清华计算机组成原理习题课课件提高题7-11章.ppt

2020 1 25 计算机组成原理 1 7 1A若对磁表面存储器写入代码10011 请画出NR 1制 PE制 FM制 MMF制记录方式的写入电流波形 设点流初始方向为 I 7 2B假设在一个采用组相联映象方式的Cache种 主存有B0 B7共8块组成 Cache有C0 C4共4块 组内块数为2块 每块位32个字节 求 1 写出主存地址的格式 并标出各字段的长度 2 写出Cache地址的格式 并标出各字段的长度 3 画出主存与Cache字间各个块的映象对应关系 7 3B一个由Cache与主存组成的二级存储系统 已知主存容量为1MB 缓存容量为32KB 采用组相联方式进行地址映象与变换 主存与缓存的每一块为64B 缓存共分8组 求 1 写出主存与缓存的地址格式 地址码长度及各字段名称与位数 2 假定Cache的存取周期为20ns 命中率位0 95 希望采用Cache后的加速比大于10 那么要求主存的存取速度应大于多少 2020 1 25 计算机组成原理 2 7 4A某计算机系统的内存系统中 已知cache存取周期为45ns 主存存取周期为200ns CPU执行一段程序时 CPU访问内存系统共4500次 其中访问主存的次数为340次 问 1 Cache命中率H是多少 2 CPU访问内存的平均访问时间Ta是多少 3 Cache 主存系统的访问效率e是多少 解 1 Cache命中率HH Nc Nc Nm 4500 340 4500 0 922 CPU访存的平均时间Ta H Tc 1 H Tm Tc 0 92 45 1 0 92 200 45 61ns3 Cache 主存系统的访问效率e Tc Ta 100 45 61 100 0 74 100 74 2020 1 25 计算机组成原理 3 7 5某计算机 如果所有的Cache访问都命中的话 它的CPI 每条指令执行的周期数 时2 0 唯一的数据访问指令是Store和Load 它们占总数指令的40 不命中的损失是25个时钟周期 不命中率是2 如果所有的指令访问Cache都命中的话 那么机器的速度是存在Cache不命中的多少倍 答 设机器执行的总指令条数为100 设在所有存储器访问都在Cache命中时 所需时钟周期数为T1 设在一般Cache命中率下 执行上述指令的时钟周期为T2 则 T1 指令条数 平均Cache 100 2 0 200T2 指令条数 CPI 指令总条数 平均CPI Cache不命中指令条数 引起的延迟 100 2 0 100 40 2 25 220则加速比S T2 T1 1 1 则在Cache全部命中情况下的机器速度是在Cache有缺失情况下的1 1倍 2020 1 25 计算机组成原理 4 7 6某计算机的存储系统是由Cache 贮存和磁盘组成的虚拟存储系统 若一字在Cache中 访问它需要T1ns 若字不在主存中 将其从磁盘装入主存需要时间T2ns 主存字访问周期为T3ns 若Cache的命中率为P1 主存命中率为T2 求出该存储系统的平均字访问时间 解 平均字访问时间 在Cache 在内存 不再内存即P1T1 1 P1 P2T3 1 P1 1 P2 T2 T3 2020 1 25 计算机组成原理 5 7 7有一主存 Cache层次的存储器 其主存容量1MB Cache容量是64KB 每块8KB 若采用直接映像方式 请问主存的地址格式 若主存地址为25301H 那么它在主存的哪一块 映射到Cache的哪一块 解 主存地址格式为 区号 主存块号 块内地址其中 主存分了1MB 64K 16个区 所以区号是4位 主存每个区中的块和Cache中的块相同 是64K 8K 8块 所以主存块号是3位 块内地址是13位 即4位区号3位块号13位块内地址 地址为25301H 就是00100101001100000001B 也就是00100101001100000001B 它在主存2区的第2块 映像到Cache的第2块 7 8某计算机的Cache采用4路组相连映射 已知Cache容量为16KB 主存容量为2MB 每块有8个字 每个字32位 请回答 a 主存地址多少位 按字节编址 各字段如何划分 个需多少位 b 设Cache初始时为空 CPU从主存单元0 1 100连续读出101个字 主存一次读出一个字 并重复按此次序读11次 问命中率为多少 若Cache速度是主存速度的5倍 则采用Cache与无Cache速度提高多少倍 2020 1 25 计算机组成原理 6 7 9某计算机采用直接映射Cache 