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1、计算机组成原理第七章习题,7.1.在计算机中，为什么要采用多级结构的存储器系统？它们的应用是建立在程序的什么特性之上的？,答：在现代的计算机系统中，通常总是采用由三种运行原理不同，性能差异很大的存储介质分别构建高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器，再将它们组成三级结构的统一管理、高度的一体化存储器系统。由高速缓冲存储器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；用虚拟存储器更大的存储空间，解决主存储器容量小，存不下更大程序与更多数据的难题。这种三级结构的存储器系统的运行原理，是建立在程序运行的局部性原理之上的。即在一小段时间内，运行的程序只使用少量的指令和少量的数据，而这少量的指
2、令和少量的数据往往又集中在存储器的一小片存储区域中，指令顺序执行比转移执行的比例要大，故可以按对所使用的指令和数据的急迫和频繁程度，将其存入容量、速度、价格不同的存储器中，从而取得更高的性能价格比。主要体现在时间、空间、指令执行顺序三个方面。,7.2多级结构的存储器是由哪三级存储器组成的？每一级存储器使用什么类型的存储器介质，这些介质的主要特性是什么？在多级结构的存储器系统中，何谓信息的一致性原则和包含性原则？,解：三级存储器由高速缓冲储存器，主存储器，虚拟存储器组成。使用的存储器介质：高速缓存SRAM、主存DRAM、虚存DISC。这些介质的主要特性：高速缓存块传送、主存以页传送、虚存以文件传
3、送；它们的速度依次降低，每位价格依次降低；它们的管理依次由硬件、OS、OS/用户；。一致性原则：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相同的值。包含性原则：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，即内层（更靠近CPU）存储器中的全部信息一定是各外层存储器中所存信息中一小部分的副本。,7.3比较DRAM和SRAM芯片的主要特性。,从所用的半导体生产工艺区分，存储器芯片又可以分为静态存储器和动态存储器两种类型。由于动态存储器集成度高，生产成本低，被广泛地用于实际要求更大容量的主存储器。静态存储器读写速度快，生产成本高，通常多
4、用其实现容量可以较小的高速缓冲存储器。两者不同之处主要再现如下表：,7.9设计用2732ROM芯片和6116RAM芯片组成16位字长的、由一个8K字ROM区(在前)和4k字RAM区(在后)的主存储器系统,要求能直接支持按字亦可按字节读写,并判断:支持对ROM区按字节读出实用意义大吗?,解：按字读大家一定理解和会做。支持字和字节，只要列一张真值表，输入为按字读的片选（比如2行为/CS1、/CS0）还要增加一位区分字和字节的信号（W/B），输出为（/CE3、/CE2、/CE1、/CE0）四片内存芯片的芯片允许，列出后得到的四个输出变量的表达式，再根据逻辑表达式画出逻辑电路，就是此能按字或字节读写的
5、系统。如果监控（MON）ROM中有按字节读出的数据表，那么ROM支持此方式就有意义。否则没有必要。,7.10为什么动态存储器会是破坏性读出？静态存储器又为什么读出操作不会破坏已存储的信息呢？什么是动态存储器的回写（预充电延迟）？它对存储器性能的影响是什么？,答：动态存储器的读操作过程时，当字线的高电平到来后，则T管导通，若电容中原存储有电荷（存储1信号），电容就要放电，则会使数据线的电位由高变低，使电容中原存储的电荷（存储1信号）丢失，这就是通常说的破坏性读出。为了保持电容器原记忆内容，必须在读操作之后立刻跟随一次写回操作，这被称为预充电延迟。在预充电延迟完成之前，是不能开始下一次的读操作的，
