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：0123…………65465534655327…………6553565533字地址HB—————字节地址—————LB048……6552865532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0~64K-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：特性SRAMDRAM存储信息触发器电容破坏性读出非是需要刷新不要需要送行列地址同时送分两次送运行速度快慢集成度低高发热量大小存储成本高低功耗高低可靠性高低可用性使用方便不方便适用场合高速小容量存储器大容量主存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2410组逻辑图如下：（位扩展）1K×4SRAM1K×4SRAMA9~0WECSiD7D6D5D4D3D2D1D01K×8页面逻辑框图：（字扩展）1K×8（组0）1K×8（组1）1K×8（组2）1K×8（组15）………………组译码器4:16A9~0D7~0A10A11A12A1316K×8G0CS2CS1CS15CSCEiWE存储器逻辑框图：（字扩展）WE16K×8（页面0）16K×8（页面1）16K×8（页面2）16K×8（页面3）页面译码器2:4A14A15A13~0D7~00CS2CS1CS3CSWE13.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：板地址片地址片内地址33121715141211015.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，4096~16383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）……0~40954096~81918192~1228712288~16383……65535Y0Y1Y2Y3………A15=1A15=0（2）选片：ROM：4K×4位：2片；RAM：4K×8位：3片；（3）CPU和存储器连接逻辑图及片选逻辑：4K×4ROM74138（3：8）4K×4ROM4K×8RAM4K×8RAM4K×8RAMG1+5VMREQA15A14A13A12CPUA11~0R/WD3~0D7~4G2AG2BCS0CS1CS2CS3CBAY0Y1Y2Y3讨论：1）选片：当采用字扩展和位扩展所用芯片一样多时，选位扩展。理由：字扩展需设计片选译码，较麻烦，而位扩展只需将数据线按位引出即可。本题如选用2K×8ROM，则RAM也应选2K×8的。否则片选要采用二级译码，实现较麻烦。当需要RAM、ROM等多种芯片混用时，应尽量选容量等外特性较为一致的芯片，以便于简化连线。2）应尽可能的避免使用二级译码，以使设计简练。但要注意在需要二级译码时如果不使用，会使选片产生二意性。3）片选译码器的各输出所选的存储区域是一样大的，因此所选芯片的字容量应一致，如不一致时就要考虑二级译码。4）其它常见错误：EPROM的PD端接地；（PD为功率下降控制端，当输入为高时，进入功率下降状态。因此PD端的合理接法是与片选端CS并联。）ROM连读/写控制线WE；（ROM无读/写控制端）注：该题缺少“系统程序工作区”条件。16.CPU