发布时间 : 星期一 文章计算机组成原理第四章课后习题和答案解析 - 唐朔飞[完整版]更新完毕开始阅读
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23. 设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用控制信号（高电平为访存，低电平为访I/O），
作为访问存储器或I/O的（低电平有效）为写命令，
（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
行结构存储器。现有下图所示的存储器芯片和138译码器。
画出CPU和存储器芯片（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）。
解：8体低位交叉并行存储器的每个存储体容量为64KB/8=8KB，因此应选择8KBRAM芯片，芯片地址线12根（A0-A12），数据线8根（D0-D7），用138译码器进行存储体的选择。图略
24. 一个4体低位交叉的存储器，假设存储周期为T，CPU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？
解：4体低位交叉的存储器的总线传输周期为τ，τ=T/4，依次访问64个字所需时间为：
t=T+(64-1) τ=T+63T/4=16.75T
25. 什么是“程序访问的局部性”？存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理？
答：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数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-主存层次和主存-辅存层次均采用了程序访问的局部性原理。
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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？
答：计算机中设置Cache的作用是解决CPU和主存速度不匹配问题。
不能将Cache的容量扩大取代主存，原因是:（1）Cache容量越大成本越高，难以满足人们追求低价格的要求；（2）如果取消主存，当CPU访问Cache失败时，需要将辅存的内容调入Cache再由CPU访问，造成CPU等待时间太长，损失更大。
27. Cache做在CPU芯片内有什么好处？将指令Cache和数据Cache分开又有什么好处？
答：Cache做在CPU芯片内主要有下面几个好处：
（1）可提高外部总线的利用率。因为Cache在CPU芯片内，CPU访问Cache时不必占用外部总线。
（2）Cache不占用外部总线就意味着外部总线可更多地支持I/O设备与主存的信息传输，增强了系统的整体效率。
（3）可提高存取速度。因为Cache与CPU之间的数据通路大大缩短,故存取速度得以提高。
将指令Cache和数据Cache分开有如下好处：
1）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预取操作的完成。 2）指令Cache可用ROM实现，以提高指令存取的可靠性。
3）数据Cache对不同数据类型的支持更为灵活，既可支持整数（例32位），也可支持浮点数据（如64位）。 补充：
Cache结构改进的第三个措施是分级实现，如二级缓存结构，即在片内Cache（L1）和主存之间再设一个片外Cache（L2），片外缓存既可以弥补片内缓存容量不够大的缺点，又可在主存与片内缓存间起到平滑速度差的作用，加速片内缓存的调入调出速度。
28. 设主存容量为256K字，Cache容量为2K字，块长为4。 （1）设计Cache地址格式，Cache中可装入多少块数据？
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（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，存储器按字节寻址，写出上述三种映射方式下主存的地址格式。
解：（1）Cache容量为2K字，块长为4，Cache共有2K/4=211/22=29=512块， Cache字地址9位，字块内地址为2位 因此，Cache地址格式设计如下： Cache字块地址（9位） 字块内地址（2位） （2）主存容量为256K字=218字，主存地址共18位，共分256K/4=216块， 主存字块标记为18-9-2=7位。 直接映射方式下主存地址格式如下：
主存字块标记（7位） Cache字块地址（9位） 字块内地址（2位） （3）根据四路组相联的条件，一组内共有4块，得Cache共分为512/4=128=27
组，
主存字块标记为18-7-2=9位，主存地址格式设计如下： 主存字块标记（9位） 组地址（7位） 字块内地址（2位） （4）在全相联映射方式下，主存字块标记为18-2=16位，其地址格式如下： 主存字块标记（16位） 字块内地址（2位） （5）若存储字长为32位，存储器按字节寻址，则主存容量为256K*32/8=220B， Cache容量为2K*32/4=214B，块长为4*32/8=16B=24B，字块内地址为4位， 在直接映射方式下，主存字块标记为20-9-4=7位，主存地址格式为： 主存字块标记（7位） Cache字块地址（9位） 字块内地址（4位） 在四路组相联映射方式下，主存字块标记为20-7-4=9位，主存地址格式为：
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主存字块标记（9位） 组地址（7位） 字块内地址（4位） 在全相联映射方式下，主存字块标记为20-4=16位，主存地址格式为： 主存字块标记（16位）
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的命中率以及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？ 解：Cache被访问命中率为：4800/(4800+200)=24/25=96%
则Cache-主存系统的平均访问时间为：ta=0.96*30ns+(1-0.96)*150ns=34.8ns Cache-主存系统的访问效率为：e=tc/ta*100%=30/34.8*100%=86.2% 性能为原来的150ns/34.8ns=4.31倍，即提高了3.31倍。
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块，每块由128字组成，访存地址为字地址。试问主存和高速存储器的地址各为几位？画出主存地址格式。
解：cache组数：64/4=16 ，Cache容量为：64*128=213字，cache地址13位 主存共分4096/16=256区，每区16块
主存容量为：4096*128=219字，主存地址19位，地址格式如下： 主存字块标记（8位） 组地址（4位）
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Cache中的什么位置？ 解：主存和Cache按字节编址，
Cache容量16KB=214B，地址共格式为14位，分为16KB/(4*32/8B)=210块，每块
4
4*32/8=16B=2B，Cache地址格式为： Cache字块地址（10位） 专业知识分享
字块内地址（4位） 字块内地址（7位） 字块内地址（4位）