计算机组成原理复习.

一、名词解释

软件——由二进制语言（指令）所构成的能完成一定任务的程序。

硬件——计算机硬件是由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。（运算器和控制器称为CPU）

固件（软、硬件接口）——有硬件特征，有软件的功能的器件。

工艺制程——电子经过的线宽

A 计算机语言——通常是一个能完整、准确和规则地表达人们的意图,并用以指挥

或控制计算机工作的“符号系统”。

机器语言——由0和1代码构成的机器指令

汇编语言——用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不用的指令，然后再用这些特殊的符号表示的指令来编写程序。这就是所谓的“汇

编语言”。

高级语言——是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套符号构成程序的规则。

解释程序——逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果。

编译程序——把源程序翻译成目的程序，然后机器执行目的程序，得出计算结果。

实时控制——利用计算机及时搜集监测数据，按最佳值对控制对象进行自动调节或自动控制。

实时系统——计算机实时控制系统主要由传感器、计算机、执行机构及模／数转换器和数／模转换器构成。实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻

辑和时序出现偏差将会引起严重后果。实时系统有两种类型：软实时系统

和硬实时系统。软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一

任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任务响应要实

时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是

两者的结合。

指令流（→IR）——取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器。

数据流（→ALU或AC）——执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。

兼容——符合产品规范的某一特定要求，不同厂商的产品，如果能够在同一环境下应用，我们通常说它们是兼容的。

仿真——计算机房正式应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维和行为进行动态性比较逼真的模仿。

模拟——模拟就是通过设计与某个自然现象或过程相似的模型，来间接地研究原型的方法。它具有选择性、形象性、求同性、生动性、逼真性等特点，是社

会许多领域经常采用的一种科学方法。计算机模拟就是把一定的认知操

作理论编译成计算机程序,让计算机来模拟人的思维过程的一种方法。

数据表示——直接可以被硬件识别和处理的数据类型,即:可以直接被计算器指令运算和处理,如整数,浮点数,向量等

数据结构——由软件实现和处理的数据类型. 如结构,记录,表,树,图等。

机器数（机器码）——数在机器中的表示形式（相对于真值）。

真值——带符号数本身的自然表示。

定点数——小数点的位置固定不变的数。

浮点数——小数点的位置是浮动的（把一个数的有效数字和数的范围在一个计算机的一个存储单元中分别予以表示）。

位——bit 二进制代码位。

字节——byte（1 byte=8 bit）字节是一个承载信息的基本单元

字——字是计算机中处理数据或信息的基本单位。一个字由若干字节组成

字长——计算机一次能处理的二进制数的位数

存储器——由多个存储单元组成的器件

存储体——存储单元的集合

主存——计算机的主要存储器，用来存放计算机运算期间的大量程序和数据，CPU 能直接访问。

辅存——外存，用来存放系统程序和大型数据文件及数据库，CPU不能直接访问。控存——

控存地址——

主存地址——

高位优先——最低地址存放高位字节，可称为高位优先。

低位优先——最低地址存放低位字节，可称为低位优先。

高位交叉——把地址的码的前一位数分配给两个存储体，第一个为0，第二个为1(如果有四个存储体的话，就要分给前面的两位数，依次类推)第一个存储体

里面的单元就是以这个码开始的编码：000，001，010，011 (看到第一位

数都是0了吗)；第二个存储体的存储单元的四个地址是：100，101，110，

111。这样，当访问两个地址相邻存储单元的数据时，比如110和111两

个单元的数据，都放在第二个存储体中，只能在这个体中存取，而第一个

存储体就闲着没人访问了。而一般在存放数据时，多是将数据存放在地址

连续的内存区域中的。现在可以知道了，为什么高位交叉编址的存储器适

合于多机系统，就是说，因为各处理机通常访问各自所需的数据，这些数

据放在不同的存储体中时，两个存储器可以同时工作，也就加快了速度。

低位不变，高位地址连续读数。

低位交叉——地址码的最后一位就是分配给存储体的地址码，第一个存储器里的存储单元就是000，010，100，110(最后一位总是0)，第二个存储器里的

存储单元就是001，011，101，111，这种方法使得相邻地址的存储单元分

布在不同的存储体中，所以在访问相邻单元的数据时，多个并行存储体可

以同时工作进行存取，因此比较适于单处理机内的高速数据存取。

高位不变，低位地址连续读数。

存储系统——

存储体系——在存储器层次结构中各种存储器在逻辑上构成的一个整体。

相联存储器——相联存储器是指以其中某一存储项内容作为地址来存取的存储器。虚拟存储器——虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。它借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，使之为更

