計(jì)算機(jī)組成原理復(fù)習(xí)例題

1、計(jì)算機(jī)組成原理例題計(jì)算機(jī)組成原理例題安康學(xué)院成典勤第三章系統(tǒng)總線(xiàn)例1 假設(shè)總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率為33MHz，且一個(gè)總線(xiàn)時(shí)針周期為一個(gè)總線(xiàn)傳輸周期。 若在一個(gè)總線(xiàn)傳輸周期可并行傳送 4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，求該總線(xiàn)的帶寬，并分析哪 些因素影響總線(xiàn)的帶寬。解：總線(xiàn)的帶寬是指單位時(shí)間內(nèi)總線(xiàn)上可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，通常用每秒傳送信息的字節(jié)數(shù)來(lái)衡量，單位可用 MBps (兆字節(jié)每秒)表示。由時(shí)針頻率f=33MHz，可得時(shí)鐘周期T=1/f,根據(jù)題目假設(shè)的條件，一個(gè)總 線(xiàn)傳輸周期為一個(gè)時(shí)鐘周期，且在一個(gè)總線(xiàn)傳輸周期傳輸4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，故總線(xiàn) 帶寬為4B/T =4B f =4B 33 106 Hz : 132MBps(1M =

2、220)影響總線(xiàn)帶寬的因素有：總線(xiàn)寬度、傳輸距離、總線(xiàn)發(fā)送和接收電路工作頻 率的限制以及數(shù)據(jù)傳輸形式等。例2在一個(gè)16位的總線(xiàn)系統(tǒng)中，若時(shí)針頻率為 100MHz，總線(xiàn)傳輸周期為5 個(gè)時(shí)鐘周期，每一個(gè)總線(xiàn)傳輸周期可傳送一個(gè)字，試計(jì)算總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸率。解：根據(jù)時(shí)鐘頻率為100MHz，得一個(gè)時(shí)鐘周期為1/(100MHz) =0.01s 數(shù)據(jù)傳輸率為 16b/0.05 乓=320 106bps= 40 106 Bps第四章存儲(chǔ)器例3設(shè)CPU共有16根地址線(xiàn)和8根數(shù)據(jù)線(xiàn)，并用MREQ作為訪(fǎng)存控制信號(hào)， WR作為讀/寫(xiě)命令信號(hào)(高電平讀，低電平寫(xiě))。設(shè)計(jì)一個(gè)容量為32KB、地址范 圍為0000H7FFFH

3、且采用低位交叉編址的四體并行存儲(chǔ)器。要求：(1) 采用下圖所列芯片，詳細(xì)畫(huà)出 CPU和存儲(chǔ)芯片的連接圖。(2) 指出圖中每個(gè)存儲(chǔ)芯片的容量及地址范圍(用十六進(jìn)制表示)。解：32KB四體結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器可由4片8K 8位存儲(chǔ)芯片組成，由于采用低位交 叉編址，因此需用末兩位地址 A1、Ao控制片選信號(hào)，用13根地址線(xiàn)A4A2與 存儲(chǔ)芯片的地址線(xiàn)相連。滿(mǎn)足地址范圍為 0000H7FFFH的存儲(chǔ)器與CPU的連 接如圖所示，圖中各片存儲(chǔ)芯片的地址范圍是：第 0 片0, 4,，7FFCH;第 1 片 1, 5,，7FFDH;第 2 片 2, 6,，7FFEH;第 3 片3, 7,，7FFFH;例4.用一個(gè)51

4、2K 8位的閃存存儲(chǔ)芯片組成一個(gè)4M 32位的半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ) 器。試回答：(1) 該存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)是多少？(2) 該存儲(chǔ)器的地址線(xiàn)數(shù)是多少？(3) 共需幾片這種存儲(chǔ)芯片？(4) 說(shuō)明每根地址線(xiàn)的作用。解：(1) 對(duì)于4M 32位的存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)線(xiàn)為32位。(2) 對(duì)于4M 32的的存儲(chǔ)器，按字尋址的范圍是222，按字節(jié)尋址的范圍是224 , 故該存儲(chǔ)器的地址線(xiàn)為24位A23A0(3) 4片512K 8位的閃存可組成512K 32位的存儲(chǔ)器，4M 32位的存儲(chǔ)器 共需32片512K 8位的閃存。(4) CPU的24根地址線(xiàn)中，最低2位地址A1A0為字節(jié)地址，A20A2這19根地址線(xiàn)與閃存的地址線(xiàn)

