计算机组成原理（第四版）课后（第2章）清华大学出版社

计算机组成原理教程第二章习题选解2.1说明存储器的存取时间与存取周期之间的联系与区别。解:

(参见P62)存取时间TA是指存储器从接收到CPU发来的读写有关信号开始，到读出/写入数据所需的时间。而存取周期TW是指连续两次读写存储器所需的最小时间间隔。存取时间和存取周期都是反映存储器存取速度的指标，存取周期大于存取时间。在存储器进行读写操作时，由于存储元件本身的性能，做完一次存或取之后，不能马上进行另外的存或取，需要一段稳定和恢复时间。存取周期就是存取时间加上存储单元的恢复稳定时间。2.2存储器的带宽有何物理意义?存储器总线宽度为32位，存取周期为250nS,这个存储器带宽是多少?解：存储器的带宽是指每秒钟访问的二进制位的数目。其物理意义是一个以存储器为中心的机器可以获取

的信息传输速度。若存储周期为250ns，则工作速度=1/250ns,所以，存储器带宽=工作速度×总线宽度=1/250ns*32bit=1/250X10-9

×

32

bps

=32X109

/250

bps=128X106

bps

=128M

bpsROM与RAM两者的差别是什么?解：ROM、RAM都是主存储器的一部分，但它们有很多差别：RAM是随机存取存储器，ROM是只读存取存储器；RAM是易失性的，一旦掉电，则所有信息全部丢失；ROM是非易失性的，其信息可以长期保存，常用于存放一些固定用的数据和程序，比如计算机的自检程序CMOS、BIOS、汉字库等。指出下列存储器哪些是易失性的?

哪些是非易失性的?

哪些是读出破坏性的?

哪些是非读出破坏性的?

动态RAM，静态取RAM，ROM，Cache，磁盘，光盘。解:动态RAM、静态RAM、Cache是易失性的，

ROM、磁盘、光盘是非易失性的。动态RAM是读出破坏性的，其余均为非读出破坏性的。2.5术语：存储元、存储单元、存储体、存储单元地址，有何联系和区别？存储元：存储一位二进制信息的基本单元电路。

存储单元：由若干存储元组成。一台机器的所有存储单元长度相同，一般由8的整数倍个存储元构成。存储体：是存储单元的集合，它由许多存储单元组成，用来存储大量的数据和程序。存储器单元地址：计算机在存取数据时，以存储单元为单位进行存取。为区别不同单元，给每个存储单元赋予地址，每个存储单元都有一条唯一的字线与存储单元地址编码对应。2.6下面关于存储器的描述，请选则正确的叙述。

(1)CPU访问存储器的时间是由存储体的容量决定的，存储容量越大，访问存储器所需的时间就越长；(2)因为动态存储器是破坏性读出，必须不断地刷新；

(3)随机半导体存储器(RAM)中的任何一个单元都可以访问；固定存储器(ROM)中的任何一个单元不能随机访问.一般情况下，ROM和RAM在存储体中是统一编址的.由于半导体存储器加电后才能存储数据，断电后数据就丢失了，因此，用EPROM做的存储器，加

电后必须重写原来的内容。解：(1)F。主存是随机存储器，CPU访问任何单元的时间都是相同的，同容量的大小没有关系。F。刷新不仅仅是因为存储器是破坏性读出，

还在于动态存储器在存储数据时，存储器不做任

何操作时，电荷也会泄漏，为保证数据的正确性，必须使数据周期性地再生，即刷新。T。F。ROM只是把信息固定地存放在存储器中，而访问存储器仍然是随机的。T。在计算机设计中，往往把RAM和ROM的整体作主存，因此，RAM和ROM一般是统一编址的。

(6)F。EPROM是只读存储器，与半导体随机存储器制作工艺不同，不会因掉电丢失数据。2.7某计算机系统字长为32位，主存以字节编址，试画出存储器中字地址和字节地址的分配情况。解：存储器中字地址和字节地址的分配情况如下图所示0000010202字节编址04字编址0103052.8