大或更多的程序所使用。

直接映射——直接映象就是将主存地址映象到Cache中的一个指定地址。任何时候，主存中存储单元的数据只能调入到Cache中的一个位置，这是固定的，若

这个位置已有数据，则产生冲突，原来的块将无条件地被替换出去。

全相联映射——全相联映象就是任何主存地址可映象到任何Cache地址的方式。在这种方式下，主存中存储单元的数据可调入到Cache中的任意位置。只有

在Cache中的块全部装满后才会出现块

冲突。

组相联映射——组相联映象指的是将存储空间的页面分成若干组，各组之间是直接映象，而组内各块之间则是全相联映象。

地址映射——为了把主存块放到cache中，必须应用某种方法把主存地址定位到cache中，称做地址映射。（直接映射、全相联映射、组相联映射）

地址变换——内存地址转换成cache地址。

透明——程序员看不到，无需理会内部内容。

属性——程序员可看得到，对程序员不透明。

命中率——在一个程序执行期间，设N c表示cache完成存取的总次数，N m表示主存完成存取的总次数，h定义为命中率

h = Nc / (Nc + Nm)

局部性——程序中对于存储空间90%的访问局限于存储空间的10%的区域中，而另外10%的访问则分布在存储空间的其余90%的区域中。这就是通常说的局

部性原理。

存取时间（访问时间）——是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。存储周期（访问周期）——是指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。

存储（器）带宽——单位时间里存储器所存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒做度量单位。

指令——计算机执行某种操作的命令。

程序——计算机的程序是由一系列的机器指令组成的。

微程序——一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列通常叫做微程序。（机器指令=微程序）

微命令——控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。

微操作——执行部件接受微命令后所进行的操作。

专用寄存器（IR、AR、PC、SP、DR...）——

通用寄存器（AC、AX、DX、BX...）——程序员可以访问的寄存器。

数据相关——在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么两条指令就是数据相关的。

WAR——读后写相关

WAW——写后写相关

RAW——写后读相关

时钟周期——通常称为节拍脉冲或T周期，它是处理操作的最基本单位。

机器周期（CPU周期、FSB周期、存储周期）——内存中读取一个指令字的最短时间。

指令周期——CPU从存储器取出一条指令并执行这条指令的时间和成为指令周期。标量——只有一条流水线，每时钟周期内只可以完成一条指令。

超标量——超标量（superscalar）是指在CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令。

MIPS——（Million Instructions Per Second）百万条指令每秒。

串行传送（位）——当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送。

在串行传送时，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位的脉冲信号，

每次一位。

并行传送（字节、字、双字...）——用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输

线，从而使得二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送。

接口——广义地讲，接口是指CPU主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。

像素——“像素”（Pixel）是由 Picture 和 Element这两个字母所组成的，是用

来计算数码影像的一种单位，如同摄影的相片一样，数码影像也具有连续

性的浓淡阶调，我们若把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是由许

多色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”

（Pixel）。

分辨率——分辨率是指显示器所能表示的像素个数。

色深——指一个设备能显示的颜色数。

VRAM——为了不断提供爽心图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器，也叫做视频存储器。

存储密度（道密度、位密度）——道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单

位为位/英寸。面密度是位密度和道密度的乘积，单位位/平方英寸。

存储容量——一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。

平均存取时间——存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息所需要的时间这段时间由

两个数值所决定：一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，成为

定位时间或找道时间；另一个是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达

磁头下的时间，成为等待时间，这两个时间都是随机变化的，因此往往是

用平均值来表示。平均存取时间等于平均找到时间与平均等待时间之和。

数据传输率——磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率。

同步定时方式——在同不定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。

异步定时方式——在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时间取决于前一事件的出现。

DMA——直接内存访问（Direct Memory Access），是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。在这种方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，

