計算機組成原理（第四版）課后（第2章）清華大學出版社VIP

計算機組成原理教程第二章習題選解2.1說明存儲器的存取時間與存取周期之間的聯(lián)系與區(qū)別。解:

(參見P62)存取時間TA是指存儲器從接收到CPU發(fā)來的讀寫有關(guān)信號開始，到讀出/寫入數(shù)據(jù)所需的時間。而存取周期TW是指連續(xù)兩次讀寫存儲器所需的最小時間間隔。存取時間和存取周期都是反映存儲器存取速度的指標，存取周期大于存取時間。在存儲器進行讀寫操作時，由于存儲元件本身的性能，做完一次存或取之后，不能馬上進行另外的存或取，需要一段穩(wěn)定和恢復(fù)時間。存取周期就是存取時間加上存儲單元的恢復(fù)穩(wěn)定時間。2.2存儲器的帶寬有何物理意義?存儲器總線寬度為32位，存取周期為250nS,這個存儲器帶寬是多少?解：存儲器的帶寬是指每秒鐘訪問的二進制位的數(shù)目。其物理意義是一個以存儲器為中心的機器可以獲取

的信息傳輸速度。若存儲周期為250ns，則工作速度=1/250ns,所以，存儲器帶寬=工作速度×總線寬度=1/250ns*32bit=1/250X10-9

×

32

bps

=32X109

/250

bps=128X106

bps

=128M

bpsROM與RAM兩者的差別是什么?解：ROM、RAM都是主存儲器的一部分，但它們有很多差別：RAM是隨機存取存儲器，ROM是只讀存取存儲器；RAM是易失性的，一旦掉電，則所有信息全部丟失；ROM是非易失性的，其信息可以長期保存，常用于存放一些固定用的數(shù)據(jù)和程序，比如計算機的自檢程序CMOS、BIOS、漢字庫等。指出下列存儲器哪些是易失性的?

哪些是非易失性的?

哪些是讀出破壞性的?

哪些是非讀出破壞性的?

動態(tài)RAM，靜態(tài)取RAM，ROM，Cache，磁盤，光盤。解:動態(tài)RAM、靜態(tài)RAM、Cache是易失性的，

ROM、磁盤、光盤是非易失性的。動態(tài)RAM是讀出破壞性的，其余均為非讀出破壞性的。2.5術(shù)語：存儲元、存儲單元、存儲體、存儲單元地址，有何聯(lián)系和區(qū)別？存儲元：存儲一位二進制信息的基本單元電路。

存儲單元：由若干存儲元組成。一臺機器的所有存儲單元長度相同，一般由8的整數(shù)倍個存儲元構(gòu)成。存儲體：是存儲單元的集合，它由許多存儲單元組成，用來存儲大量的數(shù)據(jù)和程序。存儲器單元地址：計算機在存取數(shù)據(jù)時，以存儲單元為單位進行存取。為區(qū)別不同單元，給每個存儲單元賦予地址，每個存儲單元都有一條唯一的字線與存儲單元地址編碼對應(yīng)。2.6下面關(guān)于存儲器的描述，請選則正確的敘述。

(1)CPU訪問存儲器的時間是由存儲體的容量決定的，存儲容量越大，訪問存儲器所需的時間就越長；(2)因為動態(tài)存儲器是破壞性讀出，必須不斷地刷新；

(3)隨機半導體存儲器(RAM)中的任何一個單元都可以訪問；固定存儲器(ROM)中的任何一個單元不能隨機訪問.一般情況下，ROM和RAM在存儲體中是統(tǒng)一編址的.由于半導體存儲器加電后才能存儲數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)就丟失了，因此，用EPROM做的存儲器，加

電后必須重寫原來的內(nèi)容。解：(1)F。主存是隨機存儲器，CPU訪問任何單元的時間都是相同的，同容量的大小沒有關(guān)系。F。刷新不僅僅是因為存儲器是破壞性讀出，