5、相連，最高3位地址A23A22A21可通過(guò)3線(xiàn)-8線(xiàn)譯碼器形 成片選信號(hào)。每一個(gè)片選信號(hào)同時(shí)選中4片閃存，以滿(mǎn)足32位的數(shù)據(jù)線(xiàn)要求。例5定量分析n體低位交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀取n個(gè)字所需的時(shí)間。解：連續(xù)讀取n個(gè)字所需的時(shí)間為T(mén)（n-1）.，如下圖所示字旳11M'二I11%1 11111r時(shí)間例6 設(shè)有8個(gè)模塊組成的八體存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊的存取周期為 400ns,存 儲(chǔ)字長(zhǎng)為32位。數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為32位，總線(xiàn)傳輸周期為50ns,試求順序存儲(chǔ)（高位交叉）和交叉存儲(chǔ)（低位交叉）的存儲(chǔ)器帶寬。解： 八體存儲(chǔ)器連續(xù)讀出8個(gè)字的信息量為32b 8 = 256b順序存儲(chǔ)存儲(chǔ)器連續(xù)讀出交叉存儲(chǔ)存儲(chǔ)器連續(xù)讀

6、出高位交叉存儲(chǔ)器的帶寬是 低位交叉存儲(chǔ)器的帶寬是8 個(gè)字的時(shí)間是 400 ns 8=3200 ns=32 10s8個(gè)字的時(shí)間是400ns (8-1) 50ns=750ns =7.5 10 s256 /(32 10”)bps=8 107bps256 /(7.5 10 ”)bps= 34 107bps例7假設(shè)CPU執(zhí)行某段程序時(shí)，共訪(fǎng)問(wèn)緩存命中 3800次，訪(fǎng)問(wèn)主存200次, 已知緩存存取周期為50ns，主存存取周期為250n&求緩存-主存系統(tǒng)的效率和 平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間。解：（1）緩存的命中率為 3800/（3800 200） =0.95（2） 由題可知，訪(fǎng)問(wèn)主存的時(shí)間是訪(fǎng)問(wèn)緩存時(shí)間的5倍（2

7、50/50=5）設(shè)訪(fǎng)問(wèn)緩存的時(shí)間為t，訪(fǎng)問(wèn)主存的時(shí)間為5t，緩存-主存系統(tǒng)的效率為e，則訪(fǎng)問(wèn)緩存的時(shí)間平均訪(fǎng)存時(shí)間100%100%0.95 t (1-0.95) 5t100% =83.3%1.2(3) 平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間=50ns 0.95250ns (10.95) = 60ns例8 設(shè)某機(jī)主存容量為16MB，緩存的容量為16KB。每字塊有8個(gè)字，每個(gè) 字32位。設(shè)計(jì)一個(gè)四路組相聯(lián)映射(即緩存每組內(nèi)共有4個(gè)字塊)的緩存組織， 要求：(1) 畫(huà)出主存地址字段中各段的位數(shù)。(2) 設(shè)緩存初態(tài)為空，CPU依次從主存第0、1、2、99號(hào)單元讀出100個(gè) 字(主存一次讀出一個(gè)字)，并重復(fù)此次序讀8次，問(wèn)命中率

8、是多少？(3) 若緩存的速度是主存速度的6倍，試問(wèn)有緩存和無(wú)緩存相比，速度提高多 少倍？解：(1)根據(jù)每個(gè)字塊有8個(gè)字，每個(gè)字32位，得出主存地址字段中字塊內(nèi)地 址字段為5位。根據(jù)緩存容量為16KB =214B，字塊大小為25B，得緩存共有29塊, 故c=9。根據(jù)四路組相聯(lián)映射2r =4，得r=2，則q=c-r = 7。根據(jù)主存容量為 16MB = 2 24 B，得出主存地址字段中主存字塊標(biāo)記位數(shù)為 24-7-5=12主存地址字段各段格式如圖所示：宅存字塊標(biāo)記組地址字塊內(nèi)地址二-1 維 f一他J(2)由于每個(gè)字塊中有8個(gè)字，而且初態(tài)緩存為空，因此CPU讀第0號(hào)單元時(shí)， 未命中，必須訪(fǎng)問(wèn)主存，同

9、時(shí)將該字所在的主存塊調(diào)入緩存第 0組中的任一塊內(nèi)， 接著CPU讀17號(hào)單元時(shí)，均命中。同理 CPU賣(mài)第& 16、96號(hào)單元時(shí)均 未命中?？梢?jiàn)CPU在連續(xù)讀100個(gè)字中共有13次未命中，而后7次循環(huán)讀100個(gè)字全部命中，命中率為100 8-13100% =98.375%100 8(3)根據(jù)題意，設(shè)主存存取周期為6t，緩存的存取周期為t，沒(méi)有緩存的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為6t 800，有緩存的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為t(800 -13) 6t 13，則有緩存和沒(méi)有緩存相比，速度提高倍數(shù)為6M800t(800 -13) 6t 13-V 4.5例9.一個(gè)采用直接映射方式的16KB緩存，假設(shè)塊長(zhǎng)為8個(gè)32位的字，試問(wèn) 地址

