计算机组成原理(第四版)课后答案(第二章)清华大学出版社.ppt

计算机组成原理教程,第二章习题选解,2.1 说明存储器的存取时间与存取周期之间的联系与区别。 解: (参见P62) 存取时间TA是指存储器从接收到CPU发来的读写有关信号开始，到读出/写入数据所需的时间。而存取周期TW是指连续两次读写存储器所需的最小时间间隔。 存取时间和存取周期都是反映存储器存取速度的指标，存取周期大于存取时间。在存储器进行读写操作时，由于存储元件本身的性能，做完一次存或取之后，不能马上进行另外的存或取，需要一段稳定和恢复时间。存取周期就是存取时间加上存储单元的恢复稳定时间。,2.2 存储器的带宽有何物理意义?存储器总线宽度为32位，存取周期为250nS,这个存储器带宽是多少? 解：存储器的带宽是指每秒钟访问的二进制位的数目。其物理意义是一个以存储器为中心的机器可以获取的信息传输速度。 若存储周期为250ns，则工作速度=1/ 250ns , 所以，存储器带宽=工作速度总线宽度 =1/250ns*32bit =1/250X10-9 32 bps =32X109 /250 bps =128X106 bps =128M bps,2.3 ROM与RAM两者的差别是什么? 解：ROM、RAM都是主存储器的一部分，但它们有很多差别： (1)RAM是随机存取存储器，ROM是只读存取存储器； (2)RAM是易失性的，一旦掉电，则所有信息全部丢失；ROM是非易失性的，其信息可以长期保存，常用于存放一些固定用的数据和程序，比如计算机的自检程序CMOS、BIOS、汉字库等。 2.4 指出下列存储器哪些是易失性的? 哪些是非易失性的? 哪些是读出破坏性的? 哪些是非读出破坏性的? 动态RAM，静态取RAM，ROM，Cache，磁盘，光盘。 解: 动态RAM、静态RAM、Cache是易失性的，ROM、磁盘、光盘是非易失性的。动态RAM是读出破坏性的，其余均为非读出破坏性的。,2.5 术语：存储元、存储单元、存储体、存储单元地址，有何联系和区别？ 存储元：存储一位二进制信息的基本单元电路。 存储单元：由若干存储元组成。一台机器的所有存储单元长度相同，一般由8的整数倍个存储元构成。 存储体：是存储单元的集合，它由许多存储单元组成，用来存储大量的数据和程序。 存储器单元地址：计算机在存取数据时，以存储单元为单位进行存取。为区别不同单元，给每个存储单元赋予地址，每个存储单元都有一条唯一的字线与存储单元地址编码对应。,2.6 下面关于存储器的描述，请选则正确的叙述。 (1)CPU访问存储器的时间是由存储体的容量决定的， 存储容量越大，访问存储器所需的时间就越长； (2)因为动态存储器是破坏性读出，必须不断地刷新； (3)随机半导体存储器(RAM)中的任何一个单元都可以访问； (4)固定存储器(ROM)中的任何一个单元不能随机访问. (5)一般情况下，ROM和RAM在存储体中是统一编址的. (6)由于半导体存储器加电后才能存储数据，断电后数据就丢失了，因此，用EPROM做的存储器，加电后必须重写原来的内容。,解：(1)F。主存是随机存储器，CPU访问任何单元的时间都是相同的，同容量的大小没有关系。 (2)F。刷新不仅仅是因为存储器是破坏性读出，还在于动态存储器在存储数据时，存储器不做任何操作时，电荷也会泄漏，为保证数据的正确性，必须使数据周期性地再生，即刷新。 (3)T。 (4)F。ROM只是把信息固定地存放在存储器中，而访问存储器仍然是随机的。 (5)T。在计算机设计中，往往把RAM和ROM的整体作主存，因此，RAM和ROM一般是统一编址的。 (6)F。EPROM是只读存储器，与半导体随机存储器制作工艺不同，不会因掉电丢失数据。,2.7 某计算机系统字长为32位，主存以字节编址，试画出存储器中字地址和字节地址的分配情况。 解：存储器中字地址和字节地址的分配情况如下图所示,2.8 设计一个用64K x 1位的芯片构成256K x 16位的存储器，画出组织结构图。 解: (1)要用64K x l的芯片构造256K x l6位的存储器，需要字、位同时扩展，共需芯片 256/64 x 16/1=64 (片)； (2)主存容量为256KB=218B，即共需地址线 18根，可用其中A0A15 16根接到芯片组， 余下两根A16、A17 接到片选译码器。 (3)组织结构图:,地址总线,2.9 2114是排列成64 x 64阵列的六管存储芯片，试问组成4K x l6位的存储器，共需少片2114? 画出逻辑框图。 解：Intel 2114芯片一片的容量为1Kx4位，要组成4KXl6位的存储器，需要2114芯片 4K/l x l6/4=16（片）。 