南信大 计算机组成原理期末练习题(5)

0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4KX4 RAM 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 两片

图3.19 主存储器结构图

图3.20 CPU与主存储器连接图

4． （1）若 Cache 采用直接相联映像： 字块中含 64 个字节，字块的位数为 b=6 。 Cache 中含有 256 个字块，所以字块地址位数 c=8 。 主存容量为 1M 字节，总位数为 20 。 主存字块标记位数 t=6 。 （2）若 Cache 采用四路组相联映像， 字块中含 64 个字节，字块的位数为 b=6 。 每组含有四个字块，每组含 256 个字节。 Cache 中含有 64 个字块，所以组地址位数 q=6 。 主存容量为 1M 字节，总位数为 20 。 主存字块标记位数 t=8 。

5. 存储器和交叉存储器连续读出m=4个字的信息总量都是 q = 64位 × 4 =256位

顺序存储器和交叉存储器连续读出4个字所需的时间分别是 t2 = mT = 4 × 200ns =800ns = 8 × 10 -7 (S)

t1 = T + (m–1)t =200ns + 3×50ns = 350ns = 3.5 × 10-7 (S) 顺序存储器带宽 W2 = q/t2 = 256 / (8×10-7 ) = 32 × 107 (位

/S)

交叉存储器带宽 W1 = q/t1 = 256 / (3.5×10-7 ) = 73 × 107 (位/S)

6. ∵ r = t m/t c = 4 ∴ t c = t m /4 = 50ns e = 1/[r+(1-r)h] = 1/[4+(1-4)×0.98]

t a = t c /e = t c ×[4-3×0.98] = 50×1.06 = 53ns。

7. 因为 Ta=Tc/e 所以 Tc=Ta×e =60×0.85=510ns (cache存取周期)；

r=4, Tm=Tc×r =510×4 =204ns (主存存取周期)； 因为 e =1/[r+(1-r)H] 所以H= 2 .4/2.55 = 0.94；

8. （１）因为刷新所需带宽 ＝ 分辨率×每个像素点颜色深度×刷新速率；

所以 1024×768×3B×72/S = 165888 KB/S = 162 MB/S； 刷新总带宽应为162MB/S × 100/50 = 324MB/S；

o 为达到这样高的刷存带宽，可采取如下技术措施：

使用高速DRAM芯片组成刷存； 刷存采用多体交叉结构；

刷存至显示控制器的内部总线宽度由３２位提高到６４位，甚至１２８位；

刷存采用双端口存储器，将刷新端口与更新端口分开。

五、问答题答案：

1． 存储器是组成计算机的五大部件之一，是计算机的记忆设备。在以存储器为核心的计算机中，输入设备在CPU的控制下将程序和数据送入存储器，CPU从存储器中提取程序，按程序的指令控制计算机的执行，对存储器中的数据进行相应的处理，输出设备在CPU的控制下将存储器中的数据提取出来进行打印或显示。由此可以看出，存储器是计算机的记忆核心，是程序和数据的收发集散地。可以给存储器下这样的定义：它是计算机中必不可少的用于存放程序和数据的设备。

2．常用的刷新方式有三种，一种是集中式，另一种是分散式，第三种是异步式。

集中式刷新方式。在整个刷新间隔内，前一段时间重复进行读/写周期或维持周期(在维持周期内，不进行读/写，存储单元保持原有存储内容)，等到需要进行刷新操作时，便暂停读/写周期或维持周期，而逐行进行刷新。这种方式的主要缺点是在集中刷新的这一段时间内不能进行存取访问，称之为死时间。采用这种方式的整个存储器的平均读/写周期，与单个存储器片的读/写工作所需的周期相差不多，所以这种刷新方式比较适用于高速存储器。

分散式刷新方式。把一个存储系统周期ts分为两半，前半段时间用来进行读/写操作或维持，后半段时间作为刷新时间。这种方式下，整个系统的速度降低了，因刷新过于频繁。但它不存在死时间。这种方式不适合于高速存储器。

异步式刷新方式。是以上两种方式结合的起来，既充分利用了时间，又

能保持系统的高速性。

3. （1）采用多级结构的存储器系统的目的，是通过把读写速度高，但容量较小，存储的单位成本最高的高速缓冲存储器，与读写速度略慢、但容量可以更大，价格适中的主存储器，和读写速度最慢、但容量可以极大，存储价格最低的高速磁盘空间（虚拟存储器），组织成统一管理与调度的一体化的存储器系统，以便达到高速度、大容量、低价格的目的，即得到具有更高的运行性能/价格比的存储器系统。

（2）高速缓冲存储器用静态存储器芯片实现，主存储器用动态存储器芯片实现，虚拟存储器使用的是高速磁盘上的部分存储空间。

4.（1） 使用多体结构的主存储器，是为了使用可以独立读写的多个存储器，以提高对它们并行读写，快速得到多个数据的能力，缓解单个主存储器读写速度慢的矛盾。

（2） 在多体结构的主存储器中，通常多选用把相邻的存储字存放在不同的存储体中，这被称为低位地址交叉的组织形式，它更符合程序运行的局部性原理，有利于同时（或时间上有覆盖）地读写地址相邻的几个存储字。

