教材课后思考题与习题：

• 主存：主硬盘是存储器吗用于存放正在执行的程序和数据。CPU可以直接进行随机读写访问速度较高。
  • RAM：（Random Access Memory）随机存取硬盘是存储器吗，是一種可读/写硬盘是存储器吗一般用于计算机的主存。

• 辅存：辅助硬盘是存储器吗作为主存的后备硬盘是存储器吗，不直接与CPU交换信息嫆量比主存大，速度比主存慢
  • CDROM：只读型光盘
• Cache：为解决主存和CPU的速度匹配，提高访存速度的一种硬盘是存储器吗设在CPU和主存之间，存放CPU菦期要用的信息
• Flash Memory：闪速硬盘是存储器吗。或称快擦型硬盘是存储器吗

4.2 计算机中哪些部件可以用于存储信息按速度、容量和价格/位排序說明。

计算机中的寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息这个顺序：速度从高到低、容量从小到大、价格从高到低。

4.3 硬盘是存储器吗嘚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

• 硬盘是存储器吗的层次结构主要体现在下面两个层次仩：Cache—主存、主存—辅存。

• ”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的速喥，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硬盘是存储器吗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、位價低的优化效果。

• 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与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现，即将主存與辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟硬盘是存储器吗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間（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調度或转换操作对于程序员来说都是透明的。

4.4 说明存取周期和存取时间的区别

存取周期和存取时间的主要区别是：存取时间仅为完成一佽操作的时间，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

4.5 什么是硬盘是存储器吗的帶宽若硬盘是存储器吗的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns则硬盘是存储器吗的带宽是多少？

• 硬盘是存储器吗带宽：单位时间内硬盘是存储器吗存取的信息量单位用：字/秒 or 字节/秒 or 位/秒

4.6 某机字长为32位，其存储容量是64KB按字编址它的寻址范围是多少？若主存以字节编址试畫出主存字地址和字节地址的分配情况。

• 按“字节”编址寻址范围：就是64K
• 字地址与字节地址的分配情况如下图：

4.7  一个容量为16K×32位的硬盘是存储器吗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：（16K×32） / （1K×4） = 16×8 = 128片；每组8片共16組。每次读出一个存储字只需选中一组芯片（8片）。

• 静态RAM和动态RAM都属于随机硬盘是存储器吗即在程序的执行过程中既可读出信息又可寫入信息。但静态RAM靠触发器原理存储信息只要电源不掉电，信息就不会丢失；

• 动态RAM靠电容存储电荷原理存储信息即使电源不掉电，由於电容要放电信息也会丢失，故需再生

4.9 什么叫刷新？为什么要刷新说明刷新有几种方法。

• 动态RAM靠电容存储电荷原理存储信息电容仩的电荷要放电，信息即丢失为了维持所存信息，需要再一定时间（2ms）内将所存信息读出再重新写入（恢复），这一过程称为刷新刷新是一行一行进行的，由CPU自动完成
• 集中刷新：即在2ms时间内，集中一段时间对存储芯片的每行刷新一遍在这段时间里不能对硬盘是存儲器吗进行访问，即所谓的死时间
• 分散刷新：是将存储系统周期分为两半，前半段时间用来读/写操作后半段时间用来刷新操作，显然整个系统的速度降低了但分散刷新没有硬盘是存储器吗的死时间。
• 异步刷新：为集中刷新和分散刷新的结合这种刷新可在2ms时间内对存儲芯片的每一行刷新一遍，两行之间的刷新时间间隔为 2ms/芯片的片数

4.10 半导体硬盘是存储器吗芯片的译码驱动方式有几种？

• 线选法：地址信號只需经过一个方向的译码就可选中某一存储单元的所有位适用于地址线较少的芯片。
• 重合法：适用于地址线较多的芯片地址线分为兩组，分别经过行、列两个方向译码只有行、列两个方向均被选中的存储元才能进行读/写信息。

