寫CE片選解：芯片容量=64KB/8=8KB

每個芯片（體）的地址范圍以8為模低位交叉分布如下：8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAM8K×8RAMY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70000H，0008H，……，F(xiàn)FF8H0001H，0009H，……，F(xiàn)FF9H0002H，000AH，……，F(xiàn)FFAH0003H，000BH，……，F(xiàn)FFBH0004H，000CH，……，F(xiàn)FFCH0005H，000DH，……，F(xiàn)FFDH0006H，000EH，……，F(xiàn)FFEH0007H，000FH，……，F(xiàn)FFFH地址空間分配圖：地址范圍：方案1：8體交叉編址的CPU和存儲芯片的連接圖：CPU8KBSRAM0體74138（3：8）-WR-RDD7~0A15~38KBSRAM1體8KBSRAM2體8KBSRAM7體…-G2A-G2BABCM/-IOA0A1A2-Y0-Y1-Y2……-Y7G1-WE-WE-WE-WE-OE-OE-OE-OE-CE-CE-CE-CE

注：此設(shè)計方案只能實現(xiàn)八體之間的低位交叉尋址，但不能實現(xiàn)八體并行操作。方案2：8體交叉并行存取系統(tǒng)體內(nèi)邏輯如下：8KBSRAM-WE-OE輸入地址緩沖輸入數(shù)據(jù)緩沖-CEA12~0D7~0輸出數(shù)據(jù)緩沖片選信號擴(kuò)展A15~3D7~0讀命令擴(kuò)展寫命令擴(kuò)展-Yi-RD-WRi體M/-IO

由于存儲器單體的存取周期為T，而CPU的總線訪存周期為（1/8）T，故體內(nèi)邏輯要支持單體的獨立工作速率。因此在SRAM芯片的外圍加了地址、數(shù)據(jù)的輸入/輸出緩沖裝置，以及控制信號的擴(kuò)展裝置。CPU和各體的連接圖：由于存儲器單體的工作速率和總線速率不一致，因此各體之間存在總線分配問題，存儲器不能簡單地和CPU直接相連，要在存儲管理部件的控制下連接。CPU8KB0體74138（3：8）-WR-RDD7~0A15~38KB1體8KB2體8KB7體…-G2A-G2BABCM/-IOA0A1A2-Y0-Y1-Y2……-Y7G1-WE-WE-WE-WE-OE-OE-OE-OE-Y0-Y1-Y2-Y7存儲管理A12~0A12~0A12~0A12~0

24.一個4體低位交叉的存儲器，假設(shè)存取周期為T，CPU每隔1/4存取周期啟動一個存儲體，試問依次訪問64個字需多少個存取周期？解：只有訪問第一個字需一個存取周期，從第二個字開始，每隔1/4存取周期即可訪問一個字，因此，依次訪問64個字需：存取周期個數(shù)=(64-1)×(1/4)T+T

=（63/4+1）T=15.75+1=16.75T

與常規(guī)存儲器的速度相比，加快了：（64-16.75）T=47.25T

注：4體交叉存取雖然從理論上講可將存取速度提高到4倍，但實現(xiàn)時由于并行存取的分時啟動需要一定的時間，故實際上只能提高到接近4倍。25.什么是“程序訪問的局部性”？存儲系統(tǒng)中哪一級采用了程序訪問的局部性原理？

解：程序運(yùn)行的局部性原理指：在一小段時間內(nèi)，最近被訪問過的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問；在空間上，這些被訪問的程序和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲區(qū)；在訪問順序上，指令順序執(zhí)行比轉(zhuǎn)移執(zhí)行的可能性大(大約5:1)。存儲系統(tǒng)中Cache—主存層次采用了程序訪問的局部性原理。

26.計算機(jī)中設(shè)置Cache的作用是什么？能不能把Cache的容量擴(kuò)大，最后取代主存，為什么？

答：計算機(jī)中設(shè)置Cache主要是為了加速CPU訪存速度；

不能把Cache的容量擴(kuò)大到最后取代主存，主要因為Cache和主存的結(jié)構(gòu)原理以及訪問機(jī)制不同（主存是按地址訪問，Cache是按內(nèi)容及地址訪問）。27.Cache制作在CPU芯片內(nèi)有什么好處？將指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分開又有什么好處？

答：Cache做在CPU芯片內(nèi)主要有下面幾個好處：

1）可提高外部總線的利用率。因為Cache在CPU芯片內(nèi)，CPU訪問Cache時不必占用外部總線；

2）Cache不占用外部總線就意味著外部總線可更多地支持I/O設(shè)備與主存的信息傳輸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體效率；

3）可提高存取速度。因為Cache與CPU之間的數(shù)據(jù)通路大大縮短,故存取速度得以提高；將指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分開有如下好處：