10、為FDA459H的主存單元在緩存中的什么位置(指出塊號(hào)和塊內(nèi)地址，均用十進(jìn)制表示）？解:根據(jù)緩存容量為16KB，得出緩存的地址為14位。由于每字32位，塊長(zhǎng)為 8個(gè)字，則緩存的塊內(nèi)地址為5位（高3位為字地址，末2位為字節(jié)地址）。地址為FDA459H的主存單元，其二進(jìn)制地址為 1111 1101 1010 0100 01011001，對(duì)應(yīng)緩存第10 0100 010 （即十進(jìn)制170）塊中的第6個(gè)字的第1字節(jié)。例10.假設(shè)緩存的工作速度為主存的 5倍，緩存的命中率為90%，試問(wèn)采用緩 存后，存儲(chǔ)器的性能提高多少？解：設(shè)主存的存取周期為tm，則緩存的存取周期為 垢/5=0.2.，故平均訪(fǎng)存時(shí)間為

11、0.2tm 0.90 tm 0.10=0.28tm采用緩存后，存儲(chǔ)器性能為原來(lái)的tm/0.28tm = 357倍，即提高了 2.57倍。例11.已知緩存-主存系統(tǒng)的效率為85%，平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為60ns，緩存比主存快4倍，求主存的存取周期和緩存的命中率。解：設(shè)緩存-主存系統(tǒng)的效率為e平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為ta，緩存的取周期為tc，命中 率為h，主存的存取周期為tm。根據(jù)e二主100%得tc二tae=6 0ns 0.85 = 51 ns 一ta由于緩存比主存快 4倍，則tm =tc （4T） = 51 ns 5 = 255ns根據(jù) ta = htc （1 -h）tm，其中 ta = 60ns， tc =

12、51ns， tm = 255ns，得 h = 95.6%例12.設(shè)CPU共有16根地址線(xiàn)，8根數(shù)據(jù)線(xiàn)，并用MREQ作為訪(fǎng)存控制信號(hào)（低 電平有效），用WR作為讀/寫(xiě)控制信號(hào)（高電平讀，低電平寫(xiě)）。現(xiàn)有芯片及各種 門(mén)電路（門(mén)電路自定），如下圖所示。畫(huà)出CPU與存儲(chǔ)器的連接圖，要求：fitATROMPDProgrCSWERAMG.-QG;HTROM: 2KX8fe 8KXS& S2KX8fiRAM: 12KXSU8KX砸16KX|ft4KX4 位Mt鶉譯碼辭g1>G2aAh控制瑞C&A対變顯軸入端v7,- - XAUffl端（1）存儲(chǔ)芯片地址空間分配:02047為系統(tǒng)程序區(qū)；

13、20488191為用戶(hù)程序區(qū)。（2）指出選用的存儲(chǔ)芯片類(lèi)型及數(shù)量(3) 詳細(xì)畫(huà)出片選邏輯。解：根據(jù)主存地址空間分配，02047為系統(tǒng)程序區(qū)，選用1片2KX 8位ROM芯 片；20488191為用戶(hù)程序區(qū)，選用2KX 8位RAM芯片，即A15An00000 000000 100001000001 100010 000010 100011 0000111*A 卞 * *0 0 0 0 01II1I00000111110000011111000001ii110 - 20472*8 位 ROM0 0 0 0 0111110 0 0 0 0111110 0 0 0 0111112048 -81912Kx

14、8 位 RAM存儲(chǔ)芯片與CPU的連接如圖所示例13.一個(gè)磁盤(pán)存儲(chǔ)器共有6個(gè)盤(pán)片，假設(shè)最上、下兩個(gè)面不可用，每面有 204 條磁道，每條磁道有12個(gè)扇段，每個(gè)扇段有512B，磁盤(pán)機(jī)以7200r/min速度旋 轉(zhuǎn)，平均定位(尋道)時(shí)間為8ms。(1) 計(jì)算該磁盤(pán)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)量。(2) 計(jì)算該磁盤(pán)存儲(chǔ)器的平均尋址時(shí)間。解：(1) 6個(gè)盤(pán)片共有10個(gè)記錄面，磁盤(pán)存儲(chǔ)器的總?cè)萘繛?12B X 12X 204X 10=12533760B(2)磁盤(pán)存儲(chǔ)器的平均尋址時(shí)間=平均尋道時(shí)間+平均等待時(shí)間平均等待時(shí)間=60s/(7200r/min) X 0.5 4.165ms平均尋址時(shí)間=8ms+4.165ms=12.165ms 例14. 一個(gè)磁盤(pán)組共有11片，假設(shè)最上、下兩個(gè)面不用，每片有 203道，數(shù)據(jù) 傳輸率為983040Bps,磁盤(pán)組轉(zhuǎn)速為3600r/min，