4.11 一个8K×8位的动态RAM芯片其内部结构排列荿256×256形式，存取周期为0.1μs试问采用集中刷新、分散刷新和异步刷新三种方式的刷新间隔各为多少？

• 集中刷新方式：刷新时间间隔：2ms其Φ刷新的死时间为：256×0.1μs=25.6μs
• 异步刷新方式：刷新时间间隔：2ms

4.12 画出用1024×4位的存储芯片组成一个容量为64K×8位的硬盘是存储器吗逻辑框图。要求將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

• 将硬盘是存储器吗分成若干个容量相等的区域，每一个区域可看作一个页面假设采用SRAM芯片：
• 本题设计的硬盘是存储器吗结构上，分为‘总体’、‘页面’、‘组’三级因此画图时，也应分成三级画首先应确定各级的容量：

• 因此地址分配：页面号（2位）+组号（4位）+组内地址（10位）

4.13 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嘚地址线和数据线，并说明有几种解答

• 如果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的幂關系，可较好的压缩线数设地址线根数为a，数据线根数为b则片容量为：（2^a）× b = 2^19位，b = 2^(19-a)

4.14 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硬盘是存储器吗试问：

（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）每个模塊板内共有几片RAM芯片

（4）共有多少片RAM？

（5）CPU如何选择各模块板

1. CPU通过最高3位地址译码输出选择模板，次高3位地址译码选择芯片地址格式分配如下：

4.15 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）。现有下列存储芯片：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芯片，畫出CPU和存储芯片的连接图要求：

（1）最小4K地址为系统程序区，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）详细畫出片选逻辑

• 第1步，根据题目的地址范围写出相应的二进制地址码： 

CPU共16根地址线8根数据线。最小4K（即 2^12）为系统程序区则其地址的二進制码为：

CPU寻址时，以上地址范围是系统程序区大小为：4KB。用户程序的二进制地址码范围为：

CPU寻址时以上地址范围是用户程序区，大尛为：12KB

• 第2步根据地址范围的容量以该范围在计算机系统中的作用，选择存储芯片

• 第3步分配CPU地址线

剩下的高位地址与访存控制信号 MREQ共同產生存储芯片的片选信号。

由74138译码器输入逻辑关系可知必须保证控制端G1为高电平，-G2A 与 -G2B 为低电平才能使译码器正常工作。根据第1步写出嘚硬盘是存储器吗地址范围得出A15始终为低电平，而访存控制信号 MREQ 是低电平有效因此将74138译码器的控制端 G1接 +5V， -G2A-G2B分别接 A15和 -MREQ。

CPU的A14A13，A12分别接茬译码器的 CB，A 端；使其输出 -Y0作为ROM的片选信号输出-Y1，-Y2-Y3分别作为串联的3片RAM的片选信号。

（1）用74138译码器画出CPU与存储芯片的连接图；

（2）写絀每片RAM的地址范围；

（3）如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据后以A000H为起始地址的存储芯片都有与其相同的数据，分析故障原因

（4）根據（1）的连接图，若出现地址线A13与CPU断线并搭接到高电平上，将出现什么后果

如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据后，以A000H为起始地址的存储芯片都有与其相同的数据则根本故障原因为：该存储芯片的片选输入端很有可能总是处于低电平。可能的情况有：

• 该片的 -CS端 与 -WE端 连錯或短路
• 该片的 -CS端与地线错连或短路在此假设芯片与译码器本身都是好的。

若出现地址线A13与CPU断线并搭接到高电平上，将会出现A13恒为“1”的情况此时硬盘是存储器吗只能寻址A13=1的地址空间，A13=0的另一半地址空间将永远访问不到若对A13=0 的地址空间进行访问，只能错误地访问到A13=1嘚对应空间中去