设计一个用64K

x

1位的芯片构成256K

x

16位的存储器，画出组织结构图。解:要用64K

x

l的芯片构造256K

x

l6位的存储器，需要字、位同时扩展，共需芯片256/64

x

16/1=64(片)；主存容量为256KB=218B，即共需地址线

18根，可用其中A0～A15

16根接到芯片组，余下两根A16、A17

接到片选译码器。组织结构图:DA15.A1464K×1A0DDDDDDD..A0…A15D.A1416片64K×1A0DDDDDDA15AD14..…A地址总线4D15D1D03

D2D5

D…数据总线DA15D.A1416片64K×1A0DDDDDDA15AD14..0…AA15D.A1416片64K×1A0D0DDDDDA15AD14..16片0A15A14…A片选译码A16A172.9

2114是排列成64

x

64阵列的六管存储芯片，试问组成4K

x

l6位的存储器，共需少片2114?画出逻辑框图。解：Intel

2114芯片一片的容量为1Kx4位，要组成4KXl6位的存储器，需要2114芯片4K/l

x

l6/4=16（片）。片内地址需要10根地址线，用A0～A9，片选需要

2位地址线，用A10～A11。组织结构图：1Kx4CSD15D1D03

D2…D14数据总线D1Kx4CSA0A1…A9A0A1…A91Kx4CSA0A1…A91Kx4CSA0A1地址总线…A9片选译码A11A102.10在2.9题中，如果存储器以字节编址，CPU用一根控制线指明所寻址的是字还是字节，试设计这根控制线的连接方法。解：若以字节编址，则存储容量增加了1倍，因此需要增加一根地址线A12。另外每一芯片上除了有片选端CS外，还须有一个字/字节选择端WB。接线示意图：1Kx4CS

WB地址总线D15D1D03

D2…D14数据总线D1Kx4CS

WBA0A1…A9A0A1…A91Kx4CS

WBA0A1…A91Kx4CS

WBA0A1…A9片选译码A11A10WB2.11设某机采用1Kx4位的动态RAM芯片（片内是64x64结构)组成的16Kx8位的存储器。请回答：(1)设计该存储器共需几片RAM芯片?

(2)画出存储体组成框图?解：(1)存储器共需16/1

x

8/4＝32片(2)存储器组成框图（略）。2.12已知某8位机的主存采用半导体存储器，其地址码为18位，若使用4Kx4位的静态RAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模板块结构，问：(1)若每个模板块为32KX8位，共需几个模板块?

(2)每个模板内共有多少片RAM芯片?(3)主存共需多少RAM芯片?CPU如何选择各模板?解：该机的地址码为18b，字长8b，故该机的主存容量为218X8b＝28

X

210

X

8

b＝

256KB，(1)若每个模板块为32K

X

8b，则需要256K/32K＝8(块)。(2)每个模板块需要32/4X8/4＝8X2=16片。

(3)主存共需16X8=128片。CPU可用3位地址码选择8个模板块。2.13某计算机的存储容量是64KB，若按字节寻址，则寻址的范围为(1)，需要地址线(2)根，数据线(3)根；若字长为32位,按字编址,寻址的范围

(4)。(1)A．64KB．32KC．16KD．8K(2)A．64B．16C．8D．6(3)A．32B．16C

．8D．4(4)A．64KB．32KC．16KD．8K解：(1)A。计算机的存储容量为64KB，按字节寻址，其范围就是主存的容量。(2)B。64KB需要216个状态来表示，即需16根地址线.

