《計算機組成原理》習題課：提高題7-11章.ppt

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1 7 1A若對磁表面存儲器寫入代碼10011 請畫出NR 1制 PE制 FM制 MMF制記錄方式的寫入電流波形 設(shè)點流初始方向為 I 7 2B假設(shè)在一個采用組相聯(lián)映象方式的Cache種 主存有B0 B7共8塊組成 Cache有C0 C4共4塊 組內(nèi)塊數(shù)為2塊 每塊位32個字節(jié) 求 1 寫出主存地址的格式 并標出各字段的長度 2 寫出Cache地址的格式 并標出各字段的長度 3 畫出主存與Cache字間各個塊的映象對應關(guān)系 7 3B一個由Cache與主存組成的二級存儲系統(tǒng) 已知主存容量為1MB 緩存容量為32KB 采用組相聯(lián)方式進行地址映象與變換 主存與緩存的每一塊為64B 緩存共分8組 求 1 寫出主存與緩存的地址格式 地址碼長度及各字段名稱與位數(shù) 2 假定Cache的存取周期為20ns 命中率位0 95 希望采用Cache后的加速比大于10 那么要求主存的存取速度應大于多少 2 7 4A某計算機系統(tǒng)的內(nèi)存系統(tǒng)中 已知cache存取周期為45ns 主存存取周期為200ns CPU執(zhí)行一段程序時 CPU訪問內(nèi)存系統(tǒng)共4500次 其中訪問主存的次數(shù)為340次 問 1 Cache命中率H是多少 2 CPU訪問內(nèi)存的平均訪問時間Ta是多少 3 Cache 主存系統(tǒng)的訪問效率e是多少 解 1 Cache命中率HH Nc Nc Nm 4500 340 4500 0 922 CPU訪存的平均時間Ta H Tc 1 H Tm Tc 0 92 45 1 0 92 200 45 61ns3 Cache 主存系統(tǒng)的訪問效率e Tc Ta 100 45 61 100 0 74 100 74 3 7 5某計算機 如果所有的Cache訪問都命中的話 它的CPI 每條指令執(zhí)行的周期數(shù) 時2 0 唯一的數(shù)據(jù)訪問指令是Store和Load 它們占總數(shù)指令的40 不命中的損失是25個時鐘周期 不命中率是2 如果所有的指令訪問Cache都命中的話 那么機器的速度是存在Cache不命中的多少倍 答 設(shè)機器執(zhí)行的總指令條數(shù)為100 設(shè)在所有存儲器訪問都在Cache命中時 所需時鐘周期數(shù)為T1 設(shè)在一般Cache命中率下 執(zhí)行上述指令的時鐘周期為T2 則 T1 指令條數(shù) 平均Cache 100 2 0 200T2 指令條數(shù) CPI 指令總條數(shù) 平均CPI Cache不命中指令條數(shù) 引起的延遲 100 2 0 100 40 2 25 220則加速比S T2 T1 1 1 則在Cache全部命中情況下的機器速度是在Cache有缺失情況下的1 1倍 4 7 6某計算機的存儲系統(tǒng)是由Cache 貯存和磁盤組成的虛擬存儲系統(tǒng) 若一字在Cache中 訪問它需要T1ns 若字不在主存中 將其從磁盤裝入主存需要時間T2ns 主存字訪問周期為T3ns 若Cache的命中率為P1 主存命中率為T2 求出該存儲系統(tǒng)的平均字訪問時間 解 平均字訪問時間 在Cache 在內(nèi)存 不再內(nèi)存即P1T1 1 P1 P2T3 1 P1 1 P2 T2 T3 5 7 7有一主存 Cache層次的存儲器 其主存容量1MB Cache容量是64KB 每塊8KB 若采用直接映像方式 請問主存的地址格式 若主存地址為25301H 那么它在主存的哪一塊 映射到Cache的哪一塊 解 主存地址格式為 區(qū)號 主存塊號 塊內(nèi)地址其中 主存分了1MB 64K 16個區(qū) 所以區(qū)號是4位 主存每個區(qū)中的塊和Cache中的塊相同 