计算机组成与汇编语言第3章作业.doc

计算机组成与汇编语言第3章作业 3.2 存储器由哪些基本部分组成？每部分作用是什么？答案 存储器由存储体、地址寄存器MAR、数据寄存器MDR、地址译码驱动电路、读/写控制逻辑、读/写驱动器等六个部分组成。CPU将n位地址码通过地址总线送入存储器中的地址寄存器MAR，地址译码驱动电路包含译码器和驱动器两部分。译码器将地址总线输入的地址码转换成与其对应的译码输出线上的高电平或低电平信号，以表示选中了某一单元，并由驱动器提供驱动电流去驱动相应的读/写电路，实现对2n个片内存储单元的选址。 被译码选中的存储单元，在读/写控制逻辑的作用下，其读/写信息经读/写驱动器驱动放大存于存储器中的数据寄存器MDR或从MDR写入选中的存储单元，可见MDR是为了协调CPU与存储器之间在速度上的差异设置的，用于暂时存放存储器读写的数据。 3.3 存储器的主要技术指标有哪些？是什么含义？ 答案 一个存储器的性能通常从容量、速度、价格和可靠性四方面来衡量。（1）存储容量：存储容量是指一个存储器所能够容纳的二进制信息量，它反映了存储空间的大小。存储容量通常用字节(B)数来表示，也有用存储器的存储字位数与地址寄存器的编址数的乘积表示。（2）存储速度：通常用存取时间和存取周期来衡量存储器的存储速度。存取时间也称为访问时间或读/写时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。存取时间越短，存取速度越快。存取周期是启动两次独立的存储器操作所需的最小时间间隔，它包括了CPU读/写数据总线的时间。通常存取时间略小于存取周期。（3）存储器的可靠性：指在规定的时间内存储器无故障读/写的概率。通常用平均无故障时间MTBF来衡量， MTBF可以为两次故障之间的平均时间间隔，间隔越长说明存储器的性能越好。（4）存储器的性能/价格比：是衡量存储器经济性能的一个综合性指标。性能主要是指存储容量、存储速度和可靠性。对于不同的用途如何在性能和价格之间取得一个平衡点，要根据需求而定。 3.4* 存储器有哪些分类方法？它们是如何分类的？答案 按构成存储器的存储介质可分为：半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器和光盘存储器等。按存取方式可分为：只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、串行访问存储器。按存储器在计算机系统中的作用不同，可分为主存储器（简称主存）、辅助存储器（简称辅存）、缓冲存储器（Cache）。根据访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。 3.5 存储器的主要功能是什么？为什么把存储系统分成若干个不同的层次？答案 存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存储二进制形式表示的程序和数据。主存储器是计算机系统的中心，因为无论存取指令还是输入输出和运算，都必须频繁地访问主存储器。由于CPU访存速度大大低于CPU内部信息的传输速度，因此对主存的访问成了提高计算机性能的瓶颈。计算机的存储系统具有CPU(寄存器)主存储器辅助存储器这3个基本层次。高速缓冲存储系统在主存和CPU之间插入了一个中间层次高速缓冲存储器，又称Cache。相对主存而言，Cache容量小但存取速度接近CPU，现代L1 Cache和L2 Cache集成于CPU芯片内，速度几乎与CPU相当。由它和主存构成的Cache系统具有接近Cache的速度和主存的容量，较好地解决了CPU访存速度慢的问题。由主存和辅助存储器（或其一部分）构成的虚拟存储系统具有辅存的容量和接近主存的速度，又较好地解决了主存容量不够的问题。这样，存储体系结构能使整个存储系统发挥最大的效率，最好的性价比。 3.10* 为什么在计算机系统中设置高速缓冲存储器？答案 随着计算机处理信息能力的增强，I/O设备数量的不断增多，CPU访问主存的速度已成为计算机系统发展的瓶颈问题。尤其是现代计算机普遍采用超标量、超流水线技术，使处理器所需要的访存速度与实际提供的速度相差数百倍。为了解决CPU与内存速度不匹配的问题，应用了高速缓冲存储技术。高速缓冲存储器（Cache）系统由高速、小容量的Cache和主存共同组成。从CPU角度看，高速缓存系统速度接近于Cache，而容量为主存大小。 3.11* Cache中采用的映像技术主要有哪几种？各有何特点？答案 Cache的地址映像方式有全相联地址映像、直接相联地址映像和组相联地址映像等3种。全相联映像和变换方式块冲突率最低，Cache的利用率最高。其缺点是访问速度太慢，成本太高，影响了Cache的访问速度。直接映象方式的优点是硬件实现简单，不需要进行地址变换，访问速度也比较快。但是这种方式的致命缺点是Cache块冲突概率较高。组相联方式是直接映像和全相联映像方式的一种折中方案，其优点和缺点介于全相联和直接映像方式的优缺点之间。 3.12* 在什么情况下Cache需要采用替换策略？常用的替换策略有哪几种？各有什么优缺点？答案 当发生Cache块失效时，需要从主存调入要访问的Cache块，如果此时在Cache中出现块冲突，就必须选择替换掉一个Cache块，这就涉及更新策略，即替换算法。除了直接映像及变换方式由于主存块与Cache块有固定对应的关系无须替换算法之外，其他相联映像及变换方式需要从Cache全部块或同一组内的几个块中选择一块替换出去，这需要合适的替换算法，以提高Cache的命中率。常用的替换算法有随机替换算法、FIFO算法、近期最少使用（LRU）算法等3种。随机替换算法硬件上容易实现，且速度也较快；缺点是这种算法使Cache的命中率和工作效率降低，已淘汰不用。FIFO算法实现较容易，系统开销较小。缺点是没有充分考虑程序的局部性原理（如循环程序），将可能需要使用的块调出，从而影响Cache的命中率，很少采用。LRU算法能比较正确地反映程序的局部性，可使Cache具有较高的命中率。是目前广泛采用的替换算法。 3.13 构造虚拟存储器的目的是什么？段式虚拟存储器、页式虚拟存储器和段页式虚拟存储器方式各有什么优缺点。答案 构造虚拟存储器的主要目的是解决内存容量不足问题。段式虚存的最大优点是程序的模块化性能好，这个优点使得程序的动态链接和调度比较容易，同时容易以段为单位实现存储保护，也便于程序和数据的共享。段式虚存的主要的一个缺点是地址变换费时。另一个主要缺点是主存利用率低。还有段式虚存对辅存管理较为困难。页式虚存的主要优点一是主存利用率高，二是页表简单，三是地址映象与变换速度较快，四是对辅存管理比段式虚存容易。页式虚存的主要缺点是程序的模块化性能不好。另外页表可能会很长，需要占用很大的存储空间，甚至超过页的容量，需分级管理。段页式虚存具有程序的模块化较好、主存利用率较高和对辅存管理容易的优点，但也带来查表速度问题，地址变换速度有待改进。 3.15 试比较虚拟存储器与Cache存储器的主要区别。 答案 Cache存储系统和虚拟存储系统都是基于程序访问的局部性原理来构建的。Ca