数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。

中断——中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法。

周期挪用——当I/O设备没有DMA请求时，CPU按程序要求访问内存；一旦I/O设备有DMA请求，则由I/O设备挪用一个或几个内存周期。

选择通道——选择通道又称高速通道，在物理上它可以连接多个设备，但是这些设备不能同时工作，在某一段时间内通道只能选择一个设备进行工作。

字节多路通道——利用通道在传送两个字节之间的空闲时间为其他设备服务。

数组多路通道——当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务；当设备在执行寻址等控制行动作时，通道暂时断开与这个设备的连接，挂起该设备的通

道程序，去为其他设备服务，既执行其他设备的通道程序。

二、简答题

1.何谓Moore定律？制约其延续的主要因素是什么？有哪些理论依据？

集成于处理器裸片内的晶体管数量每18个月翻一番，制约Moore定律延续的主要因素是工艺制程（电子经过的线宽），其原理是这样的：电子通道至少需要3个电子宽度（=3*10nm=30nm），当小于它时，就需用量子理论描述，而不能用牛顿力学来解释电子的运动及它的导电机理。（量子计算机就不属于冯诺依曼结构）

2.评价计算机系统性能的主要指标有哪几个？并简述它们的内涵？

A.支持CPU的类型和频率范围

B.对内存的支持

C.对显卡的支持

D.对硬盘和光驱的支持

E.扩展性能和外设

F.BIOS技术

3.冯、诺依曼型计算机的主要设计思想？它包括哪些主要组成部分？

答：冯诺依曼型计算机的主要设计思想是存储程序并按地址顺序执行，它包括运算器、控制器、存储器、输入系统、输出系统。

4.简述计算机系统的工作原理（如以IA—32微机系统为例）

5.“计算机应用”与“应用计算机”在概念上等价吗？用学科角度和计算机系统的层次结构来说明你的观点。

答：不等价的。

“应用计算机”以人为主导因素，在层次结构上可以表达为某一级的平台，每一级的平台使用计算机，开发软件。

“计算机应用”强调计算为主导因素，在哪一个领域的应用，指计算机可在哪些领域中得到应用。

6.何谓计算机的“实时系统”？用你所学习过的专业知识（如操作系统、组成原理等知识）阐述。

答：计算机实时控制系统主要由传感器、计算机、执行机构及模／数转换器和数／模转换器构成。实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。

软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是两者的结合。

7.何谓先行进位发生（加法）器？导出其进位产生方式。（提示：根据全加器的真值表）

答：先行进位加法器就是并行加法器。

基本思想：设全加器的行输入Xi（加数），Yi（加数），Ci（进位）

先行进位加法器把进位的实现分成两部分

○1产生Gi=Xi Yi

当Xi=Yi=1时，即加法器有进位出现

○2传送部分Pi，Pi=Xi○十Yi

当Xi，Yi仅有一个为1，则Pi=1，而Pi，Ci的值即为另一种有进位的情况。

所以，像高位产生进位（Ci+1）的逻辑表达式为：

Ci+1= Gi + Pi Ci

8.什么是数据表示？什么是数据结构？两者有何关系？为什么要学习数据结构？

答：数据表示：直接可以被硬件识别和处理的数据类型,即:可以直接被计算器

指令运算和处理,如整数,浮点数,向量等。

数据结构：是由软件实现和处理的数据类型. 如结构,记录,表,树,图等。

数据结构是数据表示的扩充。

学习数据结构是为了增强计算机的数据处理的能力。

9.寄存器与三态缓冲器在数据总线中有何不同的作用？

答：三态缓冲器允许多个器件挂在一条总线上，它控制器件对总线是否占用。

寄存器保存输入到数据总线的信号。

10.人们对存储器有哪些要求？如何才能满足这些要求？

答：人们对存储器的基本要求：快，大，便宜。可是目前没有任何一种存储满足三个指标。

解决方法：存储器层次结构构成存储体系。

11.扼要说明存储器系统和存储器体系有何异同之处。

答：存储器系统和存储器体系都是由多种存储器构成的一个整体。存储器系统在逻辑上不是一个整体，对程序员不透明，存储器体系多种存储器在逻辑上构成一个整体。

12.cache——主存分支和主存——外存分支相同之处和不同之处。

答：两者都是为了解决上下两层存储器速度不匹配而引入的存储器分支，不同点在于cache是为解决cpu速度与主存速度不匹配而引入的，主存是为解决cache与外存速度不匹配而引入的。