是64K 8K 8塊 所以主存塊號是3位 塊內(nèi)地址是13位 即4位區(qū)號3位塊號13位塊內(nèi)地址 地址為25301H 就是00100101001100000001B 也就是00100101001100000001B 它在主存2區(qū)的第2塊 映像到Cache的第2塊 7 8某計算機的Cache采用4路組相連映射 已知Cache容量為16KB 主存容量為2MB 每塊有8個字 每個字32位 請回答 a 主存地址多少位 按字節(jié)編址 各字段如何劃分 個需多少位 b 設(shè)Cache初始時為空 CPU從主存單元0 1 100連續(xù)讀出101個字 主存一次讀出一個字 并重復按此次序讀11次 問命中率為多少 若Cache速度是主存速度的5倍 則采用Cache與無Cache速度提高多少倍 6 7 9某計算機采用直接映射Cache 已知容量為4096B a 若CPU依次從主存單元0 1 99和4096 4097 4195交替取指令 循環(huán)執(zhí)行10次 問命中率是多少 b 如Cache存取時間為10ns 主存存取時間為100ns Cache命中率為95 求平均存取時間 7 10已知某計算機系統(tǒng)共有2KBCache 采用組相連映射方式 分為16組 每組有4個Cache塊 其地址長32位 最小編址單位為字節(jié) a 內(nèi)存地址000010AF16將映射到Cache中的哪一組 b 若內(nèi)存地址000010AF16和FFFF7XYZ16可以同時被映射到Cache中的同一組 那么 xyz可能的取值為多少 7 11什么是虛擬存儲器 它的存儲介質(zhì)有哪些 虛擬存儲器主要要解決什么問題 分別是怎么解決的 7 12虛擬存儲器是如何進行虛地址到內(nèi)存實地址的轉(zhuǎn)換的 說明段表的組成 哪些常用的指令尋址方式可用在虛實地址的轉(zhuǎn)換中 7 8 1某活動磁頭磁盤組的性能參數(shù)如下 轉(zhuǎn)數(shù)6000轉(zhuǎn) 分 每道容量20KB 平均尋道時間10ms 假定操作系統(tǒng)采用兩種方式訪問該磁盤組 第一種方式每次讀取2KB 第二種方式每次讀取8KB 已知操作系統(tǒng)訪問磁盤的時間開銷為5ms的額外開銷和2KB ms的傳輸開銷 求 1 計算該次片組的數(shù)據(jù)傳輸率和平均尋址時間 即從磁頭定位到目標磁道開始到尋找到目標扇區(qū)的平均時間 2 如果要讀取一個很大的磁盤文件 操作系統(tǒng)按第一種方式和第二種方式所需的時間比是多少 8 8 2設(shè)某磁盤有兩個記錄面 存儲區(qū)內(nèi)直徑為2 36英寸 外直徑為5英寸 道密度為1250TPI TPI 磁道數(shù) 英寸 內(nèi)直徑處的位密度為52 400bpi 位 英寸 轉(zhuǎn)速為2400rpm rpm 分 請解答 每面有多少磁道 每磁道能存儲多少字節(jié) 數(shù)據(jù)傳輸率是多少 設(shè)找道時間在10ms 40ms之間 在一個磁道上寫上8000字節(jié)數(shù)據(jù) 平均需要多少時間 解答 已知道密度Dcylinder 1250TPI 內(nèi)直徑Diminner 2 36英寸 外直徑Dimoutside 5英寸 則每面的磁道數(shù)N每面磁道數(shù)為 N每面磁道數(shù)為 Dcylinder Dimoutside Diminner 2 1250 1 32 1650根據(jù)位密度的楰 這樣每道上存儲的字節(jié)個數(shù)相同 則可存儲的字節(jié)數(shù)可由下公式得到 Num磁道 2 Rinner Dbit Diminner Dbit 8 48562字節(jié) 9 設(shè)數(shù)據(jù)傳輸率為f 則根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸率的定義 由以下公式可以得到解 f Diminner Dbit 8 2400 60 1 