第6章存储系统习题解答080916

思考题与习题解答：
1. 解释下列概念：
主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory、存取周期、存储器带宽、存储层次、直接映象、全相联映象、组相联映象、LRU、失效率、磁盘阵列、虚拟存储器
2. 说明存储器的存取时间与存取周期之间的联系与区别。

解：存取时间是指存储器从接收到CPU发来的读写命令和单元地址开始，到读出或写入数据所需的时间。

存取周期是指连续两次读写存储器所需的最小时间间隔。

两者都是反映存储器存取速度的指标，显然存取周期大于存取时间。

在存储器进行读写操作时，由于存储元件本身的性能，做完一次存或取后，不能马上进行另外的存或取，需要一段稳定和恢复时间。

存取周期就是存取时间加上存储单元的恢复稳定时间。

3. 什么是存储器的带宽？如果存储器总线宽度为32位，存取周期为250ns，该存储器带宽为多少？
解：存储器带宽是指每秒钟可以从存储器读出或向存储器写入的二进制位的数目，表明了一个存储器单位时间处理信息的能力。

若总线宽度为32位，存储周期为250ns，则：
存储器带宽=32Bit/250ns=128Mbit/s
4. 指出下列存储器哪些是易失性的？哪些是非易失性的？哪些是读出破坏性？哪些不是？
DRAM，SRAM，ROM，Cache，磁盘，光盘
解：易失性：DRAM、SRAM和Cache；非易失性：ROM、磁盘和光盘
读出破坏性：DRAM，其余都不是读出破坏性。

5. ROM和RAM两者的差别是什么？
解：RAM是随机存取存储器，ROM是只读存储器。

RAM是易失性的，一旦断电，则保存的信息全部消失，ROM为非易失性的，其信息可以长期保存，常用于存放一些固定的数据和程序，如计算机的自检程序、BIOS、BASIC解释程序等。

6. 简述“Cache-主存”和“主存-辅存”层次的区别。

解：
“Cache-主存”“主存-辅存”
目的为了弥补主存速度的不足为了弥补主存容量的不足存储管理实现全部由专用硬件实现主要由软件实现
访问速度的比值
几比一几百比一
（第一级比第二级）
大小
典型的块（页）几十个字节几百到几千个字节
CPU对第二级的
可直接访问均通过第一级
访问方式
失效时CPU是否切换不切换切换到其它进程
7. 单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？
解：(1) 速度越快，每位价格就越高；
(2) 容量越大，每位价格就越低；
(3) 容量越大，速度越慢。

采取多级存储层次方法来解决。

8. 在存储层次中应解决哪四个问题？
解：(1) 映象规则
当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上?
(2) 查找算法
当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块?
(3) 替换算法
当发生失效时，应替换哪一块?
(4) 写策略
当进行写访问时，应进行哪些操作?
9. 地址映象方法有哪几种？它们各有什么优缺点？
解：(1) 全相联映象
实现查找的机制复杂，代价高，速度慢。

Cache 空间的利用率较高，块冲突概率较低，因而Cache 的失效率也低。

(2) 直接映象
实现查找的机制简单，速度快。

Cache 空间的利用率较低，块冲突概率较高，因而Cache 的失效率也高。

(3) 组相联映象
组相联是直接映象和全相联的一种折衷。

10. 存储系统采用层次结构的目的是什么？实现存储器层次结构的先决条件是什么？
解：存储器采用层次结构可以提高计算机系统的性能/价格比，即在速度方面接近最高一级的存储器，而在容量和价格方面接近最低一级的存储器。