片内地址需要10根地址线，用A0A9，片选需要2位地址线，用A10A11。 组织结构图：,地址总线,2.10 在2.9题中，如果存储器以字节编址，CPU用一根控制线指明所寻址的是字还是字节，试设计这根控制线的连接方法。 解：若以字节编址，则存储容量增加了1倍，因此需要增加一根地址线A12。另外每一芯片上除了有片选端CS外，还须有一个字/字节选择端WB。接线示意图：,2.11 设某机采用1Kx4位的动态RAM芯片（片内是64x64结构)组成的16Kx8位的存储器。请回答： (1)设计该存储器共需几片RAM芯片? (2)画出存储体组成框图? 解： (1) 存储器共需16/1 x 8/432片 (2) 存储器组成框图（略）。,2.12 已知某8位机的主存采用半导体存储器，其地址码为18位，若使用4Kx4位的静态RAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模板块结构，问： (1)若每个模板块为32KX8位，共需几个模板块? (2)每个模板内共有多少片RAM芯片? (3)主存共需多少RAM芯片? CPU如何选择各模板? 解：该机的地址码为18b，字长8b，故该机的主存容量为218X8b28 X 210 X 8 b 256KB， (1)若每个模板块为32K X 8b， 则需要256K / 32K8(块)。 (2)每个模板块需要32/4X8/48X2=16片。 (3)主存共需16X8=128片。CPU可用3位地址码选择8个模板块。,2.13 某计算机的存储容量是64KB，若按字节寻址，则寻址的范围为 (1) ，需要地址线 (2) 根，数据线 (3) 根；若字长为32位,按字编址,寻址的范围 (4)。 (1)A64K B32K C16K D8K (2)A64 B16 C8 D6 (3)A32 B16 C 8 D4 (4)A64K B32K C16K D8K 解：(1)A。计算机的存储容量为64KB，按字节寻址，其范围就是主存的容量。 (2)B。64KB需要216个状态来表示，即需16根地址线. (3)C。按字节寻址，每个数据的长度为8位，因此需要8根数据线。 (4)C。字长32位，按字寻址，每个数据的长度为32位=4B，主存的总容量为64KB，则共有单元个数为64K/416K。,2.14 某存储器容量4K，其中ROM 2KB，选用EPROM 2Kx8/片，RAM 2KB，选用芯片RAM 1Kx8/片；地址线A11A0。写出全部片选信号的逻辑式。 解：根据要求ROM的容量为2KB，故只需1片EPROM而RAM的容量为2KB， RAM芯片容量为1KB，故需2片。对于ROM片内地址为11位，用地址线的A10 A0 这11根地址线，RAM片地址为10位，用地址线的A9A0这10根地址线。主存中有3片芯片，至少需要2位地址信号加以区别，按其总容量需要12根地址线，可以考虑用1根地址线A11作为区别。 EPROM和RAM的片选信号，对于2片RAM芯片可利用A10来区别其片选信号。设EPROM的片选信号为CS0，两片RAM的片选信号为CS1, CS2，由此可得到如下的逻辑式：,2.15 请画出八体交叉主存系统中的编址方式。 解：在多体交叉主存系统中可以采用两种编址方式低位交叉和高位交叉。 低位交叉编址:,高位交叉编址:,2.16 在八体交叉主存系统中，若每体并行读出两个字，每字长两个字节，主存周期为T，求该存储器的最大带宽。 解：存储器带宽是指单位时间内能读出的二进制位数。若每体能并行读出2个字，八体交叉存储器在1个周期内最多可读出16个字，每个字长为2个字节，即16bit，则此存储器的带宽16X16bit/T256bit/T。,2.17 欲将10011101写入磁表面存储器中： (1) 分别画出归零制、不归零制和调频制的写入电流波形。 (2)改进不归零制(NRZl)的记录原则是见“1”就翻。即当记录“1”时写电流要改变方向；记录“0”时不改变方向。画出它的电流波。 (3)改进调频制(MFM)与调频制方式区别在于：FM在信息元交界处写电流总要改变一次方向；而MFM仅当连续记录两个“0”时，信息交界处翻转一次；其他情况不翻转。画出MFM的写电流波形。,解：各种不同方式写入电流的波形图如图所示。,2.18 对活动头磁盘来讲，磁盘地址是由 、 和 组成的，每个区存储一个 。沿盘半径方向的磁道数称为 ，而磁道单位长度上记录的二进制代码的位数称为 ，两者总称为 。 解：记录面号(磁头号)、磁道号(柱面号)、扇区号、记录块、道密度、位密度、存储密度。,2.19 某磁盘组有4个盘片，5个记录面。每个记录面的内磁道直径为22cm，外磁道直径为33cm，最大位密度为1600位/cm，道密度为80道cm，转速为3600r/min。