第3章习题--存储系统

第3章存储系统

一．判断题

1．计算机的主存是由RAM和ROM两种半导体存储器组成的。

2．CPU可以直接访问主存，而不能直接访问辅存。

3．外（辅）存比主存的存储容量大、存取速度快。

4．动态RAM和静态RAM都是易失性半导体存储器。

5．Cache的功能全部由硬件实现。

6．引入虚拟存储器的目的是为了加快辅存的存取速度。

7．多体交叉存储器主要是为了解决扩充容量的问题。

8．Cache和虚拟存储器的存储管理策略都利用了程序的局部性原理。

9．多级存储体系由Cache、主存和辅存构成。

10．在虚拟存储器中，当程序正在执行时，由编译器完成地址映射。

二．选择题

1．主（内）存用来存放。

A．程序 B．数据 C．微程序 D．程序和数据

2．下列存储器中，速度最慢的是。

A．半导体存储器 B．光盘存储器 C．磁带存储器 D．硬盘存储器

3．某一SRAM芯片，容量为16K×1位，则其地址线有。

A．14根 B．16K根 C．16根 D．32根

4．下列部件（设备）中，存取速度最快的是。

A．光盘存储器 B．CPU的寄存器 C．软盘存储器 D．硬盘存储器

5．在主存和CPU之间增加Cache的目的是。

A．扩大主存的容量

B．增加CPU中通用寄存器的数量

C．解决CPU和主存之间的速度匹配

D．代替CPU中的寄存器工作

6．计算机的存储器采用分级存储体系的目的是。

A．便于读写数据 B．减小机箱的体积

C．便于系统升级 D．解决存储容量、价格与存取速度间的矛盾

7．相联存储器是按进行寻址的存储器。

A．地址指定方式 B．堆栈存取方式

C．内容指定方式 D．地址指定与堆栈存取方式结合

8．某SRAM芯片，其容量为1K×8位，加上电源端和接地端后，该芯片的引出线的最少数目应为。

A．23 B．25 C．50 D．20

9．常用的虚拟存储器由两级存储器组成，其中辅存是大容量的磁表面存储器。

A．主存—辅存 B．快存—主存

C．快存—辅存 D．通用寄存器—主存

10．在Cache的地址映射中，若主存中的任意一块均可映射到Cache内的任意一快的位置上，则这种方法称为。

A．全相联映射 B．直接映射 C．组相联映射 D．混合映射

三．填空题

1．对存储器的要求是、、，为解决这三者的矛盾，计算机、采用体系结构。

答：速度快、容量大、成本低，分级存储体系。

2．CPU能直接访问和，但不能访问和。

答：主存、CACHE、外存、I/O设备。

3．Cache的映射方式有、和三种。其中方式，适度地兼顾了前两者的优点又尽量避免其缺点，比较理想。

4．广泛使用的和都是半导体存储器。前者的速度比后者快，不如后者高。它们的共同缺点是断电后保存信息。

答：依次为SRAM、DRAM、随机读写、集成度、不能。

5．闪速存储器能提供高性能、低功耗、高可靠性以及能力，为现有的体系结构带来巨大变化，因此作为用于便携式电脑中。

答：瞬时启动、存储器、固态盘。

6．相联存储器不按地址而是按访问的存储器，在Cache中用来存放，在虚拟存储器中用来存放。

答：内容，行地址表，段表、页表和快表。

7．虚拟存储器指的是层次，它给用户提供了一个比实际空间大得多的。

8．磁盘的地址格式由、、、四部分组成。

答：台号、柱面号（磁道号）、盘面号（磁头号）、扇区号。

9．温彻斯特硬盘的特点是、和。

答：固定盘片、活动磁头和密封结构。

10．一个完整的磁盘存储器由三部分组成，其中又称磁盘机或磁盘子系统，是独立于主机的一个完整的设备，是磁盘机与主机的接口部件，用于保存信息。

答：驱动器、控制器、盘片。

四．简答题

1.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。

2.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

3.试比较静态RAM和动态RAM。

4.什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。

5.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。

6.什么是“程序访问的局部性原理”？存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理？

解：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—主存层次采用了程序访问的局部性原理。

7.计算机中设置Cache的作用是什么？能不能把Cache的容量扩大，最后取代主存，为什么？

答：计算机中设置Cache主要是为了加速CPU访存速度；

不能把Cache的容量扩大到最后取代主存，主要因为Cache和主存的结构原理以及访问机制不同（主存是按地址访问，Cache是按内容及地址访问）。

8.Cache制作在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）。

9.采用定长数据块记录格式的磁盘存储器，直接寻址的最小单位是什么？寻址命令中如何表示磁盘地址？

五．计算题

1.什么是存储器的带宽？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？

2. 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

3.一个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？