94MB s 設(shè)讀取數(shù)據(jù)所需總的時間為T 平均找道時間為TSEEK 旋轉(zhuǎn)延遲為TROTATE 數(shù)據(jù)讀取時間為TREAD 則解過程為 T TSEEK TROTATE TREAD 10 40 2 1 2400 60 2 8 1024 1 94106 103 41 7ms 36 8 3某磁盤存儲器的平均找道時間為Ts 轉(zhuǎn)速為每分r轉(zhuǎn) 每磁道容量為N個字 每信息塊為n個字 試推算讀寫一個信息塊所需時間Tb的計算公式 解答 設(shè)平均等待時間為TWAIT 數(shù)據(jù)讀取時間為TREAD 則一個信息塊的時間為 Tb Ts TWAIT TREAD Ts 60 2 r 60n rN 10 9 1若需顯示一幅有256種顏色1024 768像素的圖像 顯示系統(tǒng)的幀存容量為多少位 如要在屏幕上得到逼真的動態(tài)圖像 假設(shè)每秒傳送50幀 逐行掃描 則傳送頻率為多少 如要顯示漢字 機器內(nèi)設(shè)置有ROM漢字庫 存放一級和二級漢字 漢字采用16 16點陣 則漢字庫的容量是多少 答 顯示系統(tǒng)的幀緩沖容量為 1024 768 2256 6291456位 傳送頻率為 50 6291456 8 39 3216Mbit s 一級漢字個數(shù)為3755個 二級漢字為3008個 漢字庫容量為 3755 3008 16 16 8 216416字節(jié) 11 9 2一個黑白CRT 顯示具有16級灰度的圖片 已知CRT的分辨率為800 600 問顯示RAM的容量為多少 如幀同步脈沖的頻率為30Mhz 則視頻脈沖的頻率應是多少 答 顯示RAM容量為 800 600 216 240kB視頻脈沖的頻率是 800 600 30 1 44Mhz9 3如果某計算機顯示器的分辨率為1024 768 65535灰度級 則它顯示卡的刷新存儲器至少為多少kB 答 需要容量為 1024 768 265535 1536kB9 4某位圖終端的顯示器分辯率為1024 768 顯示器每秒鐘刷新75次 對應于一個像素點的刷新時間是多長 9 5激光打印機有哪些部件組成 它的工作原理是什么 12 10 1簡答題 什么是總線裁決有哪幾種方式 集中式總線裁決方式有哪些 這些總線裁決方式各有哪些特點 答 總線裁決 當采用非專用總線時 由于可能有多個設(shè)備或部件同時申請使用總線 就應該由總線控制機構(gòu)來按照某種優(yōu)先次序裁決 以保證在同一時間內(nèi)只能有一個高優(yōu)先級的申請都以得對總線的使用權(quán) 有兩種方式 集中式總線控制和分布式總線控制 集中式總線裁決方式有3種 串行鏈 定時查詢 獨立請求 其特點分別是 串行鏈接的特點是邏輯簡單 擴充性好活性差 定時查詢的特點是靈活性好 可靠性高 控制線多 擴展性稍差 獨立請求的特點是速度快 靈活性好 控制線數(shù)量過大 13 10 2某計算機的外部設(shè)備具有三級中斷功能 中斷響應次序基本上由硬件排隊電路決定 但可利用各個外部設(shè)備控制中斷屏蔽控制位來封鎖本設(shè)備的中斷請求信號 設(shè)所有中斷處理程序的執(zhí)行時間相同 均為T 在5T時間內(nèi)共發(fā)生5次中斷請求信號 如圖所示 請圖示各個中斷處理程序占用的時間段及中斷程序完成的次序 軟件進行干預 當執(zhí)行中斷處理程序 時 屏蔽二級中斷 請圖示各個中斷處理程序占用的時間段及中斷程序完成的次序 解答 沒有軟件進行干預時 實際響應順序為 所以 中斷處理程序占用的時間段及中斷程序完成的次序如圖所示 14 15 由于進行了軟件干預 實際響應時發(fā)生了變化 雖然 的級別高于 但是當 先到來時 并不能中斷它 所以 進行了軟件干預后 中斷處理程序占用的時間段及中斷程序完成的次序如圖所示 16 10 3什么叫中斷嵌套 CPU中斷處理周期完成哪些工作 答 中斷嵌套 當已經(jīng)有中斷發(fā)生并轉(zhuǎn)入服務(wù)程序 而且并不禁止其他中斷發(fā)生時 