计算机组成原理课后答案(第二版)-唐朔飞-第四章

存 储 器,第 四 章,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份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/S = 5M字/秒 注意字长（32位）不是16位。 （注：本题的兆单位来自时间=106）,6. 某机字长为32位，其存储容量是64KB，按字编址其寻址范围是多少？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64KB，则： 按字寻址范围 = 64K×8 / 32=16K字 按字节编址时的主存地址分配图如下：,0,1,2,3,6,5,4,65534,65532,7,65535,65533,字地址 HB 字节地址LB,0 4 8 65528 65532,讨论： 1、 在按字节编址的前提下，按字寻址时，地址仍为16位，即地址编码范围仍为064K-1，但字空间为16K字，字地址不连续。 2、 字寻址的单位为字，不是B（字节）。 3、 画存储空间分配图时要画出上限。,7. 一个容量为16K×32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？ 1K×4位，2K×8位，4K×4位，16K×1位，4K×8位，8K×8位 解： 地址线和数据线的总和 = 14 + 32 = 46根； 各需要的片数为： 1K×4：16K×32 /1K×4 = 16×8 = 128片 2K×8：16K×32 /2K × 8 = 8 × 4 = 32片 4K×4：16K×32 /4K × 4 = 4 × 8 = 32片 16K×1：16K × 32 / 16K × 1 = 32片 4K×8：16K×32 /4K×8 = 4 × 4 = 16片 8K×8：16K×32 / 8K × 8 = 2X4 = 8片,讨论： 地址线根数与容量为2的幂的关系，在此为214，14根； 数据线根数与字长位数相等，在此为32根。（注：不是2的幂的关系。 ） ：32=25，5根,8. 试比较静态RAM和动态RAM。 答：静态RAM和动态RAM的比较见下表：,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； 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。,讨论： 1）刷新与再生的比较： 共同点： ·动作机制一样。都是利用DRAM存储元破坏性读操作时的重写过程实现； ·操作性质一样。都是属于重写操作。,区别： ·解决的问题不一样。再生主要解决DRAM存储元破坏性读出时的信息重写问题；刷新主要解决长时间不访存时的信息衰减问题。 ·操作的时间不一样。再生紧跟在读操作之后，时间上是随机进行的；刷新以最大间隔时间为周期定时重复进行。 ·动作单位不一样。再生以存储单元为单位，每次仅重写刚被读出的一个字的所有位；刷新以行为单位，每次重写整个存储器所有芯片内部存储矩阵的同一行。,·芯片内部I/O操作不一样。读出再生时芯片数据引脚上有读出数据输出；刷新时由于CAS信号无效，芯片数据引脚上无读出数据输出（唯RAS有效刷新，内部读）。鉴于上述区别，为避免两种操作混淆，分别叫做再生和刷新。 2）CPU访存周期与存取周期的区别： CPU访存周期是从CPU一边看到的存储器工作周期，他不一定是真正的存储器工作周期；存取周期是存储器速度指标之一，它反映了存储器真正的工作周期时间。,3）分散刷新是在读写周期之后插入一个刷新周期，而不是在读写周期内插入一个刷新周期，但此时读写周期和刷新周期合起来构成CPU访存周期。 4）刷新定时方式有3种而不是2种，一定不要忘了最重要、性能最好的异步刷新方式。,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8K×8位的动态RAM芯片，其内部结构排列成256×256形式，存取周期为0.1µs。试问采用集中刷新、分散刷新及异步刷新三种方式的刷新间隔各为多少？ 注：该题题意不太明确。实际上，只有异步刷新需要计算刷新间隔。 解：设DRAM的刷新最大间隔时间为2ms，则 异步刷新的刷新间隔 =2ms/256行 =0.0078125ms =7.8125µs 即：每7.8125µs刷新一行。 集中刷新时， 刷新最晚启动时间 =2ms-0.1µs×256行 =2ms-25.6µs=1974.4µs,集中刷新启动后， 刷新间隔 = 0.1µs 即：每0.1µs刷新一行。 集中刷新的死时间 =0.1µs×256行 =25.6µs 分散刷新的刷新间隔 =0.1µs×2 =0.2µs 即：每0.2µs刷新一行。 分散刷新一遍的时间 =0.1µs×2×256行 =51.2µs 则 分散刷新时， 2ms内可重复刷新遍数 =2ms/ 51.2µs 39遍,12. 画出用1024×4位的存储芯片组成一个容量为64K×8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？ （注：将存储器分成若干个容量相等的区域，每一个区域可看做一个页面。） 解：设采用SRAM芯片， 总片数 = 64K × 8位 / 1024 × 4位 = 64 × 2 = 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 = 64K × 8位 / 4 = 16K × 8位；,组容量 = 页面容量 / 组数 = 16K × 8位 / 16 = 1K × 8位； 组内片数 = 组容量 / 片容量 = 1K×8位 / 1K×4位 = 2片； 地址分配：,页面号 组号 组内地址,2 4 10,组逻辑图如下：（位扩展）,页面逻辑框图：（字扩展）,存储器逻辑框图：（字扩展）,13. 设有一个64K×8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 = 64K × 8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：2a × b = 219；b = 219-a； 若a = 19，b = 1，总和 = 19+1 = 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：片字数越少，片字长越长，引脚数越多。片字数、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4K×4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32K×8位，共需几个模块板？ （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）218 = 256K，则该机所允许的最大主存空间是256K×8位（或256KB）； （2）模块板总数 = 256K×8/32K×8 = 8块 ； （3）板内片数 = 32K×8位/4K×4位 = 8 × 2 = 16片； （4）总片数 = 16片× 8 = 128片； （5）CPU通过最高3位地址译码选板，次高3位地址译码选片。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MREQ（低电平有效）作访存控制信号，R/W作读/写命令信号（高电平为读，低电平为写）。现有这些存储芯片： ROM（2K×8位，4K×4位，8K×8位）， RAM（1K×4位，2K×8位，4K×8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的芯片，画出CPU和存储芯片的连接图。要求如下： （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）地址空间分配图如下：,4K（ROM） 4K（SRAM） 4K（SRAM） 4K（SRAM）,04095 40968191 819212287 1228816383 65535,Y0 Y1 Y2 Y3 ,A15=1,A15=0,（2）选片：ROM：4K × 4位：2片； RAM：4K × 8位：3片； （3）CPU和存储