13.U盘与主存有何异同之处？

答：两者都是半导体存储器，U盘独处数据快，擦除也快。U盘不能进行字节快的删除，主存可以。

14.什么是RISC、CISC、EPIC？它们各有何优缺点？

答： RISC的指令少，控制单元简单，但是编译程序需要更多的指令。

CISC的指令多，结构复杂，频繁使用的指令少。但是这些复杂性不需要增加开发的成本。

15.何谓I/O独立编址、I/O统一编址？各有何优缺点？

答： 1.独立编址（专用的I/O端口编址）——存储器和I/O端口在两个独立的地址空间中。

（1）优点：I/O端口的地址码较短，译码电路简单，存储器同I/O端口的操作指令不同，程序比较清晰；存储器和I/O端口的控制结构相互独立，可以分别设计。

（2）缺点：需要有专用的I/O指令，程序设计的灵活性较差。

2.统一编址（存储器映像编址）——存储器和I/O端口共用统一的地址空

间，当一个地址空间分配给I/O端口以后，存储器就不能再占有这一部分的地址空间。

（1）优点：不需要专用的I/O指令，任何对存储器数据进行操作的指令都可用于I/O端口的数据操作，程序设计比较灵活；由于I/O端口的地址空间是内存空间的一部分，这样，I/O端口的地址空间可大可小，从而使外设的数量几乎不受限制。

（2）缺点：I/O端口占用了内存空间的一部分，影响了系统的内存容量；

访问I/O端口也要同访问内存一样，由于内存地址较长，导致执行时间增加。

16.简述在并行处理技术中，并行性的两种含义。

答：一是同时性，指两个以上食物在同一时刻发生；二是并发行，是指两个以上时间在同一时间间隔内发生。

17.扼要说明媒体和多媒体技术的物理意义。

答：多媒体CPU是带有MMX技术的处理器。MMX是一种多媒体扩展结构技术，特别适合于图像数据处理，极大地提高了计算机在多媒体和通信应用方面的功能。

18.请分别指出在磁盘存储器的技术指标中，存储密度、存储容量、平均存取时间、

数据传输率的物理意义。

答：存储密度表示磁盘存储器单位面积存放数据的多少。存储容量表示磁盘

存储器存储数据的能力。平均存取时间表示磁盘存储器读写数据的快慢。数据

传输率表示磁盘存储器向主机传送数据的快慢。

19.扼要说明CD—ROM光盘的存储机理。

答：光盘上的信息以坑点形式分布，有坑点表示为“1”，无坑点表示为“0”，

一系列的坑点（存储元）形成信息记录道，读出时，当激光束聚焦点照射在凹

坑上时将发生衍射，反射率低；而聚焦点照射在凸面上时大部分光将返回。根

据反射光的光强变化并进行光-电转换，即可读出记录信息。

20.阐述CPU与输入输出系统信息交换的几种方式。

答：程序查询方式：很少使用。数据传送完全靠计算机程序控制。

程序中断方式：外围设备“主动”通知CPU，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法。

直接内存访问方式：DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。

通道方式：通道实现对外围设备的统一管理和外围设备与主存之间的数据传送。

外围处理机方式：外围处理机基本上独立于主机工作，承担I/O控制、通信、维护诊断等任务。

三、计算题

●机器数的运算（补码的加、减、乘、除）

[X]补 + [Y]补= [X + Y]补

[X - Y]补= [X]补- [Y]补 = [X]补 + [ - Y]补（其中[ - Y]补 = ﹃ [Y]补 + 2-n）

●浮点数的运算

32位的IEEE754标准浮点数

●数的转换( 浮点数 )

x = ( -1 )s * ( 1.M ) * 2E-127

●流水线的加速比、吞吐率、时空图

加速比：SP = kn / ( k + n - 1)