還在于動態(tài)存儲器在存儲數(shù)據(jù)時，存儲器不做任

何操作時，電荷也會泄漏，為保證數(shù)據(jù)的正確性，必須使數(shù)據(jù)周期性地再生，即刷新。T。F。ROM只是把信息固定地存放在存儲器中，而訪問存儲器仍然是隨機的。T。在計算機設(shè)計中，往往把RAM和ROM的整體作主存，因此，RAM和ROM一般是統(tǒng)一編址的。

(6)F。EPROM是只讀存儲器，與半導體隨機存儲器制作工藝不同，不會因掉電丟失數(shù)據(jù)。2.7某計算機系統(tǒng)字長為32位，主存以字節(jié)編址，試畫出存儲器中字地址和字節(jié)地址的分配情況。解：存儲器中字地址和字節(jié)地址的分配情況如下圖所示0000010202字節(jié)編址04字編址0103052.8

設(shè)計一個用64K

x

1位的芯片構(gòu)成256K

x

16位的存儲器，畫出組織結(jié)構(gòu)圖。解:要用64K

x

l的芯片構(gòu)造256K

x

l6位的存儲器，需要字、位同時擴展，共需芯片256/64

x

16/1=64(片)；主存容量為256KB=218B，即共需地址線

18根，可用其中A0～A15

16根接到芯片組，余下兩根A16、A17

接到片選譯碼器。組織結(jié)構(gòu)圖:DA15.A1464K×1A0DDDDDDD..A0…A15D.A1416片64K×1A0DDDDDDA15AD14..…A地址總線4D15D1D03

D2D5

D…數(shù)據(jù)總線DA15D.A1416片64K×1A0DDDDDDA15AD14..0…AA15D.A1416片64K×1A0D0DDDDDA15AD14..16片0A15A14…A片選譯碼A16A172.9

2114是排列成64

x

64陣列的六管存儲芯片，試問組成4K

x

l6位的存儲器，共需少片2114?畫出邏輯框圖。解：Intel

2114芯片一片的容量為1Kx4位，要組成4KXl6位的存儲器，需要2114芯片4K/l

x

l6/4=16（片）。片內(nèi)地址需要10根地址線，用A0～A9，片選需要

2位地址線，用A10～A11。組織結(jié)構(gòu)圖：1Kx4CSD15D1D03

D2…D14數(shù)據(jù)總線D1Kx4CSA0A1…A9A0A1…A91Kx4CSA0A1…A91Kx4CSA0A1地址總線…A9片選譯碼A11A102.10在2.9題中，如果存儲器以字節(jié)編址，CPU用一根控制線指明所尋址的是字還是字節(jié)，試設(shè)計這根控制線的連接方法。解：若以字節(jié)編址，則存儲容量增加了1倍，因此需要增加一根地址線A12。另外每一芯片上除了有片選端CS外，還須有一個字/字節(jié)選擇端WB。接線示意圖：1Kx4CS

WB地址總線D15D1D03

D2…D14數(shù)據(jù)總線D1Kx4CS

WBA0A1…A9A0A1…A91Kx4CS

WBA0A1…A91Kx4CS

WBA0A1…A9片選譯碼A11A10WB2.11設(shè)某機采用1Kx4位的動態(tài)RAM芯片（片內(nèi)是64x64結(jié)構(gòu))組成的16Kx8位的存儲器。請回答：(1)設(shè)計該存儲器共需幾片RAM芯片?

(2)畫出存儲體組成框圖?解：(1)存儲器共需16/1

x

8/4＝32片(2)存儲器組成框圖（略）。2.12已知某8位機的主存采用半導體存儲器，其地址碼為18位，若使用4Kx4位的靜態(tài)RAM芯片組成該機所允許的最大主存空間，并選用模板塊結(jié)構(gòu)，問：(1)若每個模板塊為32KX8位，共需幾個模板塊?