实现存储器层次结构的先决条件是程序的局部性原理。

11. 某计算机字长为32位，主存以字节编址，试画出存储器中字地址和字节地址的分配情况。

解：存储器中字地址和字节地址的分配情况如下图所示。

12. 某机字长32位，其存储容量为4MB ，若按字编址，它的寻址范围是多少？
解：. 0~1M
13. 设有一个具有24位地址和8位字长的存储器，问：
(1) 该存储器能够存储多少字节的信息？
(2) 如果存储器由4M ×1位的RAM 芯片组成，需要多少片？
(3) 需要多少位作芯片选择？
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解：(1) 存储单元数为224=16M单元，每个单元为8位字长，即一个字节，所以能存储16M=16777216个字节的信息。

(2) 由于存储容量为16MB，每4M字节需要8片，故所需芯片数量为16/4×8=32片。

(3) 4M×1位的RAM芯片需要22位地址线，所以，可以把地址线的低22位直接连接到芯片的A0—A21管脚，而A22和A23则通过2：4线译码器进行芯片选择。

14. 设某计算机采用1K×4位DRAM芯片组成2K×8位的存储器，请回答：
(1) 设计该存储器共需要多少片DRAM芯片？
(2) 画出芯片连接图。

解：(1) 设计该存储器共需要2/1×8/4=4片
(2) 芯片连接图如下图所示
15. 下面关于存储器的描述，请指出哪些是正确的，哪些是错误的
(1) CPU访问主存储器的时间是由存储器的容量决定的，存储容量越大，访问时间越长；
(2) 因为DRAM是破坏性读出，所以必须不断刷新；
(3) RAM中的任何一个单元都可以随机访问；
(4) ROM中的任何一个单元不能随机访问；
(5) 一般情况下，ROM和RAM在存储器中是统一编址的；
(6) EPROM中存储的信息断电后会消失
解：(1) 错，主存是随机存储器，任何单元的访问时间都是相同的，与容量大小无关；(2) 错，刷新不仅仅是因为破坏性读出，由于DRAM靠电容存储信息，即使不读出，其信息也会因为电容放电而消失。

所以为保证数据的正确性，必须使数据周期性地再生，即刷新。

(3) 正确
(4) 错，ROM中存储的信息不能修改，但是访问仍然是随机的。

(5) 正确
(6) 错，EPROM是只读存储器，与半导体随机存储器制作工艺不同，不会因为断电丢失信息。

16. 设CPU有16根地址线，8根数据线，并用MREQ作为访存控制信号(低电平有效)，用WR
作为读写控制信号(高电平为读，低电平为写)。

现有下列存储芯片：1K×4位RAM、4K×8位RAM、8K×8位RAM、2K×8位ROM、4K×8位ROM、8K×8位ROM及74LS138译码器和各种门电路，试画出CPU与存储器的连接图，要求：
(1) 主存地址空间分配：6000H~67FFH为系统程序区，6800H~6BFFH为用户程序区；
(2) 合理选择上述存储芯片，说明各选几片；
(3) 详细画出存储芯片的片选逻辑图。

解：参见唐朔飞《计算机组成原理》P94，例4.1
17. CPU及其他芯片假设同上题，画出CPU与存储器的连接图，要求主存的地址空间满足下列条件：最低8K地址为系统程序区，与其相邻的16K地址为用户程序区，最大4K地址空间为系统程序工作区。

详细画出存储芯片的片选逻辑并指出存储芯片的种类及片数。

解：参见唐朔飞《计算机组成原理》P96，例4.2
18. 某DRAM芯片内部的存储单元为128×128结构。

该芯片每隔2ms必须刷新一次，且刷新是通过顺序对所有128行的存储单元进行内部读操作和写操作实现的。

设存储器周期为500ns。

求其刷新的开销(即2ms时间内进行刷新操作的时间所占的百分比)。

解：每刷新一行需要进行一次读操作和一次写操作，共2个存储器周期，故每行的刷新时间为500ns×2=1μs。

在2ms内时间内需进行128次刷新，需时128μs，故刷新开销为：
128μs/2ms=6.4%
19. 某SRAM芯片有17位地址线和4位数据线，用这种芯片为32位字长的处理器构成1M ×32位的存储器，并采用模块板结构。