此時又有別的高級中斷源發(fā)生請求 因而被迫停止當前的中斷服務(wù)程序 轉(zhuǎn)去響應更高優(yōu)先權(quán)的中斷請求 這就形成中斷的嵌套 CPU中斷處理周期要完成的工作 A 關(guān)中斷 防止保存現(xiàn)場不完整 B 保存斷點和現(xiàn)場 保證今后能正確返回中斷點 C 判斷中斷源 轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序 多個中斷源同時請求 選擇最高優(yōu)先權(quán)的中斷源 并轉(zhuǎn)入相應的服務(wù)程序入口 D 開中斷 允許更高級中斷響應 E 執(zhí)行中斷服務(wù)程序 實際有效的服務(wù)工作 F 關(guān)中斷 防止恢復現(xiàn)場不完整 G 恢復現(xiàn)場 恢復斷點 返回中斷點 H 開中斷 此次中斷響應結(jié)束 允許各種中斷響應 17 10 4簡述子程序調(diào)用和中斷轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行過程與區(qū)別 答 子程序調(diào)用 A 保存當前地址 用于今后返回 B 轉(zhuǎn)移并執(zhí)行子程序 C 執(zhí)行子程序完畢 取出返回地址 并返回 中斷轉(zhuǎn)移指令 A 發(fā)生中斷 并響應 B 關(guān)中斷 防止保存現(xiàn)場不完整 C 保存斷點和現(xiàn)場 保證今后能正確返回中斷點 D 判斷中斷源 轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序 多個中斷源同時請求 選擇最高優(yōu)先權(quán)的中斷源 并轉(zhuǎn)入相應的服務(wù)程序入口 E 開中斷 允許更高級中斷響應 F 執(zhí)行中斷服務(wù)程序 實際有效的服務(wù)工作 G 關(guān)中斷 防止恢復現(xiàn)場不完整 H 恢復現(xiàn)場 恢復斷點 返回中斷點 I 開中斷 此次中斷響應結(jié)束 允許各種中斷響應 子程序調(diào)用和中斷轉(zhuǎn)移指令都會產(chǎn)生當前指令地址的跳轉(zhuǎn) 并且最終都需要返回 但是它們基于不同的目的 因而執(zhí)行過程有很多不同 18 子程序調(diào)用雖然產(chǎn)生指令地址的跳轉(zhuǎn) 但它并不會停止當前程序的執(zhí)行 而且子程序的本身就屬于當前執(zhí)行程序的一部分 而中斷轉(zhuǎn)移指令產(chǎn)生的指令地址的跳轉(zhuǎn) 要求停止當前程序的執(zhí)行 而且不屬于當前執(zhí)行程序的一部分 子程序調(diào)用可能只需保存返回地址 不必保存狀態(tài)寄存器等機器狀態(tài) 而中斷轉(zhuǎn)移指令不僅要保存返回地址 還要保存狀態(tài)寄存器等機器狀態(tài) 子程序調(diào)用過程中并不在意中斷的響應 因而不需要靠開關(guān)中斷來控制 而中斷轉(zhuǎn)移指令中的某些階段 保存和恢復現(xiàn)場 要防止中斷的響應 因而需要靠開關(guān)中斷來控制 防止發(fā)生錯誤 子程序調(diào)用并不需要硬件協(xié)助工作 完全靠軟件實現(xiàn) 而中斷轉(zhuǎn)移指令不僅要靠軟件支持 還要硬件協(xié)助工作 子程序調(diào)用將繼續(xù)保持當前程序的狀態(tài) 用戶模式 系統(tǒng)模式 而中斷轉(zhuǎn)移指令不管當前程序的狀態(tài)都將進入系統(tǒng)模式 19 10 5判斷下列概念的正確性 屏蔽所有的中斷源 即為關(guān)中斷 I O設(shè)備的編址方式分為單獨編址方式和存儲器映射方式 答 正確 關(guān)中斷 即為要屏蔽所有的中斷源 正確 這正是I O設(shè)備的編址的兩種方式 10 6是非題 CPU在響應中斷后可以立即響應更高優(yōu)先級的中斷請求 不考慮中斷優(yōu)先級的動太分配 連接到計算機單總線上的設(shè)備稱為主設(shè)備 