6、动态存储器的读写周期显然比它的数据读出时间长得多，也降低了存储器的运行速度。静态存储器是用触发器线路记忆与读写数据的，它是通过检查哪一条位线上出现一个负脉冲来判断状态，即区分读出来的信号是1或是0，而无需改变存储器的脉冲波纹，所以不会破坏已存储的信息.,7.12存储器读写操作时，地址信号、片选信号、读写命令、读出的数据或写入的数据，在时间配合上要满足些什么关系？,答：存储器读写操作时，地址信号、片选信号、读写命令、读出的数据或写入的数据，它们之间在时序配合要满足以下这些条件：有了稳定的地址与片选信号才可以读；有了稳定的地址和写入的数据，再有了片选信号才能再给出写命令，以便保证无误的写操作。此外
7、，这些信号应有一定的持续时间，以保证读写操作得以正常完成。,7.13在所用主存储器芯片已确定的情况下，还要进行大幅度提高主存储器系统的读写速度的办法是什么？,答：在所用主存储器芯片已确定的情况下，还要进行大幅度提高主存储器系统的读写速度的办法是采用成组传送数据的方式，该方式是指用于提高在数据总线上的数据输入/输出能力的一种技术。即通过地址总线传送一次地址后，能连续在数据总线上传送多个（一组）数据，而不像正常总线工作方式那样，每传送一次数据，总要用两段时间，即先送一次地址（地址时间），后送一次数据传送（数据时间）。在成组传送方式，为传送N个数据，就可以用N+1个总线时钟周期，而不再是用2N个总线
8、时钟周期，使总线上的数据入/出尖峰提高一倍。,7.14主存一体多字和多体交叉方案的优缺点各表现在什么地方？低位地址的多体交叉是何含义？优点何在？,主存一体多字的优点：是通过加宽每个主存单元的宽度，增加每个主存单元所包括的数据位数，使每个主存单元同时存储几个主存字，则每一次读操作就同时读出了几个主存字，使读出一个主存字的平均读出时间变为原来的几分之一。缺点是：每次读出的几个主存字必须首先保存在一个位数足够长的存储器中，等待通过数据总线分几次把他们传送走。多体交叉编址优点：是把主存储器分成几个能独立读写的、字长为一个主存字的主体，这样就可以按读写需要情况，分别对每个存储体执行读写；通过合理的组织方
9、式，使几个存储体协同运行，从而提供出比单个存储体更高的（几倍）读写速度。低位地址的多体交叉是把地址的几个主存字依次分配在不同的存储体中。因为程序运行的局部特征表明，程序运行过程中，在短时间内读写地址相邻的主存字的概率更大。在这种编址方式中，地址寄存器送到主存储器的地址的低几位，用于区分读写哪个存储体，其余高位部分送到每个存储体，用于区分读写每个存储体的哪一个存储字。,7.17简单说明硬磁盘机的组成，磁盘片上的信息组织方式和理论上可存储的信息总量的计算公式，并解释为什么格式化后的可用容量会比存储的总信息位小了许多。,答：硬磁盘驱动器的一般组成：主轴及其驱动系统、磁头及其定位系统、数据读写等控制逻
10、辑部分。磁盘片上的信息组织方式：在同一磁盘记录面上，信息被写在许多个同心圆上，每个同心圆为一个磁道，不同磁道用磁道号表示。磁道间的距离为道密度，它与磁头选择磁道的定位精度直接有关。对固定尺寸的盘片，磁道密度与磁盘片的总存储容量成正比。对多片结构的磁盘组，不同记录面上的同一磁道被叫做一个柱面。在同一磁道上，信息被组织为固定大小的区段，称为扇区。即把一个圆周等分成若干部分，每部分构成一个扇区，每个扇区的一个磁道，用于存储一定数目的二进制信息。扇区的一个磁道通常是磁盘进行读写的最小信息单位。不同扇区用扇区号表示。在一磁道上，只有一部分区域用于记录有用的信息；还有很多区域用于标记磁道的开始、结束、扇区
11、位置、磁道号等，以及用于保存数据校验与纠错处理的冗余信息，可能还有一些必要的间隙部分。对一个磁盘片，在使用之前要进行格式化操作，即在每个磁道上完成区域划分，写入各种标记信息，建立标明磁记录面使用情况的信息位图等。所以一个磁盘上的可用存储容量，是指磁盘完成格式化操作之后，留给用户实际可用的存储空间，比存储的总信息量小了许多。理论上可用存储信息总量=磁道数*扇区数*每扇区写留给用户实际可用的存储空间。,7.25为什么要采用磁盘阵列技术？何为逻辑盘，何为物理盘？作为一个逻辑盘使用的多个物理盘需要在转速和所用扇区等方面严格的同步吗？为什么？,答：使用统一管理的由多个磁盘组成的磁盘阵列，这一技术的着眼点