求： (1)磁盘组的总存储容量是多少位(非格式化容量)? (2)最大数据传输率是每秒多少字节? (3)请提供一个表示磁盘信息地址的方案。 解： (1)总容量每面容量X记录面数 每面容量某一磁道容量X磁道数 某磁道容量=磁道长X本道位密度，在本题中给出了最大位密度，即最内磁道的密度， 并给出了内径，因此可计算出最内磁道的容量1600位/cm X22cmX3.14=110528B/道 磁道数=排列磁道的半径长X道密度 (33-22)cm/2X80道/cm=400道 最后得该磁盘组的 容量110528B/道X400道X5221056000B,(2)最大数据传输率=转速X某柱面的容量 =3600r/60s X 5 X某磁道容量 =331586400B/s (3)磁盘地址可参照32题，由磁盘面、柱面号、扇区号构成，扇区中又以数据块进行组织。由上述计算看出：盘面有5个，需3位，柱面有400个，需9位，扇区一般为9个，需要4位址，磁盘地址共由18位二进制构成。,2.20 某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录面，每毫米5道，每道记录信息为12288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道。请回答： (1)该磁盘存储器的容量是多少? (2)磁盘数据传输率是多少? (3)平均等待时间是多少? 解： (1)磁盘容量4X12288B/道X275道13516800B (2)传输率=3000转/60sXl2288614400B/s (3)平均等待时间1/2 X 1/转速1/2 X 60/3000 0.01s10 ms,2.21 已知某软盘及驱动器的规格为单面，77道，4条控制磁道，73条数据磁道，每磁道26个扇区，128B/扇区，转速为360r/min，平均旋转等待时间：83ms，平均查找时间为17ms，数据传输率为256Kbit/s。问： (1) 一张软盘的数据存储容量约为 (1) 字节； (2)若把平均访问时间定为“平均查找时间+平均等待时间+1个扇区数据的传送时间”，则此软盘每个扇区的平均访问时间是 (2) ms。 可供选择的答案： (1) A.128K B.237K C250K D.47K E.512K (2) A.100 B.104 C128 D.600 E.612,解：(1)B (2)B 因为： (1) 数据的存储容量=数据磁道数X每磁道扇区数X每扇区的字节数73X26X128/1024237K (2)对每个扇区的平均访问时间平均查找时间+平均等待时间+1个扇区数据的传送时间。前两个已在题中给出，只需计算1个扇区数据的传送时间。在题目中已知数据传输率是256Kbit/s，一个扇区有128B，即128X8bit，则一个扇区数据传送时间=128X8/256X1024=0.0039s3.9ms4ms，每个扇区的平均访问时间83+17+4104ms。,2.22 某磁盘存储器的转速为3000r/min，共4个盘面，道密度5道/英寸，每道记录信息为12288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道。求： (1)该磁盘存储器的容量? (2)最高位密度和最低位密度? (3)磁盘的数据传输率? 解：(1)磁盘容量275道X12288B/道X4 =3516800B (2)最高位密度=12288B/道/最短磁道长度=12288B/道 /(3.14X230mm/道)=17B/m (3)最低位密度=12288B/道/最长磁道长度 =12288B/道/(3.14X(275X25.4/5-230/2)mm/道=3.11B/mm (4)数据传输率=12288B=道X3000r/60s =614400B/s,2.23 IBMPC/XT采用的5.25英寸双面磁盘，每面40磁道，每道9扇区，每扇区存储512个字节。试求其格式化容量。 解： 格式化容量 =2X40X9X512=368640B=360KB 2.24 、 和 组成三级存储系统，分级的目的是为了 。 解：Cache、主存储器、虚拟存储器、提高存储器的性能价格比。 2.25 存储系统的层次结构可以解决什么问题？ 实现存储器层次结构的先决条件是什么？用什么度量？ 解：存储器层次结构可以提高计算机存储系统的性能价格比。即在速度方面接近最高级的存储器，在容量和价格方面接近最低级的存储器。 实现存储器层次结构的先决条件是程序对存储器访问的局部性。其度量方法主要是存储系统的命中率。,2.26 在虚拟存储器中，术语物理空间和逻辑空间有何联系和区别? 