(2)每個模板內(nèi)共有多少片RAM芯片?(3)主存共需多少RAM芯片?CPU如何選擇各模板?解：該機的地址碼為18b，字長8b，故該機的主存容量為218X8b＝28

X

210

X

8

b＝

256KB，(1)若每個模板塊為32K

X

8b，則需要256K/32K＝8(塊)。(2)每個模板塊需要32/4X8/4＝8X2=16片。

(3)主存共需16X8=128片。CPU可用3位地址碼選擇8個模板塊。2.13某計算機的存儲容量是64KB，若按字節(jié)尋址，則尋址的范圍為(1)，需要地址線(2)根，數(shù)據(jù)線(3)根；若字長為32位,按字編址,尋址的范圍

(4)。(1)A．64KB．32KC．16KD．8K(2)A．64B．16C．8D．6(3)A．32B．16C

．8D．4(4)A．64KB．32KC．16KD．8K解：(1)A。計算機的存儲容量為64KB，按字節(jié)尋址，其范圍就是主存的容量。(2)B。64KB需要216個狀態(tài)來表示，即需16根地址線.

(3)C。按字節(jié)尋址，每個數(shù)據(jù)的長度為8位，因此需要8根數(shù)據(jù)線。(4)C。字長32位，按字尋址，每個數(shù)據(jù)的長度為32位=4B，主存的總?cè)萘繛?4KB，則共有單元個數(shù)為64K/4＝16K。到如下的邏輯式：2.14某存儲器容量4K，其中ROM

2KB，選用EPROM2Kx8/片，RAM

2KB，選用芯片RAM

1Kx8/片；地址線A11~A0。寫出全部片選信號的邏輯式。解：根據(jù)要求ROM的容量為2KB，故只需1片EPROM而RAM的容量為2KB，RAM芯片容量為1KB，故需

2片。對于ROM片內(nèi)地址為11位，用地址線的

A10~

A0

這11根地址線，RAM片地址為10位，用地址線的A9~A0這10根地址線。主存中有3片芯片，至少需要2位地址信號加以區(qū)別，按其總?cè)萘啃枰?/p>

12根地址線，可以考慮用1根地址線A11作為區(qū)別。EPROM和RAM的片選信號，對于2片RAM芯片可利用A10來區(qū)別其片選信號。設(shè)EPROM的片選信號為

CS0，兩片RAM的片選信號為CS1,CS2，由此可得CS0

=A10CS1

=A10

A11，CS2

=A10

A11地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線CPUA11A10A0~9D0~7RDA0~9,

10ROM2K×8位D0~7A0~9A0~9CS0R1K×8位R/WD0~71K×8位R/WD0~7CS1CS22.15請畫出八體交叉主存系統(tǒng)中的編址方式。解：在多體交叉主存系統(tǒng)中可以采用兩種編址方式——低位交叉和高位交叉。低位交叉編址:08..8n-8M0

M119..8n-7M2

M3

M4

M5

M6

M723456710.11.12.13.14.15.......8n-68n-58n-48n-38n-28n-102..n-1M0

M1n

n+1..2n-1M2M3M4M5M6M72n3n4n5n6n7n2n+13n+14n+15n+16n+17n+1............3n-14n-15n-16n-17n-18n-1高位交叉編址:2.16

在八體交叉主存系統(tǒng)中，若每體并行讀出兩個字，每字長兩個字節(jié)，主存周期為T，求該存儲器的最大帶寬。解：存儲器帶寬是指單位時間內(nèi)能讀出的二進制位數(shù)。若每體能并行讀出2個字，八體交叉存儲器在1個周期內(nèi)最多可讀出16個字，每個字長為2個字節(jié)，即16bit，則此存儲器的帶寬＝16X16bit/T＝256bit/T。2.17欲將10011101寫入磁表面存儲器中：分別畫出歸零制、不歸零制和調(diào)頻制的寫入電流波形。改進不歸零制(NRZl)的記錄原則是見“1”就翻。即當記錄“1”時寫電流要改變方向；記錄“0”時不改變方向。畫出它的電流波。改進調(diào)頻制(MFM)與調(diào)頻制方式區(qū)別在于：FM在信息元交界處寫電流總要改變一次方向；而