12、，是通过多个磁盘设备的并行操作来提高设备总体的性能和可靠性。如果一个磁盘有xMB的容量，单位时间提供y传送能力，则概念上讲，n个这样的磁盘就有n*xMB的容量，n*yMB的传送能力，即要读出yMB的数据，所用的平均时间只要原来单个磁盘所用时间的1/n；还有一点好处是通过合理地在多个磁盘之间组织数据，可以得到比较理想的容错能力，这指的是，额外拿出一定的存储容量，用于保存检错纠错的信息。在总体价格上，使用多个磁盘也不会给用户带来太大的经济负担。实际使用的多个磁盘就是物理盘。,7.25为什么要采用磁盘阵列技术？何为逻辑盘，何为物理盘？作为一个逻辑盘使用的多个物理盘需要在转速和所用扇区等方面严格的同步
13、吗？为什么？,为了统一管理磁盘阵列，使用户所感觉到的不再是多个物理盘，似乎就是一个性能更高的单个磁盘，就要使用一块特点的接口卡（RAID阵列控制卡），把组成阵列的多个物理磁盘连接为一个逻辑整体，这就是逻辑磁盘。作为一个逻辑盘使用的多个物理盘不需要在转速和所用扇区等方面严格同步。阵列磁盘运行 过程中，有以下两项重要技术。一个是并发命令请求和排队管理，并使多个命令得以并发处理；如果在处理命令的时候，还能进行某些性能优化，而不是机械地按命令到来的先后次序处理，还可以进一步提高数据读写的速度。最简单的例子，对两个等待操作的命令，磁头先到达哪一个命令的数据扇区，就先执行哪一个命令，这在磁盘本身的控制器部
14、分来处理可能更方便。另外一项技术是设备的快速接入和断开，即当一个占据了总线的磁盘开始执行一个读命令，数据又尚未准备好时，它应快速地暂时把自己从总线上分离出来，以便使另外正急于使用总线的磁盘可能抢到总线，从而提高总线的使用效率和系统性能，当这个磁盘准备好数据时，应保证它能把自己尽快地接通到总线上去。这实质是把占用总线的时间压缩到尽可能短的一项处理技术。,7.28阵列磁盘应用什么类型的接口卡？该卡上大体有些什么组成部件？阵列盘中的RAID1，RAID1，RAID4和RAID5指的是什么类型的容错处理？,RAID4模式，是为N个存储数据的磁盘分配另外一个专用于存储奇偶校验信息的磁盘，它仍以数据散放为
15、基础，但在把文件数据分块写进多个数据磁盘的同时，对这些数据中相应的几位求出它们的奇偶校验值，最终形成一个由奇偶校验值组成的信息块，并将其写入专用于存储奇偶校验信息的磁盘，这被称为数据保护。好处是提供了容错能力，缺点是比较费时，受奇偶磁盘的制约，不支持多个数据磁盘的并行写操作。RAID5模式，是对RAID4的改进。不再区分N个存储数据的磁盘和另外一个专用的奇偶校验磁盘，它是把N+1个磁盘同等对待，都用于存放数据和奇偶校验信息，在同一物理盘中，数据和奇偶校验信息是以不同扇区的形式体现出来的，这被称为分布式数据保护。它也提供了容错能力，而且可能可以对多个磁盘执行并行的写操作。,7.28阵列磁盘应用什
16、么类型的接口卡？该卡上大体有些什么组成部件？阵列盘中的RAID1，RAID1，RAID4和RAID5指的是什么类型的容错处理？,答：阵列磁盘应用RAID阵列控制卡，该卡的一端将被插接到高速的SCSI总线或PCI总线的插槽中，以便与计算机主机接通；另外一端有13个接插头，通过电缆与13组磁盘设备连接，每组可有串行连接在一起的17物理磁盘。该卡是一个有较强智能处理能力的接口卡，上面有一个单片计算机，形成奇偶校验信息的机构，分析与处理主机CPU发送来的读写磁盘命令的机构；有起缓冲作用的DRAM存储器等几个组成部分。系统能通过该卡对连接到卡上的多个磁盘，按用户的使用要求，灵活地配置为不同的使用和容错方