5. 为了缓解主存储器读写速度慢，不能满足CPU运行速度需要的矛盾，和解决主存储器容量小，存不下更多的程序和数据的难题，当前计算机系统中，广泛采用了多级结构的存储器系统。它的应用是建立在程序运行的局部性原理之上的。

6. 多级结构的存储器是由高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器三级结构组成的。

每一级存储器使用的存储器介质及特性如下： 存储器

介质

特性

速度特快、成本高 不需要刷新、容量较小

速度较慢、成本较低 需要刷新、容量较大 速度慢、成本低、容量极大

高速缓冲存静态存储器储器 （SRAM） 主存储器

动态存储器

（DRAM)

虚拟存储器 磁盘

信息的一致性原则是：同一个信息会同时存放在几个级别的存储器中，此时，这一信息

在几个级别的存储器中必须保持一致。

信息的包含性原则是：处在内层（更靠近CPU）存储器中的信息一定被包含在各外层的存储器中。

7. 静态和动态存储器芯片特性比较 特性 存储信息 破坏性读出

SRAM 触发器 非

DRAM 电容 是

需要刷新 送行列地址 运行速度 集成度 发热量 存储成本

不要 同时送 快 低 大 高

需要 分两次送 慢 高 小 低

o 因为DRAM芯片生产成本低、集成度高，可组成较大容量的存储

器。

o 使用多体结构的主存储器，是为了使用可以独立读写的多个存储

器，以提高对它们并行读写，快速得到多个数据的能力，缓解单个主存储器读写速度慢的矛盾。在多体结构的主存储器中，通常多选用把相邻的存储字放在不同的存储体中，这被称为多体交叉编址技术（或称为低地址交叉）。它更符合程序运行的局部性原理，有利于同时（或时间上有覆盖）地读写地址相邻的几个存储字。

o 高速缓冲存储器（Cache）的使用是为了缓解主存储器读写速度

慢，不能满足CPU运行速度需要的矛盾。高速缓冲存储器是用静态存储器（SRAM）的存储器芯片实现的。因为静态存储器（SRAM）的存储器芯片不需要刷新，速度快。主存储器读写原理是：必须在指令中给出主存的存储单元地址，通过译码电路选中主存的一个单元，再执行读写操作。高速缓冲存储器（Cache）的容量很小，无法用主存地址去选择Cache的一个单元，所以Cache的每个存储单元有三部分组成： 有效位 标志字段 数据字段 1或0 主存地址信息 主存单元复制过来的数据

数据字段：当CPU第一次读出主存某一单元内容时，顺便写进Cache的某一个单元；

有效位：“1”表示数据字段内容有效；“0” 表示数据字段内容无效； 标志字段：保存相应主存储单元的地址信息。当程序中的一条指令要用一个内存地址读主存的某一个单元时，就用这一地址来与Cache中的各个标志字段的内容相比较，若有相同者，则该Cache单元的数据字段内容就是需要的数据。

o 高速缓冲存储器有三种主要的映像方式：全相联映像方式、直接

映像方式和多路组相联映像方式。从地址映射和地址变换比较它们各自的组成特点如下：

全相联映像方式：就是主存的一个字（或字块）可以映像到整个Cache的任何一个字（或字块）中。标志字段存放了主存地址的一部分，实现Cache标志字段的比较操作要访问到每一个Cache单元，所以电路过多过复杂，实现成本太高。

直接映像方式：就是主存的一个字（或字块）只能映像到整个Cache的一个准确确定的字（或字块）中。二者的对应关系是完全确定的，没有任何选择余地。在Cache标志字段仅写入主存地址的区段号。比较时仅用主存地址的区段号与Cache标志字段比较即可。

多路组相联映像方式：是全相联与直接映像方式的折衷方案。把Cache分为若干组，每组包含几个区段，主存也分为组间采用全相联映像方式，而组内采用直接映像方式。

第4章 指令系统

练习题

一、选择题

1. 指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是 。 A. 实现存储程序的程序控制

B. 缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性 C. 可以直接访问外存

D. 提供扩展操作码的可能并降低指令译码难度

2. 用于对某个寄存器中操作数的寻址方式称为 寻址。 A. 直接 B. 间接 C. 寄存器直接 D. 寄存器间接 3. 寄存器间接寻址方式中，操作数处在 。 A. 通用寄存器 B. 主存单元 C. 程序计数器 D. 堆栈

4. 变址寻址方式中，操作数的有效地址等于 。 A. 基值寄存器内容加上形式地址（位移量） B. 堆栈指示器内容加上形式地址 C. 变址寄存器内容加上形式地址 D. 程序计数器内容加上形式地址

5. 指令的寻址方式有顺序和跳跃两种方式。采用跳跃寻址方式，可以实现 。 A. 堆栈寻址

B. 程序的条件转移 C. 程序的无条件转移

D. 程序的条件转移或无条件转移

6. 扩展操作码是 。 A. 操作码字段外辅助操作字段的代码 B. 操作码字段中用来进行指令分类的代码 C. 指令格式中不同字段设置的操作码

D. 一种指令优化技术，即让操作码的长度随地址数的减少而增加，不同地址数指令可以具有不同的操作码长度

7. 隐含寻址的指令中没有给出操作数的地址，该操作数来自 。

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