MFM僅當連續(xù)記錄兩個“0”時，信息交界處翻轉(zhuǎn)一次；其他情況不翻轉(zhuǎn)。畫出MFM的寫電流波形。解：各種不同方式寫入電流的波形圖如圖所1

0

0

1

1

0

1示。歸零制不歸零制調(diào)相制調(diào)頻制改進不歸零制1001101改進調(diào)頻制2.18

對活動頭磁盤來講，磁盤地址是由

、

和

組成的，每個區(qū)存儲一個

。沿盤半徑方向的磁道數(shù)稱為

，而磁道單位長度上記錄的二進制代碼的位數(shù)稱為

，兩者總稱為

。解：記錄面號(磁頭號)、磁道號(柱面號)、扇區(qū)號、記錄塊、道密度、位密度、存儲密度。2.19某磁盤組有4個盤片，5個記錄面。每個記錄面的內(nèi)

磁道直徑為22cm，外磁道直徑為33cm，最大位密度為

1600位/cm，道密度為80道／cm，轉(zhuǎn)速為3600r/min。求：(1)磁盤組的總存儲容量是多少位(非格式化容量)?

(2)最大數(shù)據(jù)傳輸率是每秒多少字節(jié)?(3)請?zhí)峁┮粋€表示磁盤信息地址的方案。解：(1)總?cè)萘浚矫棵嫒萘縓記錄面數(shù)每面容量＝某一磁道容量X磁道數(shù)某磁道容量=磁道長X本道位密度，在本題中給出了最大位密度，即最內(nèi)磁道的密度，并給出了內(nèi)徑，因此可計算出最內(nèi)磁道的容量＝1600位/cmX22cmX3.14=110528B/道磁道數(shù)=排列磁道的半徑長X道密度＝(33-22)cm/2X80道/cm=400道最后得該磁盤組的容量＝110528B/道X400道X5＝221056000B最大數(shù)據(jù)傳輸率=轉(zhuǎn)速X某柱面的容量=3600r/60s

X

5

X某磁道容量=331586400B/s磁盤地址可參照32題，由磁盤面、柱面號、扇區(qū)號構(gòu)成，扇區(qū)中又以數(shù)據(jù)塊進行組織。由上述計算看出：盤面有5個，需3位，柱面有400個，需9位，扇區(qū)一般為9個，需要4位址，磁盤地址共由18位二進制構(gòu)成。2.20某磁盤存儲器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，共有4個記錄面，每毫米5道，每道記錄信息為12288字節(jié)，最小磁道直徑為230mm，共有275道。請回答：(1)該磁盤存儲器的容量是多少?

(2)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率是多少?(3)平均等待時間是多少?解：磁盤容量＝4X12288B/道X275道＝13516800B傳輸率=3000轉(zhuǎn)/60sXl2288＝614400B/s平均等待時間＝1/2

X

1/轉(zhuǎn)速＝1/2

X

60/3000＝

0.01s＝10

ms2.21已知某軟盤及驅(qū)動器的規(guī)格為單面，77道，4條控制磁道，73條數(shù)據(jù)磁道，每磁道26個扇區(qū)，

128B/扇區(qū)，轉(zhuǎn)速為360r/min，平均旋轉(zhuǎn)等待時間：83ms，平均查找時間為17ms，數(shù)據(jù)傳輸率

為256Kbit/s。問：(1)

一張軟盤的數(shù)據(jù)存儲容量約為

(1)

字節(jié)；(2)若把平均訪問時間定為“平均查找時間+平均等待時間+1個扇區(qū)數(shù)據(jù)的傳送時間”，則此軟盤每個扇區(qū)的平均訪問時間是