吞吐率：TP = n / [ ( k + n - 1) * t ]

其中k为流水线的级数，n为指令的条数，t为CPU时钟周期

指令流水线有取指（IF），译码（ID），执行（EX），访存（MEM），写回寄存器堆（WB）五个过程段，共有20条指令连续输入流水线。

（1）画出流水处理的时空图，假设时钟周期为100ns

（2）求流水线的实际吞吐率（单位时间里执行完毕的指令数）

（3）求流水线的加速比。

用时空图法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。（下面有）

用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。（下面有）

●带宽计算

存储器

设存储器容量为32字，字长64位，模块m=4，分别用顺序方式和交叉方式进

行组织。存储周期T=200ns，数据总线宽度为64位，总线传送周期t=50ns，未能顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少？

解：顺序存储器和交叉存储器连续读出m=4 个字的信息总量都是

64 * 4 = 256(位)

顺序存储器和交叉存储器连续读出4个字所需要的时间分别是：

t2 = mT = 4 * 200ns = 8 * 10-7 s

t1 = T + (m-1)t = 200ns + 3 * 50ns = 3.5 * 10-7s

顺序存储器和交叉存储器的带宽分别是

W2 = 256 / t2 = 32 * 10-7( 位/ s )

W2 = 256 / t1 = 73 * 10-7( 位/ s )

并行AGP、PCI

某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一

个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，总线带宽是多少？如果一个总线周

期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，总线带宽是多少？

Dr = D / T = D* f = 4B * 33 * 106/s = 132MB/s

Dr = D * f = 64/8 B * 66 * 106/s = 528 MB/s

串行Moden带宽

利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特（bit）位数常称为波特。假设数

据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个比特位（起始位，停止位，8个数据位），问传送的波特率是多少？每个比特位占用的时间是多

少？

解：波特率为：１０位＊１２０＝１２００波特

每个比特位占用的时间是波特率的倒数：１／１２００＝０．８３３秒

VRAM与分辨率、色深、存储器带宽

刷存的重要性能指标是他的带宽，实际工作时显示适配器的几个功能部分要争

用刷存的带宽。假定总贷款的５０％用于刷新屏幕，保留５０％带宽用于其他

非刷新功能。

若显示工作方式采用分辨率为１０２４＊７６８，颜色深度为３Ｂ，帧频（刷

新速率）为７２Ｈｚ，计算刷存总带宽应为多少？

为达到这样高的刷存带宽，应采取何种技术措施？

解：刷新所需带宽＝分辨率＊每个像素点颜色深度＊刷新速率

１０２４＊７６８＊３Ｂ＊７２Ｈｚ＝１６２ＭＢ／ｓ

刷存总带宽为：１６２＊（１００／５０）＝３２４ＭＢ／ｓ

为达到这样高的刷存带宽，可采取如下技术措施：１使用高速的ＤＲＡＭ芯

片组成刷存；２刷存采用多体交叉结构；３刷存至显示控制器的内部总线

宽度由３２位提高到６４位，甚至１２８位；４刷存采用双端口存储器结构，将其刷新端口与更新端口分开。

Cache的命中率、效率、平均访问时间的计算

ｈ命中率：ｈ= Nc / (Nc + Nm) (Nc:访问ｃａｃｈｅ次数，Ｎｍ访问内存次数) ｃａｃｈｅ／主存系统平均访问时间：ｔａ＝ｈｔｃ＋（１－ｈ）ｔｍ

访问效率ｅ：ｅ＝ｔｃ／ｔａ＝ｔｃ／（ｈｔｃ＋（１－ｈ）ｔｍ）＝１／（ｈ＋（１－ｈ））ｒ＝１／（ｒ＋（１－ｒ）ｈ）

ＣＰＵ执行一段程序时，ｃａｃｈｅ完成存取的次数为１９００次，主存完成存取的次数为１００次，已知ｃａｃｈｅ存取周期为５０ｎｓ，主存存取周期为２５０ｎｓ，求ｃａｃｈｅ／主存系统的效率和平均访问时间。