4.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。

5.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？

6.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。

7.某机字长为16位，常规的存储空间为64K字，若想不改用其他高速的存储芯片，而使访存速度提高到8倍，可采取什么措施？画图说明。

解：若想不改用高速存储芯片，而使访存速度提高到8倍，可采取多体交叉存取技术，图示如下：

8.设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用M/-IO作为访问存储器或I/O的控制信号（高电平为访存，低电平为访I/O)，-WR（低电平有效）为写命令，-RD（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。现有右图所示的存储芯片及138译码器。

画出CPU 和存储芯片（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：芯片容量=64KB/8=8KB

每个芯片（体）的地址范围以8为模低位交叉分布如下

CPU 和各体的连接图：由于存储器单体的工作速率和总线速率不一致，因此各体之间存在总线分配问题，存储器不能简单地和CPU 直接相连，要在存储管理部件的控制下连接。

9.一个4体低位交叉的存储器，假设存取周期为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？

10.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？

（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。

11.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 的存取周期是30ns，主存的存取周期是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？

12.一个组相联映射的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Cache的地址各为几位？画出主存的地址格式.

13.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？

14.设某机主存容量为4MB，Cache容量为16KB，每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射（即Cache每组内共有4个字块）的Cache组织。

（1）画出主存地址字段中各段的位数；

（2）设Cache的初态为空，CPU依次从主存第0、1、2……89号单元读出90个字（主存一次读出一个字），并重复按此次序读8次，问命中率是多少？

（3）若Cache的速度是主存的6倍，试问有Cache和无Cache相比，速度约提高多少倍？

15.某计算机系统的内存由Cache和主存构成，Cache的存取周期为45ns，主存的存取周期为200ns。已知在一段给定的时间内，CPU共访问内存4500次，其中340次访问主存，求：

（1）Cache的命中率是多少？

（2）CPU访问内存的平均访问时间是多少？

（3）Cache-主存系统的效率是多少？

16．假设某计算机的cache采用直接映象，容量为4096。若CPU依次从主存单元0，1，…，99和4096，4097，…，4195交替取指令，循环执行10次，试求此时的命中率？

17.磁盘组有6片磁盘，最外两侧盘面可以记录，存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层密度为400位/cm，转速3600转/分。

（1）共有多少存储面可用？

（2）共有多少柱面？

（3）盘组总存储容量是多少？

（4）数据传输率是多少？

注意：

1） 的精度选取不同将引起答案不同，一般取两位小数；

2）柱面数≠盘组总磁道数（=一个盘面上的磁道数）

3）数据传输率与盘面数无关；

4）数据传输率的单位时间是秒，不是分。

18.某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录盘面，每毫米5道，每道记录信息12 288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道，求：

（1）磁盘存储器的存储容量；

（2）最高位密度（最小磁道的位密度）和最低位密度；

（3）磁盘数据传输率；

（4）平均等待时间。

解：

（1）存储容量 = 275道×12 288B/道×4面 = 13 516 800B

（2）最高位密度 = 12 288B/230π

≈17B/mm≈136位/mm（向下取整）

最大磁道直径

=230mm+275道/5道× 2

= 230mm + 110mm = 340mm

最低位密度 = 12 288B / 340π

≈11B/mm≈92位 / mm （向下取整）

（3）磁盘数据传输率

= 12 288B × 3000转/分

=12 288B × 50转/秒=614 400B/S

（4）平均等待时间 = 1/50 / 2 = 10ms