(2)

ms?？晒┻x擇的答案：A.128KE.512KA.100B.237K

C．250K

D.47KB.104

C．128

D.600E.612解：(1)B (2)B因為：數(shù)據(jù)的存儲容量=數(shù)據(jù)磁道數(shù)X每磁道扇區(qū)數(shù)X每扇區(qū)的字節(jié)數(shù)＝73X26X128/1024＝237K對每個扇區(qū)的平均訪問時間＝平均查找時間+平均等待時間+1個扇區(qū)數(shù)據(jù)的傳送時間。前兩個已在題中給出，只需計算1個扇區(qū)數(shù)據(jù)的傳送時間。在題目中已知數(shù)據(jù)傳輸率是256Kbit/s，一個扇區(qū)有128B，即128X8bit，則一個扇區(qū)數(shù)據(jù)傳送時間=128X8/256X1024=0.0039s＝3.9ms≈4ms，每個扇區(qū)的平均訪問時間＝83+17+4＝104ms。2.22某磁盤存儲器的轉(zhuǎn)速為3000r/min，共4個盤面，道密度5道/英寸，每道記錄信息為12288字節(jié)，最小磁道直徑為230mm，共有275道。求：(1)該磁盤存儲器的容量?

(2)最高位密度和最低位密度?(3)磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率?解：(1)磁盤容量＝275道X12288B/道X4

=3516800B最高位密度=12288B/道/最短磁道長度=12288B/道/(3.14X230mm/道)=17B/m最低位密度=12288B/道/最長磁道長度=12288B/道/(3.14X(275X25.4/5-230/2))mm/道=3.11B/mm(4)數(shù)據(jù)傳輸率=12288B=道X3000r/60s

=614400B/sIBMPC/XT采用的5.25英寸雙面磁盤，每面40磁道，每道9扇區(qū)，每扇區(qū)存儲512個字節(jié)。試求其格式化容量。解：格式化容量=2X40X9X512=368640B=360KB

、

和

組成三級存儲系統(tǒng)，分級的目的是為了

。解：Cache、主存儲器、虛擬存儲器、提高存儲器的性能價格比。存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)可以解決什么問題？實現(xiàn)存儲器層次結(jié)構(gòu)的先決條件是什么？用什么度量？解：存儲器層次結(jié)構(gòu)可以提高計算機存儲系統(tǒng)的性能價格比。即在速度方面接近最高級的存儲器，在容量和價格方面接近最低級的存儲器。實現(xiàn)存儲器層次結(jié)構(gòu)的先決條件是程序?qū)Υ鎯ζ髟L2.26在虛擬存儲器中，術(shù)語物理空間和邏輯空間有何聯(lián)系和區(qū)別?解：物理空間：實際地址對應(yīng)的空間，也稱“實存空間”；邏輯空間：程序員編程時可用的虛地址對應(yīng)的地址空間，也稱“虛存空間”。一般情況下，邏輯空間遠遠大于物理空間。物理空間是在運行程序時，計算機能提供的真正的主存空間；邏輯空間則是用戶編程時可以運用的虛擬空間，程序運行時，必須把邏輯空間映射到物理空間。2.27已知某程序中一條指令的邏輯地址為01FEOH，該系統(tǒng)使用頁式虛擬存儲器，頁面大小1KB，該程序的頁表起始地址為0011B；下列內(nèi)存單元末4位

的內(nèi)容如表1.3.2所示。請指出該指令的實地址碼。表2.5

內(nèi)存單元末4位的內(nèi)容地址末4位的內(nèi)容007H0001300H0011307H1100解:在頁式存儲器管理中，為每個程序建立一張頁表，記錄虛頁在主存中對應(yīng)的實頁號。程序中給出的地址是虛地址，要轉(zhuǎn)換成實地址，必須通過查找該程序?qū)?yīng)的頁表，方可知對應(yīng)的實頁號。具體的轉(zhuǎn)換過程如下：虛地址=01FE0H=0001

1111

11100

000B，頁面大小為1K，故頁內(nèi)地址為10位，虛地址的低10位為頁內(nèi)地址＝1111100000，虛地址的剩余位則為虛頁號，其頁表地址為頁表起始地址與虛頁號的連接=001100000111＝307H，在內(nèi)存單元307H中存放

的字節(jié)中，后4位就是對應(yīng)的實頁號，這條指令對應(yīng)的實地址就是實頁號與頁內(nèi)地址的連接＝11001111100000=33E0H。2.28