1）可支持超前控制和流水線控制，有利于這類控制方式下指令預(yù)取操作的完成；

2）指令Cache可用ROM實現(xiàn)，以提高指令存取的可靠性；

3）數(shù)據(jù)Cache對不同數(shù)據(jù)類型的支持更為靈活，既可支持整數(shù)（例32位），也可支持浮點數(shù)據(jù)（如64位）。設(shè)主存容量為256K字，Cache容量為2K字，塊長為4。

（1）設(shè)計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)計主存地址格式。

（3）在四路組相聯(lián)映射方式下，設(shè)計主存地址格式。

（4）在全相聯(lián)映射方式下，設(shè)計主存地址格式。

（5）若存儲字長為32位，存儲器按字節(jié)尋址，寫出上述三種映射方式下主存的地址格式。字塊內(nèi)地址緩存字塊地址

92字塊內(nèi)地址緩存字塊地址主存字塊標(biāo)記792字塊內(nèi)地址主存字塊標(biāo)記162字塊內(nèi)地址組地址主存字塊標(biāo)記9

72字塊內(nèi)地址緩存字塊地址

9

429.假設(shè)CPU執(zhí)行某段程序時共訪問Cache命中4800次，訪問主存200次，已知Cache的存取周期是30ns，主存的存取周期是150ns，求Cache的命中率以及Cache-主存系統(tǒng)的平均訪問時間和效率，試問該系統(tǒng)的性能提高了多少？解：（1）Cache的命中率為

h=4800/（4800+200）=0.96（2）Cache-主存系統(tǒng)的平均訪問時間：（3）Cache-主存系統(tǒng)的效率e=訪問Cache的時間/平均訪問時間（4）不用Cache訪問的時間為150ns；用了Cache后，則系統(tǒng)的平均訪問時間為34.8ns性能為原來的150/34.8=4.31倍，提高了3.31倍。30.一個組相聯(lián)映射的Cache由64塊組成，每組內(nèi)包含4塊。主存包含4096塊，每塊由128字組成，訪存地址為字地址。試問主存和Cache的地址各為幾位？畫出主存的地址格式。字塊內(nèi)地址組地址主存字塊標(biāo)記8

4

7組=64/4=1632.設(shè)某機(jī)主存容量為4MB，Cache容量為16KB，每字塊有8個字，每字32位，設(shè)計一個四路組相聯(lián)映射（即Cache每組內(nèi)共有4個字塊）的Cache組織。（1）畫出主存地址字段中各段的位數(shù)；

（2）設(shè)Cache的初態(tài)為空,CPU依次從主存第0,1,2……89號單元讀出90個字（主存一次讀出一個字）,并重復(fù)按此次序讀8次,問命中率是多少？

（3）若Cache的速度是主存的6倍,試問有Cache和無Cache相比,速度約提高多少倍？答：字塊內(nèi)地址組地址主存字塊標(biāo)記10

7

5每個字塊有8個字，CPU讀第0號單元時，未命中，必須訪問主存，同時將該字所在的塊調(diào)入Cache第0組中的任一塊，接著CPU讀1-7號單元時均命中。同理CPU讀8,16，…,88號單元均未命中，有12次；命中率為(90*8-12)/90*8=0.833沒有Cache的訪問時間是6t*720；有Cache的訪問時間是6t*12+t*(720-12)；提高倍數(shù)為6t*720/(6t*12+t*（720-12))-1=4.54.38.磁盤組有6片磁盤，最外兩側(cè)盤面可以記錄，存儲區(qū)域內(nèi)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm,內(nèi)層密度為400位/cm,轉(zhuǎn)速3600轉(zhuǎn)/分。

（1）共有多少存儲面可用？（2）共有多少柱面？

（3）盤組總存儲容量是多少？（4）數(shù)據(jù)傳輸率是多少？

解：（1）共有：6×2=12個存儲面可用；（2）有效存儲區(qū)域=(33-22)/2=5.5cm柱面數(shù)=40道/cm×5.5cm=220道（3）內(nèi)層道周長=22cm=69.08cm道容量=400位/cm×69.08cm=3454B.

面容量=3454B×220道=759880B

盤組總?cè)萘?759880B×12面=9,118,560B（4）轉(zhuǎn)速=3600轉(zhuǎn)/60秒=60轉(zhuǎn)/秒數(shù)據(jù)傳輸率=3454B×60轉(zhuǎn)/秒

=207，240B/S

39.某磁盤存儲器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分,共有4個記錄盤面,每毫米5道,每道記錄信息12288字節(jié),最小磁道直徑為230mm,共有275道，求：（1）磁盤存儲器的存儲容量；

（2）最高位密度（最小磁道的位密度）和最低位密度；

（3）磁盤數(shù)據(jù)傳輸率；

（4）平均等待時間。解：（1）存儲容量=275道×12288B/道×4面=1351