已知容量为4096B a 若CPU依次从主存单元0 1 99和4096 4097 4195交替取指令 循环执行10次 问命中率是多少 b 如Cache存取时间为10ns 主存存取时间为100ns Cache命中率为95 求平均存取时间 7 10已知某计算机系统共有2KBCache 采用组相连映射方式 分为16组 每组有4个Cache块 其地址长32位 最小编址单位为字节 a 内存地址000010AF16将映射到Cache中的哪一组 b 若内存地址000010AF16和FFFF7XYZ16可以同时被映射到Cache中的同一组 那么 xyz可能的取值为多少 7 11什么是虚拟存储器 它的存储介质有哪些 虚拟存储器主要要解决什么问题 分别是怎么解决的 7 12虚拟存储器是如何进行虚地址到内存实地址的转换的 说明段表的组成 哪些常用的指令寻址方式可用在虚实地址的转换中 2020 1 25 计算机组成原理 7 8 1某活动磁头磁盘组的性能参数如下 转数6000转 分 每道容量20KB 平均寻道时间10ms 假定操作系统采用两种方式访问该磁盘组 第一种方式每次读取2KB 第二种方式每次读取8KB 已知操作系统访问磁盘的时间开销为5ms的额外开销和2KB ms的传输开销 求 1 计算该次片组的数据传输率和平均寻址时间 即从磁头定位到目标磁道开始到寻找到目标扇区的平均时间 2 如果要读取一个很大的磁盘文件 操作系统按第一种方式和第二种方式所需的时间比是多少 2020 1 25 计算机组成原理 8 8 2设某磁盘有两个记录面 存储区内直径为2 36英寸 外直径为5英寸 道密度为1250TPI TPI 磁道数 英寸 内直径处的位密度为52 400bpi 位 英寸 转速为2400rpm rpm 分 请解答 每面有多少磁道 每磁道能存储多少字节 数据传输率是多少 设找道时间在10ms 40ms之间 在一个磁道上写上8000字节数据 平均需要多少时间 解答 已知道密度Dcylinder 1250TPI 内直径Diminner 2 36英寸 外直径Dimoutside 5英寸 则每面的磁道数N每面磁道数为 N每面磁道数为 Dcylinder Dimoutside Diminner 2 1250 1 32 1650根据位密度的楰 这样每道上存储的字节个数相同 则可存储的字节数可由下公式得到 Num磁道 2 Rinner Dbit Diminner Dbit 8 48562字节 2020 1 25 计算机组成原理 9 设数据传输率为f 则根据数据传输率的定义 由以下公式可以得到解 f Diminner Dbit 8 2400 60 1 94MB s 设读取数据所需总的时间为T 平均找道时间为TSEEK 旋转延迟为TROTATE 数据读取时间为TREAD 则解过程为 T TSEEK TROTATE TREAD 10 40 2 1 2400 60 2 8 1024 1 94106 103 41 7ms 36 8 3某磁盘存储器的平均找道时间为Ts 转速为每分r转 每磁道容量为N个字 每信息块为n个字 试推算读写一个信息块所需时间Tb的计算公式 解答 设平均等待时间为TWAIT 数据读取时间为TREAD 则一个信息块的时间为 Tb Ts TWAIT TREAD Ts 60 2 r 60n rN 2020 1 25 计算机组成原理 10 9 1若需显示一幅有256种颜色1024 768像素的图像 显示系统的帧存容量为多少位 如要在屏幕上得到逼真的动态图像 假设每秒传送50帧 逐行扫描 则传送频率为多少 如要显示汉字 机器内设置有ROM汉字库 存放一级和二级汉字 汉字采用16 16点阵 则汉字库的容量是多少 答 显示系统的帧缓冲容量为 1024 768 2256 6291456位 传送频率为 50 6291456 8 39 3216Mbit s 一级汉字个数为3755个 二级汉字为3008个 汉字库容量为 3755 3008 16 16 8 216416字节 2020 1 25 计算机组成原理 11 9 2一个黑白CRT 显示具有16级灰度的图片 已知CRT的分辨率为800 600 问显示RAM的容量为多少 如帧同步脉冲的频率为30Mhz 则视频脉冲的频率应是多少 答 显示RAM容量为 800 600 216 240kB视频脉冲的频率是 800 600 30 1 44Mhz9 3如果某计算机显示器的分辨率为1024 768 65535灰度级 则它显示卡的刷新存储器至少为多少kB 答 需要容量为 1024 768 265535 