設(shè)主存儲器容量為4MB，虛擬存儲器容量為1GB(109B)，則虛擬地址和物理地址各為多少位?根據(jù)尋址方式計算出來的有效地址是虛擬地址還是物理地址?解：虛擬存儲容量=1GB=230B，因此虛地址需要

30位；主存容量＝4MB＝22X220B，因此實地址需要22位。程序中尋址方式計算出的有效地址是虛地址。假設(shè)可供用戶程序使用的主存容量為100KB，而某用戶的程序和數(shù)據(jù)所占的主存容量超過

100KB，但小于邏輯地址所表示的范圍，請問具有虛擬存儲器與不具有虛擬存儲器對用戶有何影響?解：如果無虛擬存儲器，用戶就要對程序進行準確分段，并要考慮哪段存放在主存，哪段放在輔存，何時從輔存調(diào)入主存，何時從主存調(diào)入輔存，主

存空間如何分配，地址如何編寫等，用戶編程負

擔很重。如有虛擬存儲器，用戶就可不考慮上述

問題，編程任務(wù)變得簡化。在上題中，如果頁面大小為4KB，頁表長度為多少?解：若頁面大小為4KB，則主存容量100KB便可分為25頁，頁表長度應(yīng)當有25個字。2.31從下列有關(guān)存儲器的描述中選出正確的答案。

(1)多體交叉存儲器主要解決擴充容量問題。

(2)在計算機中，存儲器是數(shù)據(jù)傳送的中心，但訪問存儲器的請求是由CPU或I/O發(fā)的。在CPU中通常都設(shè)置若干個寄存器，這些寄存器與主存統(tǒng)一編址。訪問這些寄存器的指令格式與訪問存儲器是相同的。Cache與主存統(tǒng)一編址，即主存空間的某一部分屬于Cache。機器剛加電時，Cache無內(nèi)容，在程序運行過程中CPU初次訪問存儲器某單元時，信息由存儲器向CPU傳送的同時傳送到Cache；當再次訪問該單元時即可從Cache取得信息(假設(shè)沒有被替換)。在虛擬存儲器中，輔助存儲器與主存儲器以相同的方式工作，因此允許程序員用比主存空間大得多的輔存空間編程。Cache的功能全由硬件實現(xiàn)。在虛擬存儲器中，邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址是由硬件實現(xiàn)的，僅在頁面失效時才由操作系統(tǒng)將被訪問頁面從輔存調(diào)到主存，必要時還要先把被淘汰的頁面內(nèi)容寫入輔存。內(nèi)存與外存都能直接向CPU提供數(shù)據(jù)。解：(2)、(5)、(7)正確，其余是錯誤的。(1)多體交叉存儲主要是為了提高存取速度，增加存儲器帶寬。(3)機器中的寄存器常常是獨立編址的，因此訪問寄存器的指令格式與訪問存儲器的指令格式不同。(4)Cache是單獨編址的，它不是主存的一部分，比主存的存取速度要快一個數(shù)量級。(6)在虛擬存儲器中，之所以允許程序員用比主存空間大得多的輔助空間編程，并不是因為輔助存儲器與主存的工作方式相同，而是因為在主存與輔存之間加了一級存儲管理機制，由機器自動進行主輔存信息的調(diào)度。(8)在虛擬存儲器中，主要通過存儲管理軟件來進行虛實地址的轉(zhuǎn)換。(9)外存不能直接向CPU提供數(shù)據(jù)，CPU需要數(shù)據(jù)時，向主存發(fā)出請求，若主存中無此數(shù)據(jù)，由存儲管理軟件從輔存中調(diào)入，然后再提供給CPU。2.32

使用高速緩沖存儲器是為了解決

問題，存儲管理主要由

實現(xiàn)。使用虛擬存儲器是為了解決

問題，存儲管理主要由

實現(xiàn)。后者在執(zhí)行程序時，必須把映射到主存儲器的

空間上，這個過程稱