有效信息位均为n=4位，假设有效信息用b4b3b2b1表示

校验码在汉明码中分别处于第1、2、4位

4.18 已知收到的汉明码（按配偶原则配置）为1100100、1100111、1100000、1100001检查上述代码是否出错？第几位出错

如果收到的汉明码为1100100，则p3p2p1=011说明代码有错，第3位（b4’）出错有效信息为：1100

如果收到的汉奣码为1100111，则p3p2p1=111说明代码有错，第7位（b1’）出错有效信息为：0110

如果收到的汉明码为1100000，则p3p2p1=110说明代码有错，第6位（b2’）出错有效信息为：0010

洳果收到的汉明码为1100001，则p3p2p1=001说明代码有错，第1位（c1’）出错有效信息为：0001

4.19 已经接收到下列汉明码，分别写出它们所对应的欲传送代码

（1）1100000（按偶性配置）

（2）1100010（按偶性配置）

（3）1101001（按偶性配置）

（4）0011001（按奇性配置）

（5）1000000（按奇性配置）

（6）1110001（按奇性配置）

（一）假设接收到的汉明码为C1’C2’B4’C3’B3’B2’B1’，按偶性配置则：

（1）如接收到的汉明码为1100000

（2）如接收到的汉明码为1100010，

（3）如接收到的汉明码为1101001

P3P2P1=000，传送无错故欲传送的信息为0001。

（二）假设接收到的汉明码为C1’C2’B4’C3’B3’B2’B1’按奇性配置则：

（4）如接收到的汉明码为0011001，

（5）如接收到的漢明码为1000000

（6）如接收到的汉明码为1110001，

P3P2P1=000传送无错，故欲传送的信息为1001

4.20 欲传送的二进制代码为1001101，用奇校验来确定其对应的汉明码若在苐6位出错，说明纠错过程

   故传送的汉明码为，若第6位(B5)出错即接收的码字为，则

P4P3P2P1=0110说明第6位出错对第6位取反即完成纠错。

4.21 为什么在汉明碼纠错过程中新的检测位P4P2P1的状态即指出了编码中错误的信息位？

答：汉明码属于分组奇偶校验P4P2P1=000，说明接收方生成的校验位和收到的校驗位相同否则不同说明出错。由于分组时校验位只参加一组奇偶校验有效信息参加至少两组奇偶校验，若果校验位出错P4P2P1的某一位将為1，刚好对应位号4、2、1；若果有效信息出错将引起P4P2P1中至少两位为1，如B1出错将使P4P1均为1，P2=0P4P2P1=101,

4.22 某机字长16位，常规的存储空间为64K字若想不改鼡其他高速的存储芯片，而使访存速度提高到8倍可采取什么措施？画图说明

机器字长为16位，说明CPU一次能处理的数据位数是16位不过这囷本题无关。

存储空间为64K字如果是采用单个存储体，每个存取周期的时间内该单个存储体能向CPU提供 1个存储字长（具体是几位题干未给絀）的二进制代码。

现在若想不改用高速存储芯片，而使访存速度提高到8倍也就是希望在一个存取周期的时间内，向CPU提供8个存储字长嘚二进制代码则可采取八体交叉存取技术，8体交叉访问的结构图 和 时序图：

由下图可知每隔1/8 个存期周期就可在存储总线上获得一个数據。

4.23 设CPU共有16根地址线8根数据线，并用 M/IO 作为访问硬盘是存储器吗或I/O的控制信号（高电平为访存低电平为访I/O），WR（低电平有效）为写命令RD（低电平有效）为读命令。设计一个容量为64KB的采用低位交叉编址的8体并行结构硬盘是存储器吗现有下图所示的硬盘是存储器吗芯片和138譯码器。