解：ｈ＝１９００／（１９００＋１００）＝０．９５

ｒ＝ｔｍ／ｔｃ＝２５０／５０＝５

ｅ＝１／（ｒ＋（１－ｒ）ｈ）＝１／（５＋（１－ｒ）＊０．９５）＝８３．３％

ｔａ＝ｈｔｃ＋（１－ｈ）ｔｍ＝０．９５＊５０＋（１－５）＊２５０＝６０ｎｓ

●根据寄存器堆栈、存储器堆栈的算法计算执行入（PUSH）、出（POP）栈指令后

的指针位置。

进栈操作：（Ａ）→Ｍｓｐ，（ＳＰ）－１→ＳＰ

出栈操作：（ＳＰ）＋１→ＳＰ，（Ｍｓｐ）→Ａ

●硬盘、CDROM的存储机理和容量的计算

磁盘组有６片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用，存储区域内径１１

ｃｍ，外径１６．５ｃｍ，道密度为４０道／ｃｍ，内层位密度４００位／ｃｍ，转速２４００转／分，问：

（１）共有多少柱面？

（２）盘组总存储容量是多少？

（３）数据传输率是多少？

（４）采用定长数据块记录格式，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？

（５）如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在一个存储面上，还是记录在一个柱面上？

解：（１）有效存储区域＝１６．６－１１＝５．５（ｃｍ）

因为道密度＝４０道／ｃｍ，所以４０＊５．５＝２２０道，即２２０个柱面

（２）内层磁道周长为２∏Ｒ＝２＊３．１４＊１１＝６９．０８（ｃｍ）

每道信息量＝４００位／ｃｍ＊６９．０８ｃｍ＝２７６３２位＝３４５４Ｂ

每面信息量＝３４５４Ｂ＊２２０＝７５９８８０Ｂ

盘组信息量＝７５９８８０＊（１２－１０）＝７５９８８００Ｂ

（３）数据传输率Ｄｒ＝ｒＮ

Ｎ为每道容量＝３４５４Ｂ

ｒ为磁盘转速＝２４００／６０＝４０转／秒

Ｄｒ＝４０＊３４５４＝１３８１６Ｂ／秒

（４）采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块（扇区），每个记

录块记录固定字节数目的信息，在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式

可用如下格式：

１６个扇区。

（６）如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读／写快。

光盘的恒定线速度是每秒钟读出７５个扇区

ＣＤ－ＲＯＭ光盘的外缘有５ｍｍ宽的范围因记录数据困难，一般不使用，故标准

的播放时间为６０分钟。计算模式１和模式２情况下光盘存储容量是多少？

解：扇区总数＝６０分钟＊６０秒＊７５扇区／秒＝２７００００（扇区）

模式１存放计算机程序和数据，其存储容量为

２７００００＊２０４８Ｂ／２２０＝５２７ＭＢ

２７００００＊２３３６Ｂ／２２０＝６０１ＭＢ

四、分析题

●分析主存与cache的三种地址映射算法及示意图。并能分析地址变换原理。

全相联方式：将主存中一个快的地址（块号）与字的内容（字）一起存于cache

的行中，其中块地址存于cache行的标记部分中。

行号

L0 L1

L2 L3 L4 L5 L6 L7块号

B0 B1

Bn

CPU访存指令指定了一个内存地址（包括主存和cache），为了快速检索，指令中的块号与cache中所有行的标记同时在比较器中进行比较。如果块号命中，则按字地址从cache中读取一个字；如果块号未命中，则按内存地址从主存中读取这个字。

直接映射方式：一个内存块只能拷贝到cache的一个特定行位置上去。Cache的行号i和主存的块号j有如下函数关系：

i=j mod m（其中m为cache的行数）

行号

L0 L1

L2 L3 L4 L5 L6 L7块号

B0 B1

Bn

cache将s位的块地址分成两部分：r位作为cache的行地址，s –r位作为标记（tag）与块数据一起保存在该行。当CPU以一个给定的内存地址访问cache时，首先用r位行号找到cache中的此一行，然后用地址中的s - r位标记部分与此行的标记在比较器中作比较。若相符，则命中，在cache中找到了所要求的块，尔后用地址中最低的W为读取所需求的字。若不符，则未命中，有主存读取所要求的字。