问：
(1) 若每个模块板为256K×32位，共需要几块板？
(2) 每块板内共需要多少片这样的芯片？
(3) 所构成的存储器需要多少片这样的芯片？
(4) 共需要多少位地址线，各完成什么功能？
解：(1) 1M=1024K，共需要模块板1024/256=4块
(2) 该芯片为217×4位=128K×4位，故每块板内需要芯片（256/128）×（32/4）=16片
(3) 构成该存储器共需要4×16=64片芯片
(4) 所构成的存储器总容量为1M×32位=4MB=222字节，故需要22位地址线。

在每个模块内，首先用每两片位并联的方式构成128K×8位的空间，芯片内部需要17位地址线。

然后用两组这样的存储空间通过地址串联构成256K×8位的存储体，4个存储体通过位并联构成一个模块板。

共有4块模块板。

地址线可以这样分配：A0—A16用于连接所有存储芯片内部地址线，A17用于从各个存储体内两组存储空间中选择一组(每组用2片芯片通过位并联方式组成，为8位，一个字节)，A18和A19通过2：4译码器选择各个模块板内4个存储体中的一个，而A20和A21通过2：4译码器选择4个模块板中的一块。

20. 在虚拟存储器中，物理空间和逻辑空间有何联系和区别？
解：物理空间是主存的实际空间，也称为实存空间；逻辑空间是程序员编程时可用的虚拟地址对应的地址空间，也称为虚存空间。

通常情况下，逻辑空间远远大于物理空间。

物理空间是运行程序时，计算机能提供的真正的存储空间，而逻辑空间用户编程时可以运用的虚拟空间，程序运行过程中，必须把逻辑地址映射到物理地址，才能真正访存(包括读取指令和读写数据)。

21. 设主存容量为4MB，虚拟存储器容量为1GB，则虚拟地址和物理地址各为多少位？根据寻址方式计算出来的有效地址是虚拟地址还是物理地址？
解：虚拟存储器容量=1GB=230B，因此，虚拟地址为30位。

主存容量=4MB=222B，因此物理地址为22位。

在采用虚拟存储器的计算机系统中，程序中寻址方式计算出来的有效地址是虚拟地址。

22. 已知某程序中一条指令的逻辑地址为01FE0H，该系统使用页式虚拟存储器，虚拟地址为18位，页面大小为1KB，该程序的页表起始地址为0011B；已知主存中页表的页表项低4位为物理页号，并且已知3个主存单元低4位的内容如下：
主存地址低4位内容
0007H 0001
0300H 0011
0307H 1100
求该指令的物理地址。

解：在页式存储器管理中，为每个程序建立一张页表，记录虚页在主存中对应的物理页号。

程序中给出的地址是虚地址，要转换成物理地址，必须通过查找该程序对应的页表，找到物理页号。

具体转换过程如下：
虚地址=01FE0H=00，0001，1111，1110，0000B，页面大小为1K，故页内位移为10位，即虚拟地址的低10位“11，1110，0000”为页内位移，剩余的高位部分“0000，0111”为虚页号，由于页表起始地址为0011B，故该虚拟地址对应的页表项地址为：
0011，0000，0111B=307H，主存中该地址单元存放的物理页号为“1100”。

所以，这条指令的物理地址为：11001111100000=33E0H。

23. 欲将“10011101”写入磁表面存储器中：
(1) 分别画出归零制、不归零制、调相制、调频制的写入电流波形
(2) 改进不归零制(NRZ1)的记录原则是见“1”就翻，即当记录“1”时写电流要改变方向；记录“0”时不改变，画出电流波形
(3) 改进调频制(MFM)与调频制(FM)的区别在于FM在信息元交界处写电流总要改变一次方向；而MFM仅当连续记录两个“0”时，信息交界处翻转一次，其他情况不翻转，画出MFM 的写电流波形。

解：各种不同方式的写入电流波形如下图所示：。