计算机组成原理第四章课后习题及答案唐朔飞完整版.docx

1、计算机组成原理第四章课后习题及答案唐朔飞完整版第4章 存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。SRAM：静态半导体随机存取存储器。DRAM：动态半导体随机存取存储器。R

2、OM：掩膜式半导体只读存储器。由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。EEPROM：电擦写可编程只读存储器。CDROM：只读型光盘。Flash Memory：闪速存储器。或称快擦型存储器。2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小

3、至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。综合上述两个存储层次的作用，从整个存储系统来看，就达到了速

4、度快、容量大、位价低的优化效果。主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现，即将主存与辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间（物理地址空间）大得多的虚拟地址空间（逻辑地址空间）编程，当程序运行时，再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此，这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。4. 说明存取周期和存取时间的区别。解：存取周期和存取时间的主要区别是：存取时间仅为完成一次操作的时间，而存取周期不仅包含操作时间，还包含操作后线路的恢复时间。即：存取周期 = 存取

5、时间 + 恢复时间5. 什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少？解：存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。存储器带宽 = 1/200ns 32位 = 160M位/秒 = 20MB/秒 = 5M字/秒注意：字长32位，不是16位。（注：1ns=10-9s）6. 某机字长为32位，其存储容量是64KB，按字编址它的寻址范围是多少？若主存以字节编址，试画出主存字地址和字节地址的分配情况。解：存储容量是64KB时，按字节编址的寻址范围就是64K，如按字编址，其寻址范围为：64K / （32/8）= 16K主存字地址和字节地址的分配情

6、况：如图7. 一个容量为16K32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少？当选用下列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？1K4位，2K8位，4K4位，16K1位，4K8位，8K8位解：地址线和数据线的总和 = 14 + 32 = 46根；选择不同的芯片时，各需要的片数为：1K4：（16K32） / （1K4） = 168 = 128片2K8：（16K32） / （2K8） = 84 = 32片4K4：（16K32） / （4K4） = 48 = 32片16K1：（16K32）/ （16K1） = 132 = 32片4K8：（16K32）/ （4K8） = 44 = 16片8K8：（16K32

7、） / （8K8） = 24 = 8片8. 试比较静态RAM和动态RAM。答：略。（参看课件）9. 什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。解：刷新：对DRAM定期进行的全部重写过程；刷新原因：因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充，因此安排了定期刷新操作；常用的刷新方法有三种：集中式、分散式、异步式。集中式：在最大刷新间隔时间内，集中安排一段时间进行刷新，存在CPU访存死时间。分散式：在每个读/写周期之后插入一个刷新周期，无CPU访存死时间。异步式：是集中式和分散式的折衷。10. 半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种？解：半导体存储器芯片的译码驱动方式有两种：线选法和重合

8、法。线选法：地址译码信号只选中同一个字的所有位，结构简单，费器材；重合法：地址分行、列两部分译码，行、列译码线的交叉点即为所选单元。这种方法通过行、列译码信号的重合来选址，也称矩阵译码。可大大节省器材用量，是最常用的译码驱动方式。11. 一个8K8位的动态RAM芯片，其内部结构排列成256256形式，存取周期为0.1s。试问采用集中刷新、分散刷新和异步刷新三种方式的刷新间隔各为多少？解：采用分散刷新方式刷新间隔为:2ms，其中刷新死时间为：2560.1s=25.6s采用分散刷新方式刷新间隔为：256（0.1s+0.1s）=51.2s采用异步刷新方式刷新间隔为:2ms12. 画出用10244位的

9、存储芯片组成一个容量为64K8位的存储器逻辑框图。要求将64K分成4个页面，每个页面分16组，指出共需多少片存储芯片。解：设采用SRAM芯片，则：总片数 = （64K8位） / （10244位）= 642 = 128片题意分析：本题设计的存储器结构上分为总体、页面、组三级，因此画图时也应分三级画。首先应确定各级的容量：页面容量 = 总容量 / 页面数 = 64K8 / 4 = 16K8位，4片16K8字串联成64K8位组容量 = 页面容量 / 组数 = 16K8位 / 16 = 1K8位，16片1K8位字串联成16K8位组内片数 = 组容量 / 片容量 = 1K8位 / 1K4位 = 2片，两