17、式。RAID0模式，是指把一个文件的数据分成容量相等的块，把每一块交替地分别写到不同的物理磁盘的几个扇区中去，这种处理叫数据散放。提高了数据输入/输出的吞吐率，但没有容错能力。RAID1模式，是实现两个磁盘互为备份的用法，即把相同的数据分别写到这样配对使用的两个磁盘中去，这叫做磁盘镜像。最大好处是数据被同时保存在两个磁盘中，若其中任何一个磁盘出现故障，可以从另一个磁盘中读出数据。不足之处是磁盘总存储容量的有效利用率只有50%。,7.33说明影响高速缓存命中率的因素都有哪一些，并简单解释一下的如何影响的。,答：影响cache命中率的因素有以下几点：1.cache的容量：更大一点的cache容量，
18、对提高命中率是有好处的，而容量达到一定大小之后，再增加其容量，对命中率的提高并不明显。2.cache line size(每次与内存交换信息的单位量)：由cache在命中的情况下，可以在0等待状态快速向CPU提供指令和数据，而一旦不命中，CPU就必须到主存去取信息，会增加几个等待状态。所以为减少访问内存的次数，可通过每次到内存取信息时，不是以一个字为单位，而是以几个字在主存与cache之间实现信息传送。Cache line size太大，会拖慢本次完成传送的进度，还可能出现cache中这多信息并不被CPU使用，造成费时费资源。3.多级的cache结构：在已有cache存储器系统之外，再增加一个
19、容量更大的cache。此时第一级cache中保存的信息第二级cache也保存，CPU访问第一级cache出现缺失时，就去访问第二级cache。若两个cache命中率为90%，两个合起来的命中率为99%，所以不可再增加第三级cache。4.不同映像方式：全相联映象方式很难实用，直接映像方式命中率略低，多路组相联映像方式性能/价格比更好。,7.37说明段表的组成与逻辑段地址到内存物理地址的变换。,答：段表也是一个特定的段，通常被保存在主存中。段表由多个入口（表项）组成，每个表项由3部分内容构成：段起始地址，段的长度，段的装入位。段起始地址给出的是本段在主存中的起始地址，该起始地址加上段内地址就得到
20、本段的一个字在主存中的真正地址。段的长度用于主存使用的合法性检查，当出现段内地址超过段的长度时，就是主存使用中的一个地址越界错误。段的装入位用于判断本段是否已装入主存。地址转换过程，从概念上讲可以用如下办法完成：把逻辑地址中的段号取来与段表基地址的内容相加，用相加之和作地址，找到段表的一个表项，检查该表项中的装入位，其内容为1，表示该段已调入主存，从表项中取段的起始地址与逻辑地址中的段内地址相加，就得到一个数据在主存中的实际地址。若表项的装入位的值为0，表示该段尚未调入主存，则操作系统负责首先把该段从磁盘装入主存，并相应修改段表中的该表项内容，之后才可以完成地址转换过程。,7.39说明页表的组
21、成与程序逻辑地址到内存物理地址的变换过程。快表是一定要有的吗？说明快表内容的组成与读写原理。,答：页表由若干表项组成，每个虚页号对应页表中的一个表项，表项的内容可以由如下一些部分组成：最重要的是一个虚页被分配在主存中的实际页号，还可能包括页装入（有效）位，修改标记位，替换控制位，其他保护位等组成的控制位字段。地址变换过程：用虚地址中的虚页号与页表基地址相加，求出对应该虚页的页表表项在主存中的实际地址，从该表项的实页号字段取出实页号再拼上虚地址中的页内地址，就得到读主存数据用的实际地址。为了解决当要读页内的某个存储单元时，需读两次主存才能取得要读的数据的问题（读两次主存过程：首先要读一次主存，通过查页表求出实存地址，然后再读一次主存），设立一个完全用快速硬件实现的容量很小的快速页表，又叫做转换旁路缓冲器，用于存放在页表中使用最频繁的、为数不多的那些表项的内容。快表主要有虚页号和实页号两项内容。经快表实现的地址转换过程：用虚地址中的虚页号去与快表中虚页号字段的内容相比较，与哪个表项中的虚页号相同，则可以取出该表项中的实页号，并与页内地址拼接出主存实际地址。这一过程可以很快完成，类似于高速缓冲存储器的运行原理。当在快表中找不到该虚页号时，就要到主存中经慢表找出该虚页号对应的实页号，在得到一个主存实际地址的同时，并用该虚页号和实页号替换快表的一个表项的内容，以反映这次操作的形势。,