画出CPU和硬盘是存储器吗芯片（芯片容量自定）的连接图并写出图中每个存储芯片的地址范围（用十六进制数表示）。

8体低位交叉并行硬盘是存储器吗的每个存储体的容量：64KB / 8 = 8KB因此选择 8KB 的 RAM芯片。

8体硬盘是存储器吗的低位交叉地址编址范围如下图：

方案1：8体交叉编址的CPU和存储芯片的连接图：

注：此设计方案只能实现八体之间的低位交叉寻址，但并不能实现八体并行操作

方案2：八体交叉并行存取系統体内逻辑如下图：

4.24 一个4体低位交叉的硬盘是存储器吗，假设存储周期为TCPU每隔1/4存取周期启动一个存储体，试问依次访问64个字需多少个存取周期

只有访问第1个字需要一个存取周期，从第2个字开始每隔1 / 4存取周期即可访问一个字，因此依次访问64个字需：

注：4体交叉存取虽嘫从理论上讲可讲存取速度提高到4倍，但实现时哟由于并行存取的分时启动需要一定的时间故实际上只能提高到接近4倍。

4.25 什么是“程序訪问的局部性”存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理？

程序运行的局部性原理指：

• 在一小段时间内最近被访问过的程序和數据很可能再次被访问；
• 在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；
• 在访问顺序上指令顺序执行比转移执行的可能性大（大约 5:1）。

存储系统中Cache - 主存 层次采用了程序访问的局部性原理

4.26 计算机中设置Cache的作用是什么？能否将Cache的容量扩大最后取代主存，为什么

计算机中设置Cache主要是为了加速CPU访存速度。

不能把Cache的容量扩大到最后取代主存主要因为Cache和主存的结构原理以及访问机制不同（主存昰按地址访问，Cache是按内容及地址访问）

Cache做在CPU芯片内主要有下面几个好处：

• 可提高外部总线的利用率。因为Cache在CPU芯片内CPU访问Cache时不必占用外蔀总线；
• Cache不占用外部总线就意味着外部总线可更多地支持 I/O 设备与主存地信息传输，增强了系统地整体效率；
• 可提高存取速度因为Cache 与 CPU 之间哋数据通路大大缩短，故存取速度得以提高

将指令Cache和数据Cache分开有如下好处：

• 可支持超前控制和流水线控制，有利于这类控制方式下指令預取操作地完成；
• 指令Cache可用ROM实现以提高指令存取地可靠性；
• 数据Cache对不同数据类型的支持更为灵活，即可支持整数（例32位）也可支持浮點数据（如64位）。

（1）设计Cache地址格式Cache中可装入多少块数据？

（2）在直接映射方式下设计主存地址格式。

（3）在四路组相联映射方式下设计主存地址格式。

（4）在全相联映射方式下设计主存地址格式。

（5）若存储字长为32位硬盘是存储器吗按字节寻址，写出上述三种映射方式下主存的地址格式

1. Cache中可装入块数：2K字 / 4字 = 2×2^10 / 4 = 2^9 = 512块，因此缓存块的地址需要9位每一块4个字，且访存地址为字地址因此块内地址为2位。
2. 主存容量为 256K字 = 2^18字因此主存地址共18位。直接映射方式下由于Cache中共有512块，因此主存中需要分区成512个区512个区 ×（每个区 y个字块）×4字 = 256K 芓 =  2^18字。得 y = 2^7即每个区域需要2^7个字块。因此直接映射方式下主存地址格式为：

   字块内地址（2位）

   缓存块地址：可以找到主存块中的哪一个区域；主存字块标记：可以找到主存某个区域下的哪一块；字块内地址：可以找到某个块的某个块的哪一个字
3. 四路组相连映射时对Cache进行分組，每个组中共有4个块因此可以讲Cache分成512 / 4 = 2^7 组，因此Cache组地址需要7位四路组相连下地址格式为：

   字块内地址（2位）

   映射的时候，也需要将主存分为2^7个区域每个区域则需要有2^9个块，每个块有4个字映射规则：主存每个区域的第 i 块，都可以映射到Cache的第 i 组中去
4. 全相连映射下，主存地址格式为：主存字块标记（16位）+块内地址（2位）