10、片1K4位芯片位并联成1K8位存储器逻辑框图：（略）。13. 设有一个64K8位的RAM芯片，试问该芯片共有多少个基本单元电路（简称存储基元）？欲设计一种具有上述同样多存储基元的芯片，要求对芯片字长的选择应满足地址线和数据线的总和为最小，试确定这种芯片的地址线和数据线，并说明有几种解答。解：存储基元总数 = 64K8位 = 512K位 = 219位；思路：如要满足地址线和数据线总和最小，应尽量把存储元安排在字向，因为地址位数和字数成2的幂的关系，可较好地压缩线数。设地址线根数为a，数据线根数为b，则片容量为：2ab = 219；b = 219-a；若a = 19，b = 1，总和 = 19+1

11、 = 20；a = 18，b = 2，总和 = 18+2 = 20； a = 17，b = 4，总和 = 17+4 = 21； a = 16，b = 8，总和 = 16+8 = 24； 由上可看出：芯片字数越少，芯片字长越长，引脚数越多。芯片字数减1、芯片位数均按2的幂变化。结论：如果满足地址线和数据线的总和为最小，这种芯片的引脚分配方案有两种：地址线 = 19根，数据线 = 1根；或地址线 = 18根，数据线 = 2根。14. 某8位微型机地址码为18位，若使用4K4位的RAM芯片组成模块板结构的存储器，试问：（1）该机所允许的最大主存空间是多少？（2）若每个模块板为32K8位，共需几个模块

12、板？（3）每个模块板内共有几片RAM芯片？（4）共有多少片RAM？（5）CPU如何选择各模块板？解：（1）该机所允许的最大主存空间是：218 8位 = 256K8位 = 256KB（2）模块板总数 = 256K8 / 32K8 = 8块（3）板内片数 = 32K8位 / 4K4位 = 82 = 16片（4）总片数 = 16片8 = 128片（5）CPU通过最高3位地址译码输出选择模板，次高3位地址译码输出选择芯片。地址格式分配如下：15. 设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用（低电平有效）作访存控制信号，作读写命令信号（高电平为读，低电平为写）。现有下列存储芯片：ROM（2K8位，4K4

13、位，8K8位），RAM（1K4位，2K8位，4K8位），及74138译码器和其他门电路（门电路自定）。试从上述规格中选用合适芯片，画出CPU和存储芯片的连接图。要求：（1）最小4K地址为系统程序区，409616383地址范围为用户程序区。（2）指出选用的存储芯片类型及数量。（3）详细画出片选逻辑。解：（1）地址空间分配图：系统程序区（ROM共4KB）：0000H-0FFFH用户程序区（RAM共12KB）：1000H-3FFFH（2）选片：ROM：选择4K4位芯片2片，位并联 RAM：选择4K8位芯片3片，字串联(RAM1地址范围为:1000H-1FFFH,RAM2地址范围为2000H-2FFF

14、H, RAM3地址范围为:3000H-3FFFH)（3）各芯片二进制地址分配如下：A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0ROM1,200000000000000000000011111111111RAM100010000000000000001111111111111RAM200100000000000000010111111111111RAM300110000000000000011111111111111CPU和存储器连接逻辑图及片选逻辑 图略16. CPU假设同上题，现有8片8K8位的RAM芯片与CPU相连，试回答：（1）用74138译码器画出CPU

15、与存储芯片的连接图；（2）写出每片RAM的地址范围；（3）如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据后，以A000H为起始地址的存储芯片都有与其相同的数据，分析故障原因。（4）根据（1）的连接图，若出现地址线A13与CPU断线，并搭接到高电平上，将出现什么后果？解：（1）CPU与存储器芯片连接逻辑图 图略（2）地址空间分配图：RAM0：0000H1FFFHRAM1：2000H3FFFHRAM2：4000H5FFFHRAM3：6000H7FFFHRAM4：8000H9FFFHRAM5：A000HBFFFHRAM6：C000HDFFFHRAM7：E000HFFFFH（3）如果运行时发现不论往哪片RAM

16、写入数据后，以A000H为起始地址的存储芯片(RAM5)都有与其相同的数据，则根本的故障原因为：该存储芯片的片选输入端很可能总是处于低电平。假设芯片与译码器本身都是好的，可能的情况有：1）该片的端与端错连或短路；2）该片的端与CPU的端错连或短路；3）该片的端与地线错连或短路。（4）如果地址线A13与CPU断线，并搭接到高电平上，将会出现A13恒为“1”的情况。此时存储器只能寻址A13=1的地址空间(奇数片)，A13=0的另一半地址空间（偶数片）将永远访问不到。若对A13=0的地址空间（偶数片）进行访问，只能错误地访问到A13=1的对应空间(奇数片)中去。17. 写出1100、1101、111