(3)C。按字节寻址，每个数据的长度为8位，因此需要8根数据线。(4)C。字长32位，按字寻址，每个数据的长度为32位=4B，主存的总容量为64KB，则共有单元个数为64K/4＝16K。到如下的逻辑式：2.14某存储器容量4K，其中ROM

2KB，选用EPROM2Kx8/片，RAM

2KB，选用芯片RAM

1Kx8/片；地址线A11~A0。写出全部片选信号的逻辑式。解：根据要求ROM的容量为2KB，故只需1片EPROM而RAM的容量为2KB，RAM芯片容量为1KB，故需

2片。对于ROM片内地址为11位，用地址线的

A10~

A0

这11根地址线，RAM片地址为10位，用地址线的A9~A0这10根地址线。主存中有3片芯片，至少需要2位地址信号加以区别，按其总容量需要

12根地址线，可以考虑用1根地址线A11作为区别。EPROM和RAM的片选信号，对于2片RAM芯片可利用A10来区别其片选信号。设EPROM的片选信号为

CS0，两片RAM的片选信号为CS1,CS2，由此可得CS0

=A10CS1

=A10

A11，CS2

=A10

A11地址总线数据总线控制总线CPUA11A10A0~9D0~7RDA0~9,

10ROM2K×8位D0~7A0~9A0~9CS0R1K×8位R/WD0~71K×8位R/WD0~7CS1CS22.15请画出八体交叉主存系统中的编址方式。解：在多体交叉主存系统中可以采用两种编址方式——低位交叉和高位交叉。低位交叉编址:08..8n-8M0

M119..8n-7M2

M3

M4

M5

M6

M723456710.11.12.13.14.15.......8n-68n-58n-48n-38n-28n-102..n-1M0

M1n

n+1..2n-1M2M3M4M5M6M72n3n4n5n6n7n2n+13n+14n+15n+16n+17n+1............3n-14n-15n-16n-17n-18n-1高位交叉编址:2.16

在八体交叉主存系统中，若每体并行读出两个字，每字长两个字节，主存周期为T，求该存储器的最大带宽。解：存储器带宽是指单位时间内能读出的二进制位数。若每体能并行读出2个字，八体交叉存储器在1个周期内最多可读出16个字，每个字长为2个字节，即16bit，则此存储器的带宽＝16X16bit/T＝256bit/T。2.17欲将10011101写入磁表面存储器中：分别画出归零制、不归零制和调频制的写入电流波形。改进不归零制(NRZl)的记录原则是见“1”就翻。即当记录“1”时写电流要改变方向；记录“0”时不改变方向。画出它的电流波。改进调频制(MFM)与调频制方式区别在于：FM在信息元交界处写电流总要改变一次方向；而

MFM仅当连续记录两个“0”时，信息交界处翻转一次；其他情况不翻转。画出MFM的写电流波形。解：各种不同方式写入电流的波形图如图所1

0

0

1

1

0

1示。归零制不归零制调相制调频制改进不归零制1001101改进调频制2.18

对活动头磁盘来讲，磁盘地址是由

、

和

组成的，每个区存储一个

。沿盘半径方向的磁道数称为

，而磁道单位长度上记录的二进制代码的位数称为

，两者总称为

。解：记录面号(磁头号)、磁道号(柱面号)、扇区号、记录块、道密度、位密度、存储密度。2.19某磁盘组有4个盘片，5个记录面。每个记录面的内

磁道直径为22cm，外磁道直径为33cm，最大位密度为

1600位/cm，道密度为80道／cm，转速为3600r/min。求：(1)磁盘组的总存储容量是多少位(非格式化容量)?

(2)最大数据传输率是每秒多少字节?(3)请提供一个表示磁盘信息地址的方案。解：(1)总容量＝每面容量X记录面数每面容量＝某一磁道容量X磁道数某磁道容量=磁道长X本道位密度，在本题中给出了最大位密度，即最内磁道的密度，并给出了内径，因此可计算出最内磁道的容量＝1600位/cmX22cmX3.14=110528B/道磁道数=排列磁道的半径长X道密度＝(33-22)cm/2X80道/cm=400道最后得该磁盘组的容量＝110528B/道X400道X5＝221056000B最大数据传输率=转速X某柱面的容量=3600r/60s

X

5

X某磁道容量=331586400B/s磁盘地址可参照32题，由磁盘面、柱面号、扇区号构成，扇区中又以数据块进行组织。由上述计算看出：盘面有5个，需3位，柱面有400个，需9位，扇区一般为9个，需要4位址，磁盘地址共由18位二进制构成。2.20某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录面，每毫米5道，每道记录信息为12288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道。请回答：(1)该磁盘存储器的容量是多少?