1536kB9 4某位图终端的显示器分辩率为1024 768 显示器每秒钟刷新75次 对应于一个像素点的刷新时间是多长 9 5激光打印机有哪些部件组成 它的工作原理是什么 2020 1 25 计算机组成原理 12 10 1简答题 什么是总线裁决有哪几种方式 集中式总线裁决方式有哪些 这些总线裁决方式各有哪些特点 答 总线裁决 当采用非专用总线时 由于可能有多个设备或部件同时申请使用总线 就应该由总线控制机构来按照某种优先次序裁决 以保证在同一时间内只能有一个高优先级的申请都以得对总线的使用权 有两种方式 集中式总线控制和分布式总线控制 集中式总线裁决方式有3种 串行链 定时查询 独立请求 其特点分别是 串行链接的特点是逻辑简单 扩充性好活性差 定时查询的特点是灵活性好 可靠性高 控制线多 扩展性稍差 独立请求的特点是速度快 灵活性好 控制线数量过大 2020 1 25 计算机组成原理 13 10 2某计算机的外部设备具有三级中断功能 中断响应次序基本上由硬件排队电路决定 但可利用各个外部设备控制中断屏蔽控制位来封锁本设备的中断请求信号 设所有中断处理程序的执行时间相同 均为T 在5T时间内共发生5次中断请求信号 如图所示 请图示各个中断处理程序占用的时间段及中断程序完成的次序 软件进行干预 当执行中断处理程序 时 屏蔽二级中断 请图示各个中断处理程序占用的时间段及中断程序完成的次序 解答 没有软件进行干预时 实际响应顺序为 所以 中断处理程序占用的时间段及中断程序完成的次序如图所示 2020 1 25 计算机组成原理 14 2020 1 25 计算机组成原理 15 由于进行了软件干预 实际响应时发生了变化 虽然 的级别高于 但是当 先到来时 并不能中断它 所以 进行了软件干预后 中断处理程序占用的时间段及中断程序完成的次序如图所示 2020 1 25 计算机组成原理 16 10 3什么叫中断嵌套 CPU中断处理周期完成哪些工作 答 中断嵌套 当已经有中断发生并转入服务程序 而且并不禁止其他中断发生时 此时又有别的高级中断源发生请求 因而被迫停止当前的中断服务程序 转去响应更高优先权的中断请求 这就形成中断的嵌套 CPU中断处理周期要完成的工作 A 关中断 防止保存现场不完整 B 保存断点和现场 保证今后能正确返回中断点 C 判断中断源 转向中断服务程序 多个中断源同时请求 选择最高优先权的中断源 并转入相应的服务程序入口 D 开中断 允许更高级中断响应 E 执行中断服务程序 实际有效的服务工作 F 关中断 防止恢复现场不完整 G 恢复现场 恢复断点 返回中断点 H 开中断 此次中断响应结束 允许各种中断响应 2020 1 25 计算机组成原理 17 10 4简述子程序调用和中断转移指令的执行过程与区别 答 子程序调用 A 保存当前地址 用于今后返回 B 转移并执行子程序 C 执行子程序完毕 取出返回地址 并返回 中断转移指令 A 发生中断 并响应 B 关中断 防止保存现场不完整 C 保存断点和现场 保证今后能正确返回中断点 D 判断中断源 转向中断服务程序 多个中断源同时请求 选择最高优先权的中断源 并转入相应的服务程序入口 E 开中断 允许更高级中断响应 F 执行中断服务程序 实际有效的服务工作 G 关中断 防止恢复现场不完整 H 恢复现场 恢复断点 返回中断点 I 开中断 此次中断响应结束 允许各种中断响应 子程序调用和中断转移指令都会产生当前指令地址的跳转 并且最终都需要返回 但是它们基于不同的目的 因而执行过程有很多不同 2020 1 25 计算机组成原理 18 子程序调用虽然产生指令地址的跳转 但它并不会停止当前程序的执行 而且子程序的本身就属于当前执行程序的一部分 而中断转移指令产生的指令地址的跳转 要求停止当前程序的执行 而且不属于当前执行程序的一部分 子程序调用可能只需保存返回地址 不必保存状态寄存器等机器状态 而中断转移指令不仅要保存返回地址 还要保存状态寄存器等机器状态 子程序调用过程中并不在意中断的响应 因而不需要靠开关中断来控制 而中断转移指令中的某些阶段 保存和恢复现场 要防止中断的响应 因而需要靠开关中断来控制 防止发生错误 子程序调用并不需要硬件协助工作 完全靠软件实现 而中断转移指令不仅要靠软件支持 还要硬件协助工作 子程序调用将继续保持当前程序的状态 用户模式 系统模式 而中断转移指令不管当前程序的状态都将进入系统模式 2020 1 25 计算机组成原理 19 10 5判断下列概念的正确性 屏蔽所有的中断源 即为关中断 I O设备的编址方式分为单独编址方式和存储器映射方式 