组相联方式：将cache分成u组，每组v行。主存块存放到哪个组是固定的，至于存到该组哪一行是灵活的，有如下函数关系：

m = u * v

组号q = j mod u

行号

L0

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

块号

B0

B1

Bn

}

}

}

当CPU给定一个内存地址访问cache时，首先用块号域的低d位找到cache的相应组，然后将块号域的高s –d位与该组v行中的所有标记同时进行比较。哪行的标记与之相符，哪行即命中。

●Cache的一致性、替换策略、写入策略

要注意cache与CPU、cache与主存之间的关系。一致性主要是考虑数据的一致性，要我们分析的也就是分析当数据修改时cache与主存之间数据的一致性。

替换策略：

（１）最不经常使用算法（LFU）：将一段时间内被访问次数最少的哪行数据换出。

（２）近期最少使用算法（LRU）：将近期内长久未被访问过的行换出。

（３）随机替换：从特定的行位置中随机地选取一行换出。

写入策略：

（１）写回法：当CPU写cache命中时，只修改cache的内容，而不立即写入主存；只有当此行被换出时才写回主存。

（２）全写法：当写cache命中时，cache与主存同时发生些修改。

（３）写一次法：只是第一次写命中时要同时写入主存。

●分析存储器的正确R/W时序图

如图示SRAM的写入时序图。其中R/W是读/写命令控制线，当R/W线为低电平时，

存储器按给定地址把数据线上的数据写入存储器。请指出图中写入时序中的错误，

并画出正确的写入时序图。

地址

数据

CS

R/W

123

45

解：写入存储器的时序信号必须同步。通常，当R/W线加负脉冲时，地址线和数据线的电平必须是稳定的。当R/W线达到低电平时，数据立即被存储。因此，当R/W 线处于低电平时，如果数据线改变了数值，那么存储器将存储新的数据。同样，当R/W 线处于低电平时地址线如果发生了变化，那么同样数据将存储到新的地址。

正确的写入时序如下图所示：

数据

CS

R/W 地址

● 用定量描述法或时空图法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。 用时空图法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。

C S A N Zi

Z1

（a ） 非流水线时空图

Z4

（b ） 流水线时空图

比较（a ）和（b ）发现，流水计算机在8个单位时间中执行了5条指令，而非流水计算机在8个单位时间内仅执行了2条指令，所以流水计算机具有更高的吞吐率。 用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。

假设上题中流水负电假发其每个过程所需时间为：阶码比较t1= 70ns ，对阶操作

t2 = 60ns ，相加t3=90ns ，规格化t4=80ns

非流水计算机吞吐率TP1 = 1/（t1 + t2 + t3 +t4）= 1/300；

流水计算机吞吐率TP2 = TPmax / （1 + （k – 1）n ）= （1 / 90）/（1 +（4 -1）/ 5）=1 / 144ns

因为TP2 > TP1

故流水线计算机具有更高的吞吐率。

● 指令的特点、单字长、双字长、寻址方式、特性。

单字长与双字长的区分？

指令数是根据OP 位数来确定和计算的

该指令的作用？

指令格式如下所示，其中OP 为操作码，试分析指令格式的特点。

15 9 7 4 3 0

解：

（１）单字长二地址指令。

（２）操作码字段OP可以指定27 = 128条指令。

（３）源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（可分别指定16个），所以是RR 型指令，两个操作数均在寄存其中。

（４）这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令。

指令格式如下所示，OP为操作码字段，试分析指令格式特点。

（１）双字长二地址指令，用于访问存储器。

（２）操作码字段OP为6位，可以指定26= 64种操作。

（３）一个操作数在源寄存器（共16个），另外一个操作数在存储器中（由变址寄存器和位移量决定），所以是RS型指令。

根据不同的指令分析CPU的工作原理（包括硬布线和微程序两种方法，以单总线结构CPU中的某一指令如ADD、AND、JMP、INC之一为例）