(2)磁盘数据传输率是多少?(3)平均等待时间是多少?解：磁盘容量＝4X12288B/道X275道＝13516800B传输率=3000转/60sXl2288＝614400B/s平均等待时间＝1/2

X

1/转速＝1/2

X

60/3000＝

0.01s＝10

ms2.21已知某软盘及驱动器的规格为单面，77道，4条控制磁道，73条数据磁道，每磁道26个扇区，

128B/扇区，转速为360r/min，平均旋转等待时间：83ms，平均查找时间为17ms，数据传输率

为256Kbit/s。问：(1)

一张软盘的数据存储容量约为

(1)

字节；(2)若把平均访问时间定为“平均查找时间+平均等待时间+1个扇区数据的传送时间”，则此软盘每个扇区的平均访问时间是

(2)

ms。可供选择的答案：A.128KE.512KA.100B.237K

C．250K

D.47KB.104

C．128

D.600E.612解：(1)B (2)B因为：数据的存储容量=数据磁道数X每磁道扇区数X每扇区的字节数＝73X26X128/1024＝237K对每个扇区的平均访问时间＝平均查找时间+平均等待时间+1个扇区数据的传送时间。前两个已在题中给出，只需计算1个扇区数据的传送时间。在题目中已知数据传输率是256Kbit/s，一个扇区有128B，即128X8bit，则一个扇区数据传送时间=128X8/256X1024=0.0039s＝3.9ms≈4ms，每个扇区的平均访问时间＝83+17+4＝104ms。2.22某磁盘存储器的转速为3000r/min，共4个盘面，道密度5道/英寸，每道记录信息为12288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道。求：(1)该磁盘存储器的容量?

(2)最高位密度和最低位密度?(3)磁盘的数据传输率?解：(1)磁盘容量＝275道X12288B/道X4

=3516800B最高位密度=12288B/道/最短磁道长度=12288B/道/(3.14X230mm/道)=17B/m最低位密度=12288B/道/最长磁道长度=12288B/道/(3.14X(275X25.4/5-230/2))mm/道=3.11B/mm(4)数据传输率=12288B=道X3000r/60s

=614400B/sIBMPC/XT采用的5.25英寸双面磁盘，每面40磁道，每道9扇区，每扇区存储512个字节。试求其格式化容量。解：格式化容量=2X40X9X512=368640B=360KB

、

和

组成三级存储系统，分级的目的是为了

。解：Cache、主存储器、虚拟存储器、提高存储器的性能价格比。存储系统的层次结构可以解决什么问题？实现存储器层次结构的先决条件是什么？用什么度量？解：存储器层次结构可以提高计算机存储系统的性能价格比。即在速度方面接近最高级的存储器，在容量和价格方面接近最低级的存储器。实现存储器层次结构的先决条件是程序对存储器访2.26在虚拟存储器中，术语物理空间和逻辑空间有何联系和区别?解：物理空间：实际地址对应的空间，也称“实存空间”；逻辑空间：程序员编程时可用的虚地址对应的地址空间，也称“虚存空间”。一般情况下，逻辑空间远远大于物理空间。物理空间是在运行程序时，计算机能提供的真正的主存空间；逻辑空间则是用户编程时可以运用的虚拟空间，程序运行时，必须把逻辑空间映射到物理空间。2.27已知某程序中一条指令的逻辑地址为01FEOH，该系统使用页式虚拟存储器，页面大小1KB，该程序的页表起始地址为0011B；下列内存单元末4位

