发布时间 : 星期日 文章《计算机组成原理》课后题答案 清华大学出版 秦磊华 吴非··更新完毕开始阅读
据的最低字节。
RAID：廉价冗余磁盘阵列RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk）或独立冗余磁盘
阵列RAID(Redundant Array of Independent Disk)，简称磁盘阵列，它将多块独立的普通磁盘按照一定的方式组织与管理，构成一个大容量、高速度、高容错的存储系统。
寻道时间：将磁头定位到指定磁道上所需的时间。
旋转时间：磁头定位到指定磁道后至指定的记录移到磁头下的时间。
4.2 回答下列问题:
1)计算机系统中采用层次化存储体系结构的目的是什么? 层次化存储体系结构如何构成? 答：采用层次化存储体系的目的包括两方面:其一是解决快速的CPU和慢速的主存之间的速度差异;其二是解决主存容量不够大的问题.
存储系统的分级结构由Cache、主存和辅助存储器三级结构构成。
其理论基础是时间局部性原理和空间局部性原理，Cache—主存存储层次解决了主存速度不快的问题；而主存-辅存存储层次解决了主存容量不足的问题。 2)为什么在存储器芯片中设置片选输入端？ 答：由于存储芯片的容量及字长与目标存储器的容量及字长之间可能存在差异，应用存储芯片组织一定容量与字长的存储器时，一般可采用位扩展、字扩展、字位同时扩展等方法来组织。这样就会使用多个存储芯片，从而要设置片选输入端来选择正确的存储芯片来进行操作。 3)动态MOS存储器为什么要刷新？如何刷新？
答：动态存储单元中，信息以电荷形式存储在T1或T2管的栅极电容中。由于电容容量小，所存电荷会在一段时间后逐渐泄漏(一般为ms级)，为使所存信息能长期保存，需要在电容电荷泄露完之前定时地补充电荷，这一过程称为刷新。 刷新的方法：
①刷新方式：集中刷新、分散刷新和异步刷新。前者存在CPU死时间；分散刷新由于刷新次数过多，降低了存储器的速度；异步刷新是前两者的折中。
②刷新按行进行,因此设计刷新电路时需要知道动态存储器的内部行、列结构。 ③刷新地址由刷新地址计数提供。 4)试述多体交叉存储器的设计思想和实现方法。
答：多体交叉存储器由多个存储模块构成，这些模块的容量和存取速度相同，具有各自独立的地址寄存器、地址译码器、驱动电路和读写控制电路。根据对多各模块编址方式的不同，又可分为高位多体交叉和低位多体交叉两种方式。
(1)高位交叉：按存储器地址的高位地址划分模块，同一存储体内的地址是连续的。当多个目标同时访问存储器时(如CPU和DMA设备同时访问存储器)，如果访问的地方范围处于不同的存储芯片，则提供并行访问。
(2)低位交叉：按存储器地址的低位地址划分模块，同一存储体内的地址不相邻，相邻地址处在不同存储体中。CPU可同时启动多个存储体，并进行并行访问。 5)为什么说Cache对程序员是透明的? 答：因为在程序员看来，数据是在内存和辅存之间进行交换的，程序员感觉不到中间层cache 的存在。
6)直接映射方式下为什么不需要使用替换算法?
答：因为在直接映射方式中，一个内存块只能固定的映射到cache中的特定行，当有新的主存块调入时, cache特定行中的内容必须调出,因此不需要替换算法去选择替换掉哪一块。 7)为什么要考虑Cache的一致性?
答：正常情况下,cache中的数据是主存数据的副本,当两者不一致时可能导致程序结果不正确,因此,必须考虑并设法保证Cache的一致性。 8)替换算法有哪几种?各有何优缺点? 答：① 先进先出算法(FIFO)
基本思想：按照数据块进入Cache的先后决定替换的顺序，即在需要进行替换时，选择最先 被调入Cache中的块作为替换块。这种方法要求为每块记录它们进入Cache的先 后次序。
优点：FIFO算法系统开销较小。
缺点：是不考虑程序访问的局部性，可能会把一些需要经常使用的块（如循环程序块）也作 为最早进入Cache的块而替换掉，因此，可能导致Cache的命中率不高。 ② 近期最少使用(LRU)算法
基本思想：将近期内长久未被访问过的行换出。为此，每行设置一个计数器，cache每命中
一次，命中行计数器清零，其它各行计数器增1，因此它是未访问次数计数器。当需要替换时，比较各特定行的计数值，将计数值最大的行换出。 优点：这种算法显然保护了刚调入Cache的新数据，符合cache工作原理，因而使cache有较高 的命中率。LRU算法硬件实现简单 ③ 最不经常使用(LFU)算法
基本思想：将一段时间内被访次数最少的那行数据换出。为此，每行设置一个计数器，新新 调入行的数据从0开始计数，每访问一次被访行的计数器增1。当需要替换时，对 这些特定行的计数值进行比较，将计数值最小的行换出。
缺点：一段期间访问情况不能严格反映近期访问情况。例如特定行中的A、B两行，A行在
期间的前期多次被访问而后期未被访问，但累积计数值很大，B行是前期不常用而后期却正被频繁访问，但可能由于累积计数小于A行而被LFU算法换出了。 ④ 随机替换算法
基本思想：需要进行替换时，从特定的行位置中随机地选取一行进行替换。 优点：硬件实现最容易，而且速度也比前几种策略快。
缺点：随意换出的数据很可能马上又要用，从而降低命中率和cache工作效率。但这个负面
效应随着cache容量增大会减少，模拟研究表明随机替换策略的功效只是稍逊于LFU和LRU。 9)不同RAID级各有哪些技术特点? 答：RAID0具有如下技术特点：