解：物理空间：实际地址对应的空间，也称“实存空间”；逻辑空间：程序员编程时可用的虚地址对应的地址空间，也称“虚存空间”。一般情况下，逻辑空间远远大于物理空间。物理空间是在运行程序时，计算机能提供的真正的主存空间；逻辑空间则是用户编程时可以运用的虚拟空间，程序运行时，必须把逻辑空间映射到物理空间。,2.27 已知某程序中一条指令的逻辑地址为01FEOH，该系统使用页式虚拟存储器，页面大小1KB，该程序的页表起始地址为0011B；下列内存单元末4位的内容如表1.3.2所示。请指出该指令的实地址码。 表2.5 内存单元末4位的内容,解: 在页式存储器管理中，为每个程序建立一张页表，记录虚页在主存中对应的实页号。程序中给出的地址是虚地址，要转换成实地址，必须通过查找该程序对应的页表，方可知对应的实页号。具体的转换过程如下： 虚地址=01FE0H=0001 1111 11100 000B，页面大小为1K，故页内地址为10位，虚地址的低10位为页内地址1111100000，虚地址的剩余位则为虚页号，其页表地址为页表起始地址与虚页号的连接=001100000111307H，在内存单元307H中存放的字节中，后4位就是对应的实页号，这条指令对应的实地址就是实页号与页内地址的连接11001111100000=33E0H。,2.28 设主存储器容量为4MB，虚拟存储器容量为1GB(109B)，则虚拟地址和物理地址各为多少位? 根据寻址方式计算出来的有效地址是虚拟地址还是物理地址? 解：虚拟存储容量= 1GB= 230B，因此虚地址需要30位；主存容量4MB22X220B，因此实地址需要22位。程序中寻址方式计算出的有效地址是虚地址。,2.29 假设可供用户程序使用的主存容量为100KB，而某用户的程序和数据所占的主存容量超过100KB，但小于逻辑地址所表示的范围，请问具有虚拟存储器与不具有虚拟存储器对用户有何影响? 解：如果无虚拟存储器，用户就要对程序进行准确分段，并要考虑哪段存放在主存，哪段放在辅存，何时从辅存调入主存，何时从主存调入辅存，主存空间如何分配，地址如何编写等，用户编程负担很重。如有虚拟存储器，用户就可不考虑上述问题，编程任务变得简化。 2.30 在上题中，如果页面大小为4KB，页表长度为多少? 解：若页面大小为4KB，则主存容量100KB便可分为25页，页表长度应当有25个字。,2.31 从下列有关存储器的描述中选出正确的答案。 (1)多体交叉存储器主要解决扩充容量问题。 (2)在计算机中，存储器是数据传送的中心，但访问存储器的请求是由CPU或I/O发的。 (3)在CPU中通常都设置若干个寄存器，这些寄存器与主存统一编址。访问这些寄存器的指令格式与访问存储器是相同的。 (4)Cache与主存统一编址，即主存空间的某一部分属于Cache。 (5)机器刚加电时，Cache无内容，在程序运行过程中CPU初次访问存储器某单元时，信息由存储器向CPU传送的同时传送到Cache；当再次访问该单元时即可从Cache取得信息(假设没有被替换)。,(6)在虚拟存储器中，辅助存储器与主存储器以相同的方式工作，因此允许程序员用比主存空间大得多的辅存空间编程。 (7)Cache的功能全由硬件实现。 (8)在虚拟存储器中，逻辑地址转换成物理地址是由硬件实现的，仅在页面失效时才由操作系统将被访问页面从辅存调到主存，必要时还要先把被淘汰的页面内容写入辅存。 (9)内存与外存都能直接向CPU提供数据。,解： (2)、(5)、(7)正确，其余是错误的。 (1)多体交叉存储主要是为了提高存取速度，增加存储器带宽。 (3) 机器中的寄存器常常是独立编址的，因此访问寄存器的指令格式与访问存储器的指令格式不同。 (4) Cache是单独编址的，它不是主存的一部分，比主存的存取速度要快一个数量级。 (6) 在虚拟存储器中，之所以允许程序员用比主存空间大得多的辅助空间编程，并不是因为辅助存储器与主存的工作方式相同，而是因为在主存与辅存之间加了一级存储管理机制，由机器自动进行主辅存信息的调度。 (8)在虚拟存储器中，主要通过存储管理软件来进行虚实地址的转换。 (9)外存不能直接向CPU提供数据，CPU需要数据时，向主存发出请求，若主存中无此数据，由存储管理软件从辅存中调入，然后再提供给CPU。,2.32 使用高速缓冲存储器是为了解决 问题，存储管理主要由 实现。使用虚拟存储器是为了解决 问题，存储管理主要由 实现。后者在执行程序时，必须把映射到主存储器的 空间上，这个过程称为 。 解：速度 硬件 容量 软件 逻辑地址 物理地址与虚实地址的转换。,2.33 选择填空 (1) Cache存储器的内容应与主存储器的相应单元的内容 。 A保持一致 B. 可以不一致 C. 无关 (2) Cache存储器的速度应比从主存储