系统结构第三四章答案.pdf

计算机系统结构第三章作业参考答案 习题 3 . 1 设有一个两层的存储器层次结构：M 1 和 M 2 。M 1 的命中率用 h 表示，并分别令 c 1 和 c 2 为每千字节的成本，s 1 和 s 2 为存储器容量，t 1 和 t 2 为存取时间。 （1） 在什么条件下，整个存储器系统的平均成本会接近于 c2？ （2） 该层次结构的存储器有效存取时间 ta是多少？ （3） 令两层存储器的速度比 r=t2/t1，并令 E=t1/ta 为存储系统的存取效率。试以 r 和命中 率 h 来表示 E。 （4） 试分别画出 r=5、20 和 100 时，E 和 h 的关系图。 （5） 如果 r=100，为使 E0.95，要求的命中率 h 是多少？ （6） （5）中的命中率实际上很难达到，假设实际的命中率只能达到 0.96。现在采用一种 缓冲技术来解决这个问题。当访问 M1 不命中时，把包括被访问数据在内的一个数 据块都从 M2 取到 M1 中，并假设被取到 M1 中的每个数据平均可以被重复访问 5 次。请设计缓冲深度（即每次从 M2 取到 M1 中的数据块的大小） 。 解答 （1 ）整个存储系统的平均成本为： 1 2 1 2 2 1 1 21 2211 + + = + + s s c s s c ss scsc 不难看出：当 s1/s2 非常小的时候，上式的值约等于 c2。即：s2s1 时，整个存储器系统 的平均成本会接近于 c2 （2） ta = h1t1 +（1 h1）h2t2 因为 h2等于 1，所以 ta = ht1 +（1 h）t2 （3） rhhthht t t t E a )1 ( 1 )1 ( 21 11 + = + = (4) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 r=5 r=20 r=100 访问效率 e(%) 命 中 率 访问效率 e 和命中率 h 的关系图 （5）将数值代入 E 和 h 的关系式可以算得 h 05.94 94 99.95% 。 （6）通过缓冲的方法，我们需要将命中率从 0.96 提高到 0.9995。假设对存储器的 访问次数为 n，缓冲块的大小为 m。那么，缓冲的次数为 0.0005n 次；所以通过对 M1 的命 中率来列等式有： n nmn0005. 0596. 0 9995. 0 + = 解这个方程有： 8 .15=m 所以要达到（5）中的访问效率，缓冲的深度应该至少是 16（个数据单位） 。 习题 3.3要求完成一个两层存储系统的容量设计。第一层 M1 是高速缓存，其容量有三种选 择：64K 字节、128K 字节和 256K 字节。第二层 M2 是主存储器，其容量为 4M 字节。分别 令 c1 和 c2 是每个字节的成本，t1 和 t2 是 M1和 M2 的存取时间。假定 c1=20c2 和 t2=10t1， 三种容量高速缓存的命中率分别为 0.7，0.9 和 0.98。 （1） 在 t1=20ns 的条件下，三种高速缓存的平均存取时间 ta是多少？（注意： t1 是从 CPU 到 M1 的时间。t2 是从 CPU 到 M2 的时间，不是从 M1 到 M2 的时间） 。 （2） 如果 c2=0.2 美圆/K 字节，试说明整个存储器层次结构的平均字节成本。 （3） 对三种存储器的设计作一个比较，并分别按平均成本和平均存取时间指出它们性能 的排列次序。再根据平均成本和平均存取时间的乘积，选择最佳设计。 解答 （1） ta = ht1 +（1 h）t2 =（10 9h）t1 ，所以 ta1 = （10 9*0.7）*20 = 74ns ta2 = （10 9*0.9）*20 = 38ns ta3 = （10 9*0.98）*20 = 23.6ns （2） 因为平均字节成本 ca为： 1 2 1 2 2 1 1 21 2211 + + = + + s s c s s c ss scsc 将各个值代入可得：ca1=0.26 美元/K 字节，ca2=0.32 美元/K 字节，ca3=0.43 美元/K 字节。 （3） 按照平均成本来说 ca1 ca2 ca3，按照平均存取时间来说 ta3D3D4，即分别为 1 级、2 级、3 级、4 级。 又因为 D3 应先处理，所以 D3 的中断屏蔽码为 1111； D2 的处理优先级次之，所以让 D2 中断源的中断屏蔽位 D3 位为 0，其余为 1，即 1101； D4 的处理优先级再次之，所以让 D4 中断源的中断屏蔽位 D3、D2 位为 0，其余为 1，即 1001； D1 的处理优先级最低，所以让 D1 中断源的中断屏蔽位 D1 位为 1，其余为 0，即 1101。 (2)示意图如下 4.6 题 解：(1)有 5 个中断源，所以需要 3 位中断屏蔽码。 (2)中断响应的优先次序为：1、2、3、4、5；实际中断处理次序为：3、1、2、4、5； (3)示意图如下。 D1 D2 D3 D4 D3 D4 D1 D2 中断请求 主程序 中断服务程序 习题 4.7 一个字节多路通道连接有 5 台设备，它们的数据传输率如表 4.7 所示。 表 4.7 设备的数据传输率 设备名称 D1 D2 D3 D4 D5 数据传输速率（KB/s） 100 33.3 33.3 20 10 服务优先级 1（最高） 2 3 4 5 (1) 计算这个字节多路通道的实际工作流量。 (2) 为了使通道能够正常工作，请设计通道的最大流量和工作周期。 (3) 当这个字节多路通道工作在最大流量时， 5 台设备都在 0 时刻同时向通道发出第 一次传送数据的请求，并在以后的时间里按照各自的数据传输速率连续工 作。画出通道分时为各台设备服务的时间关系图，并计算这个字节多路通道 处理完各台设备的第一次数据服务请求的时刻。 解答 (1) 我们道把数据传输速率理解为设备的数据产生速率，即设备对应的子通道数 据传输速率，那么，通道的实际流量等于各子通道的流量之和：196.6KB/s。 (2) 我们取流量上限为 200KB/s，则工作周期为 5s。 (3) 通道分时工作的时间关系图如下所示。通道处理完各设备第一次数据服务请 求的时刻分别为：5s、10s、20s、30s、90s