17、0、1111对应的汉明码。解：有效信息均为n=4位，假设有效信息用b4b3b2b1表示校验位位数k=3位，（2k=n+k+1）设校验位分别为c1、c2、c3，则汉明码共4+3=7位，即：c1c2b4c3b3b2b1校验位在汉明码中分别处于第1、2、4位c1=b4b3b1c2=b4b2b1c3=b3b2b1当有效信息为1100时，c3c2c1=110,汉明码为0111100。当有效信息为1101时，c3c2c1=001,汉明码为1010101。当有效信息为1110时，c3c2c1=000,汉明码为0010110。当有效信息为1111时，c3c2c1=111,汉明码为1111111。18. 已知收

18、到的汉明码（按配偶原则配置）为1100100、1100111、1100000、1100001，检查上述代码是否出错？第几位出错？解：假设接收到的汉明码为：c1c2b4c3b3b2b1纠错过程如下：P1=c1b4b3b1P2=c2b4b2b1P3=c3b3b2b1如果收到的汉明码为1100100，则p3p2p1=011，说明代码有错，第3位（b4）出错，有效信息为：1100如果收到的汉明码为1100111，则p3p2p1=111，说明代码有错，第7位（b1）出错，有效信息为：0110如果收到的汉明码为1100000，则p3p2p1=110，说明代码有错，第6位（b2）出错，有效信息为：0010如

19、果收到的汉明码为1100001，则p3p2p1=001，说明代码有错，第1位（c1）出错，有效信息为：000119. 已经接收到下列汉明码，分别写出它们所对应的欲传送代码。（1）1100000（按偶性配置）（2）1100010（按偶性配置）（3）1101001（按偶性配置）（4）0011001（按奇性配置）（5）1000000（按奇性配置）（6）1110001（按奇性配置）解：（一）假设接收到的汉明码为C1C2B4C3B3B2B1，按偶性配置则：P1=C1B4B3B1P2=C2B4B2B1P3=C3B3B1（1）如接收到的汉明码为1100000，P1=1000=1P2=1000=1P3=000

20、=0P3P2P1=011，第3位出错，可纠正为1110000，故欲传送的信息为1000。（2）如接收到的汉明码为1100010，P1=1000=1P2=1010=0P3=000=0P3P2P1=001，第1位出错，可纠正为0100010，故欲传送的信息为0010。（3）如接收到的汉明码为1101001，P1=1001=0P2=1001=0P3=101=0P3P2P1=000，传送无错，故欲传送的信息为0001。（二）假设接收到的汉明码为C1C2B4C3B3B2B1，按奇性配置则：P1=C1B4B3B11P2=C2B4B2B11P3=C3B3B11（4）如接收到的汉明码为0011001，P1=0

21、1011=1P2=01011=1P3=1011=1P3P2P1=111，第7位出错，可纠正为0011000，故欲传送的信息为1000。（5）如接收到的汉明码为1000000，P1=10001=0P2=01001=0P3=0001=1P3P2P1=100，第4位出错，可纠正为1001000，故欲传送的信息为0000。（6）如接收到的汉明码为1110001，P1=11011=0P2=11011=0P3=0011=0P3P2P1=000，传送无错，故欲传送的信息为1001。20. 欲传送的二进制代码为1001101，用奇校验来确定其对应的汉明码，若在第6位出错，说明纠错过程。解：欲传送的二进制代码为

22、1001101，有效信息位数为n=7位，则汉明校验的校验位为k位，则：2k=n+k+1，k=4，进行奇校验设校验位为C1C2C3C4，汉明码为C1C2B7C3B6B5B4C4B3B2B1，C1=1B7B6B4B3B1=110111=1C2=1B7B5B4B2B1=110101=0C3=1B6B5B4=1001=0C4=1B3B2B1=1101=1故传送的汉明码为10100011101，若第6位(B5)出错，即接收的码字为10100111101，则P1=1C1B7B6B4B3B1=1110111=0P2=1C2B7B5B4B2B1=1011101=1P3=1C3B6B5B4=10011=1P4=

23、1C4B3B2B1=11101=0P4P3P2P1=0110说明第6位出错，对第6位取反即完成纠错。21. 为什么在汉明码纠错过程中，新的检测位P4P2P1的状态即指出了编码中错误的信息位？答：汉明码属于分组奇偶校验，P4P2P1=000，说明接收方生成的校验位和收到的校验位相同，否则不同说明出错。由于分组时校验位只参加一组奇偶校验，有效信息参加至少两组奇偶校验，若果校验位出错，P4P2P1的某一位将为1，刚好对应位号4、2、1；若果有效信息出错，将引起P4P2P1中至少两位为1，如B1出错，将使P4P1均为1，P2=0,P4P2P1=101,22. 某机字长16位，常规的存储空间为64K字，