① 无数据冗余、无数据校验功能，因此它不具备数据的容错能力，数据的可靠性不高； ② 从RAID0的数据分布看，其本质上是多磁盘体交叉存储(类似于主存的多体交叉存储)，多个磁盘可并行工作，存储系统的访问速度高。 ③ 条带的大小影响RAI0的性能与应用
a)条带大小对数据传输率的影响:小条带可将数据分配到更多的磁盘上，通过更多磁盘的并
行工作可提高存储系统的数据传输率。
b)条带对I/O请求响应速度的影响:在面向事物处理的应用中，可能同时存在上百个I/O
请求。此时，用户对I/O请求的响应时间比较关注。通过选者小而适中的条带，使得一次事务请求所传送的数据刚好集中在一个条带中，就能大大减少每个I/O请求的响应时间。
④ 磁盘利用率高，由于RAID 0中没有冗于数据，所有的磁盘存储空间都可保存工作数据。RAID0主要应用于对访问速度要求高，但对数据的可靠性要求不高的场合。
RAID 1具有如下技术特点：
① 每个磁盘都有一个镜象磁盘，图4.60中备份磁盘i就是磁盘i的备份盘；
② 读请求时，可由包含该数据的两个磁盘中的任一个提供；写请求时，需同时更新两个磁盘中相应的数据块；
③ 当一个磁盘被损坏时，数据仍可从另一磁盘获取。因此具有很高的安全性； ④ 存储系统中磁盘的利用率只有50%； ⑤ 无数据校验功能；
⑥ 对大批读请求来说，RAID 1可以从对应的盘中并行读出。但对于写，其效率并不高。 由于RAID1的读性能优于写性能，因此，RAID1主要应用于对数据的可用性要求高，且读操作所占比重较高的场合。 RAID2具有如下技术特点：
① 条带容量小，按位交叉存储，因此每个I/O请求都会访问到多个磁盘，导致I/O响应速度慢；
② 每个I/O请求都会访问到多个磁盘；对于单个读，所有磁盘同时读取，数据和相应的纠错码被送至控制器，若出现一位错，则由控制器立即识别并纠正。对于单个写，所有数据盘和校验盘都要进行写操作；
③ 采用海明校验，具有纠错和检错功能，数据的可靠性高；但控制复杂； ④ 冗余存放校验位，其数量与使用的数据盘的数量成正比；
⑤ 由于按位存取，在I/O过程中所有磁盘上的磁头在任何时刻都处于同一位置，具有空间并行处理能力，数据传输率高。
受成本的影响，目前RAID2很少被使用。 RAID 3的技术特点与RAID2类似,不同点主要有两方面，其一是采用奇偶校验而不是海明校验，其二是校验盘只有一个，磁盘的利用率高。 RAID4的技术特点如下：
① 采用大条带区，I/O请求响应速度快，但数据传输率不高； ② 采用奇偶校验技术； ③ 各盘采用独立存取技术； ④ 磁盘利用率高；
⑤ 校验盘成为写访问的瓶颈。 RAID5具有如下技术特点：
① 采用大条带区，I/O请求响应速度快； ② 采用奇偶校验技术； ③ 各盘采用独立存取技术；
④ 校验信息在不同磁盘中循环存放，克服了RAID4中校验盘成为写瓶颈的不足； ⑤ 磁盘利用率高。
可以认为RAID5是对RAID4的改进，对大、小数据的读/写都具有较好的性能，具有比较广泛的应用。
RAID 6采用了按块交叉存放和双磁盘容错技术，相对RAID 5而言，其缺点是在组成中增加了一个磁盘，而且每次写都要进行P和Q两种校验以形成两个奇偶校验块。 10)说明磁表面存储器记录二进制信息的基本原理。
答：磁表面存储器利用磁性材料剩磁的两种磁化方向(S-N或者N-S)来记录信息。 写入信息时，在读／写线圈中通上脉冲电流（电流的方向不同，则写入的信息不同），磁头气隙处的磁场把它下面一小区域的磁层向某一方向磁化（S—N或 N—S），形成某种剩磁状态，因而记下一位二进制信息。磁层上这个被磁化的小区域，称为磁化单元。随着磁层的运动，读／写线圈中的一串电流脉冲，就会在磁层上形成一串磁化单元。
读出时，某一磁化单元移动到磁头处，在磁层与磁头交链的磁路中磁通发生变化，于是在读／写线圈中感应出不同方向的电流，经读出放大器放大和整形之后，还原出写入的信息。 11)主存与磁盘存储器在工作速度方面为何采用不同的参数指标？后者采用哪几个指标表明其工作速度？为什么？
答：因为两种存储器的存储数据的原理不同，所以不能采用同一种技术指标。磁盘存储器采用平均定位时间（寻道时间+等待时间）和数据传输速率两个指标表明工作速度。
4.3 对于32K字容量的存储器，若按字编址，字长16位。其地址寄存器应是多少位？数据寄存器是多少位？ 解：该存储器的寻址空间为：32K*8位/16位=16K字 地址寄存器的位数为：14位 数据寄存器的位数和字长相等为16位 4.4 用4片32K×8位SRAM存储芯片可设计哪几种不同容量和字长的存储器？画出相应设计图并完成与CPU连接。 解：可设计字长为8位，容量为128K的存储器： 。 译 A16 。 码 A15 。 器 。 CPU 10 00 01 11 CS CS CS CS A14 32K×8 32K×8 32K×8 32K×8 WE WE WE WE A0 WE D0~D7 数据总线 可设计字长为16位，容量为64K的存储器： 译 。 A16 码 。 器 CPU1 0 CS CS A15 CS CS 32K×8 32K×8 32K×8 32K×8 WE WE A1 WE WE WE D0~D15 数据总线 ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... .......