5. 若存储字长为32位硬盘是存储器吗按字节寻址，则主存容量为256K*32/4=221B

   在直接映射方式下，主存字块标记为21-9-5=7位主存地址格式为：

   Cache字块地址（9位）

   在四路组相联映射方式下，主存字块标记为21-7-5=9位主存地址格式为：

   在全相联映射方式下，主存字块标记为21-5=16位主存地址格式为

4.29 假设CPU执行某段程序时共访问Cache命中4800次，访问主存200次已知Cache的存取周期为30ns，主存的存取周期为150ns求Cache嘚命中率以及Cache-主存系统的平均访问时间和效率，试问该系统的性能提高了多少倍

4.30 一个组相连映射的CACHE由64块组成，每组内包含4块主存包含4096塊，每块由128字组成访存地址为字地址。试问主存和高速硬盘是存储器吗的地址各为几位画出主存地址格式。

主存共分区每区16块

主存嫆量为：字，主存地址19位地址格式如下：

4.31 设主存容量为1MB，采用直接映射方式的Cache容量为16KB块长为4，每字32位试问主存地址为ABCDEH的存储单元在CacheΦ的什么位置？

解：主存和Cache按字节编址

主存容量1MB=220B，地址共格式为20位分为1MB/(4*32/8B)=216块，每块24B采用直接映射方式，主存字块标记为20-14=6位主存地址格式为：

4.32 设某机主存容量为4MB，Cache容量为16KB每字块有8个字，每字32位设计一个四路组相联映射（即Cache每组内共有4个字块）的Cache组织。

（1）画出主存哋址字段中各段的位数

（2）设Cache的初态为空，CPU依次从主存第01，2…，89号单元读出90个字（主存一次读出一个字）并重复按此次序读8次，問命中率是多少

（3）若Cache的速度是主存的6倍，试问有Cache和无Cache相比速度约提高多少倍？

（1）根据每字块有8个字每字32位（4字节），得出主存哋址字段中字块内地址为3+2=5位

主存字块标记（10位）

（2）由于每个字块中有8个字，而且初态为空因此CPU读第0号单元时，未命中必须访问主存，同时将该字所在的主存块调入Cache第0组中的任一块内接着CPU读第1~7号单元时均命中。同理CPU读第8，16…，88号时均未命中可见，CPU在连续读90个芓中共有12次未命中而后8次循环读90个字全部命中，命中率为：（90*8 - 12）/（90*8） = 0.984

4.33 简要说明提高访存速度可采取的措施

解答：提高访存速度可采取彡种措施：

（1）采用高速器件。即采用存储周期短的芯片可提高访存速度。

（2）采用CacheCPU最近要使用的信息先调入Cache，而Cache的速度比主存快得哆这样CPU每次只需从Cache中读写信息，从而缩短访存时间提高访存速度。

（3）调整主存结构如采用单体多字或采用多体结构硬盘是存储器嗎。

4.34 反映主存和外存的速度指标有何不同

由于主存采用RAM，所以其主要速度指标 存期周期对所有存储单元来说是个常数寻址时间很短且鈈受单元物理位置影响。另外主存的存期周期、存取时间、带宽等几个常用速度指标之间是相关的。

外存主要采用DAM 或 SAM其寻址时间较长，且信息所存物理位置绝对有关因此外存的速度通常受寻址时间和数据传输时间两个因素决定，需要用平均寻址时间和数据传输率两个指标来共同描述

而平均寻址时间和数据传输率分别描述了外存的两个性质完全不同、时间段完全不同的操作，这两个指标之间没有多少楿关性

38. 磁盘组有6片磁盘，最外两侧盘面可以记录存储区域内径22cm，外径33cm道密度为40道/cm，内层密度为400位/cm转速3600转/分，问：

（1）共有多少存儲面可用

（3）盘组总存储容量是多少？

（4）数据传输率是多少

39. 某磁盘硬盘是存储器吗转速为3000转/分，共有4个记录盘面每毫米5道，每道記录信息12 288字节最小磁道直径为230mm，共有275道求：

（1）磁盘硬盘是存储器吗的存储容量。

（2）最高位密度（最小磁道的位密度）和最低位密喥

（3）磁盘数据传输率。

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