24、若想不改用其他高速的存储芯片，而使访存速度提高到8倍，可采取什么措施？画图说明。解：若想不改用高速存储芯片，而使访存速度提高到8倍，可采取八体交叉存取技术，8体交叉访问时序图略。23. 设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用作为访问存储器或I/O的控制信号（高电平为访存，低电平为访I/O），（低电平有效）为写命令，（低电平有效）为读命令。设计一个容量为64KB的采用低位交叉编址的8体并行结构存储器。现有下图所示的存储器芯片和138译码器。画出CPU和存储器芯片（芯片容量自定）的连接图，并写出图中每个存储芯片的地址范围（用十六进制数表示）。解：8体低位交叉并行存储器的每个存储体容量为64KB

25、/8=8KB，因此应选择8KBRAM芯片，芯片地址线12根（A0-A12），数据线8根（D0-D7），用138译码器进行存储体的选择。图略24. 一个4体低位交叉的存储器，假设存储周期为T，CPU每隔1/4存取周期启动一个存储体，试问依次访问64个字需多少个存取周期？解：4体低位交叉的存储器的总线传输周期为，=T/4，依次访问64个字所需时间为：t=T+(64-1) =T+63T/4=16.75T25. 什么是“程序访问的局部性”？存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理？答：程序运行的局部性原理指：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；在空间上，这些被访问的程序和数据往

26、往集中在一小片存储区；在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大 (大约 5:1 )。存储系统中Cache-主存层次和主存-辅存层次均采用了程序访问的局部性原理。26. 计算机中设置Cache的作用是什么？能否将Cache的容量扩大，最后取代主存，为什么？答：计算机中设置Cache的作用是解决CPU和主存速度不匹配问题。不能将Cache的容量扩大取代主存，原因是:（1）Cache容量越大成本越高，难以满足人们追求低价格的要求；（2）如果取消主存，当CPU访问Cache失败时，需要将辅存的内容调入Cache再由CPU访问，造成CPU等待时间太长，损失更大。27. Cache做在CPU芯片内有

27、什么好处？将指令Cache和数据Cache分开又有什么好处？答：Cache做在CPU芯片内主要有下面几个好处：（1）可提高外部总线的利用率。因为Cache在CPU芯片内，CPU访问Cache时不必占用外部总线。（2）Cache不占用外部总线就意味着外部总线可更多地支持I/O设备与主存的信息传输，增强了系统的整体效率。（3）可提高存取速度。因为Cache与CPU之间的数据通路大大缩短,故存取速度得以提高。将指令Cache和数据Cache分开有如下好处：1）可支持超前控制和流水线控制，有利于这类控制方式下指令预取操作的完成。2）指令Cache可用ROM实现，以提高指令存取的可靠性。3）数据Cach

28、e对不同数据类型的支持更为灵活，既可支持整数（例32位），也可支持浮点数据（如64位）。补充：Cache结构改进的第三个措施是分级实现，如二级缓存结构，即在片内Cache（L1）和主存之间再设一个片外Cache（L2），片外缓存既可以弥补片内缓存容量不够大的缺点，又可在主存与片内缓存间起到平滑速度差的作用，加速片内缓存的调入调出速度。28. 设主存容量为256K字，Cache容量为2K字，块长为4。（1）设计Cache地址格式，Cache中可装入多少块数据？（2）在直接映射方式下，设计主存地址格式。（3）在四路组相联映射方式下，设计主存地址格式。（4）在全相联映射方式下，设计主存地址格式。（5

29、）若存储字长为32位，存储器按字节寻址，写出上述三种映射方式下主存的地址格式。解：（1）Cache容量为2K字，块长为4，Cache共有2K/4=211/22=29=512块，Cache字地址9位，字块内地址为2位因此，Cache地址格式设计如下：Cache字块地址（9位）字块内地址（2位）（2）主存容量为256K字=218字，主存地址共18位，共分256K/4=216块，主存字块标记为18-9-2=7位。直接映射方式下主存地址格式如下：主存字块标记（7位）Cache字块地址（9位）字块内地址（2位）（3）根据四路组相联的条件，一组内共有4块，得Cache共分为512/4=128=27组，主存字块标记为18-7-2=9位，主存地址格式设计如下：主存字块标记（9位）组地址（7位）字块内地址（2位）