的内容如表1.3.2所示。请指出该指令的实地址码。表2.5

内存单元末4位的内容地址末4位的内容007H0001300H0011307H1100解:在页式存储器管理中，为每个程序建立一张页表，记录虚页在主存中对应的实页号。程序中给出的地址是虚地址，要转换成实地址，必须通过查找该程序对应的页表，方可知对应的实页号。具体的转换过程如下：虚地址=01FE0H=0001

1111

11100

000B，页面大小为1K，故页内地址为10位，虚地址的低10位为页内地址＝1111100000，虚地址的剩余位则为虚页号，其页表地址为页表起始地址与虚页号的连接=001100000111＝307H，在内存单元307H中存放

的字节中，后4位就是对应的实页号，这条指令对应的实地址就是实页号与页内地址的连接＝11001111100000=33E0H。2.28

设主存储器容量为4MB，虚拟存储器容量为1GB(109B)，则虚拟地址和物理地址各为多少位?根据寻址方式计算出来的有效地址是虚拟地址还是物理地址?解：虚拟存储容量=1GB=230B，因此虚地址需要

30位；主存容量＝4MB＝22X220B，因此实地址需要22位。程序中寻址方式计算出的有效地址是虚地址。假设可供用户程序使用的主存容量为100KB，而某用户的程序和数据所占的主存容量超过

100KB，但小于逻辑地址所表示的范围，请问具有虚拟存储器与不具有虚拟存储器对用户有何影响?解：如果无虚拟存储器，用户就要对程序进行准确分段，并要考虑哪段存放在主存，哪段放在辅存，何时从辅存调入主存，何时从主存调入辅存，主

存空间如何分配，地址如何编写等，用户编程负

担很重。如有虚拟存储器，用户就可不考虑上述

问题，编程任务变得简化。在上题中，如果页面大小为4KB，页表长度为多少?解：若页面大小为4KB，则主存容量100KB便可分为25页，页表长度应当有25个字。2.31从下列有关存储器的描述中选出正确的答案。

(1)多体交叉存储器主要解决扩充容量问题。

(2)在计算机中，存储器是数据传送的中心，但访问存储器的请求是由CPU或I/O发的。在CPU中通常都设置若干个寄存器，这些寄存器与主存统一编址。访问这些寄存器的指令格式与访问存储器是相同的。Cache与主存统一编址，即主存空间的某一部分属于Cache。机器刚加电时，Cache无内容，在程序运行过程中CPU初次访问存储器某单元时，信息由存储器向CPU传送的同时传送到Cache；当再次访问该单元时即可从Cache取得信息(假设没有被替换)。在虚拟存储器中，辅助存储器与主存储器以相同的方式工作，因此允许程序员用比主存空间大得多的辅存空间编程。Cache的功能全由硬件实现。在虚拟存储器中，逻辑地址转换成物理地址是由硬件实现的，仅在页面失效时才由操作系统将被访问页面从辅存调到主存，必要时还要先把被淘汰的页面内容写入辅存。内存与外存都能直接向CPU提供数据。解：(2)、(5)、(7)正确，其余是错误的。(1)多体交叉存储主要是为了提高存取速度，增加存储器带宽。(3)机器中的寄存器常常是独立编址的，因此访问寄存器的指令格式与访问存储器的指令格式不同。(4)Cache是单独编址的，它不是主存的一部分，比主存的存取速度要快一个数量级。(6)在虚拟存储器中，之所以允许程序员用比主存空间大得多的辅助空间编程，并不是因为辅助存储器与主存的工作方式相同，而是因为在主存与辅存之间加了一级存储管理机制，由机器自动进行主辅存信息的调度。(8)在虚拟存储器中，主要通过存储管理软件来进行虚实地址的转换。(9)外存不能直接向CPU提供数据，CPU需要数据时，向主存发出请求，若主存中无此数据，由存储管理软件从辅存中调入，然后再提供给CPU。2.32

使用高速缓冲存储器是为了解决

问题，存储管理主要由

实现。使用虚拟存储器是为了解决

问题，存储管理主要由

实现。后者在执行程序时，必须把映射到主存储器的

空间上，这个过程称