答 正确 关中断 即为要屏蔽所有的中断源 正确 这正是I O设备的编址的两种方式 10 6是非题 CPU在响应中断后可以立即响应更高优先级的中断请求 不考虑中断优先级的动太分配 连接到计算机单总线上的设备称为主设备 答 错误 必须要在完整保存现场之后 才能去响应更高级别的中断 否则会造成现场保存不完整 从而今后无法返回断点 错误 主 从设备都可连接到单总线上 2020 1 25 计算机组成原理 20 10 7是非题 并简单说明其原因 CPU可任选CPU停止法 总线周期挪用法或总线周期分时法来实现DMA DMA是主存与外设间交换数据的方式 它也可用于主存与主存之间的数据交换 答 正确 这是DMA处理的3种方法 错误 DMA是主存与外设间交换数据的方式 它不可用于主存与主存之间的数据交换 10 8在一个8级中断系统中 硬件中断响应从高到底优先顺序是 1 2 3 4 5 6 7 8 设置中断屏蔽寄存器后 中断响应的优先顺序变为1 3 5 7 2 4 6 8 如果CPU在执行一个应用程序时有5 6 7 8级4个中断同时到达 CPU在按优先顺序处理到第3个中断请求的过程中又有一个3级中断请求到达CPU 试画出CPU响应这些中断的顺序示意图 答 CPU响应中断的顺序示意图如下图所示 2020 1 25 计算机组成原理 21 2020 1 25 计算机组成原理 22 10 8何谓DMA DMA操作可以分几个主要步骤 解答 即直接内存访问方式 完全由硬件执行I O交换的工作方式 在这种方式下 DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制 数据交换不经过CPU 而直接在内存与设备之间进行 DMA操作可以分为3个主要步骤 即传送前的预处理 正式传送 传送后处理阶段 预处理阶段 由CPU执行几条输入输出指令 测试设备状态 向DMA控制器的设备地址寄存器中送入设备号 并启动设备 向内存地址计数器中送入起始地址 向字计数器中送入交换的数据字个数 正式传送阶段 外设准备好发送数据 输入 或接收数据 输出 时 发出DMA请求 由DMA控制器向CPU发出总线使用权的请求 HOLD CPU在本机器周期执行完毕后响应该请求并使CPU的总线驱动器处于高阻状态 然后与系统总线相脱离 DMA控制器接管数据总线和地址总线的控制 并向内存提供地址 在内存和外围设备之间进行数据交换 每交换一个字则地址计数器和字计数器加1 当记数值到0时 DMA操作结束并向CPU提出中断报告 DMA后处理工作 一旦DMA的中断请求得到响应 CPU将停止主程序的执行 转去执行中断服务程序进行DMA操作的后处理 包括校验送入内存的数据是否正确 决定使用DMA方式传送数据还是结束传送 测试传送过程中是否发生错误 2020 1 25 计算机组成原理 23 10 9从中断的急迫程度 CPU响应时间和接口控制电路三个方面 说明DMA方式和程序中断方式的差别 并说明DMA方式中有无中断请求 为什么 10 10某32位机 字宽32位 的一台外设通过32位总线与系统内存相连 CPU每秒执行106条指令 平均每条指令需要5个机器周期 其中3个周期必须访问内存 内存读写需要一个机器周期 假定CPU在95 的时间内持续执行 背景程序 且这段时间内不执行I O指令 现该外设需要把一个非常大的数据块传送到内存 1 如果采用程序I O方式 每传送以32位字宽的数据需要CPU执行2条指令 请计算最大数据传输率 字 秒 2 如果采用DMA方式 在DMA与CPU出现总线冲突时 CPU优先 请计算最大数据传输率 字 秒 2020 1 25 计算机组成原理 24 10 11某8位计算机系统采用单总线结构 数据总线8根 地址总线16根 系统加电后 CPU中的程序计数器PC初始值为FFF0H 已知 1 主存地址空间64KB 其中系统BIOS程序大约需要4KB 由4K 4的ROM芯片构成 其余地址空间为系统RAM区 用4K 8的SRAM芯片构成 2 该机系统总线上连接一I O接口 接口控制有专用接口芯片实现 该芯片内部包含8个用于存放数据和状态的8位寄存器 3 CPU信号中包括有A0 A15 数据线D0 D7 读控制线 RD和写控制线 WE 内存访问请求线 MREQ和I O端口访问请求线 IORQ 4 I O编址采用单独编址 I O地址占8位 5 接口芯片有双向数据端D0 D7 地址输入端A0 A2和片选输入端 CS 通信接口地址范围为80H 87H 要求 1 请合理分配主存地址空间 指明ROM区和RAM取得地址范围 2