答 錯誤 必須要在完整保存現(xiàn)場之后 才能去響應更高級別的中斷 否則會造成現(xiàn)場保存不完整 從而今后無法返回斷點 錯誤 主 從設(shè)備都可連接到單總線上 20 10 7是非題 并簡單說明其原因 CPU可任選CPU停止法 總線周期挪用法或總線周期分時法來實現(xiàn)DMA DMA是主存與外設(shè)間交換數(shù)據(jù)的方式 它也可用于主存與主存之間的數(shù)據(jù)交換 答 正確 這是DMA處理的3種方法 錯誤 DMA是主存與外設(shè)間交換數(shù)據(jù)的方式 它不可用于主存與主存之間的數(shù)據(jù)交換 10 8在一個8級中斷系統(tǒng)中 硬件中斷響應從高到底優(yōu)先順序是 1 2 3 4 5 6 7 8 設(shè)置中斷屏蔽寄存器后 中斷響應的優(yōu)先順序變?yōu)? 3 5 7 2 4 6 8 如果CPU在執(zhí)行一個應用程序時有5 6 7 8級4個中斷同時到達 CPU在按優(yōu)先順序處理到第3個中斷請求的過程中又有一個3級中斷請求到達CPU 試畫出CPU響應這些中斷的順序示意圖 答 CPU響應中斷的順序示意圖如下圖所示 21 22 10 8何謂DMA DMA操作可以分幾個主要步驟 解答 即直接內(nèi)存訪問方式 完全由硬件執(zhí)行I O交換的工作方式 在這種方式下 DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制 數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU 而直接在內(nèi)存與設(shè)備之間進行 DMA操作可以分為3個主要步驟 即傳送前的預處理 正式傳送 傳送后處理階段 預處理階段 由CPU執(zhí)行幾條輸入輸出指令 測試設(shè)備狀態(tài) 向DMA控制器的設(shè)備地址寄存器中送入設(shè)備號 并啟動設(shè)備 向內(nèi)存地址計數(shù)器中送入起始地址 向字計數(shù)器中送入交換的數(shù)據(jù)字個數(shù) 正式傳送階段 外設(shè)準備好發(fā)送數(shù)據(jù) 輸入 或接收數(shù)據(jù) 輸出 時 發(fā)出DMA請求 由DMA控制器向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請求 HOLD CPU在本機器周期執(zhí)行完畢后響應該請求并使CPU的總線驅(qū)動器處于高阻狀態(tài) 然后與系統(tǒng)總線相脫離 DMA控制器接管數(shù)據(jù)總線和地址總線的控制 并向內(nèi)存提供地址 在內(nèi)存和外圍設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換 每交換一個字則地址計數(shù)器和字計數(shù)器加1 當記數(shù)值到0時 DMA操作結(jié)束并向CPU提出中斷報告 DMA后處理工作 一旦DMA的中斷請求得到響應 CPU將停止主程序的執(zhí)行 轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序進行DMA操作的后處理 包括校驗送入內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否正確 決定使用DMA方式傳送數(shù)據(jù)還是結(jié)束傳送 測試傳送過程中是否發(fā)生錯誤 23 10 9從中斷的急迫程度 CPU響應時間和接口控制電路三個方面 說明DMA方式和程序中斷方式的差別 并說明DMA方式中有無中斷請求 為什么 10 10某32位機 字寬32位 的一臺外設(shè)通過32位總線與系統(tǒng)內(nèi)存相連 CPU每秒執(zhí)行106條指令 平均每條指令需要5個機器周期 其中3個周期必須訪問內(nèi)存 內(nèi)存讀寫需要一個機器周期 假定CPU在95 的時間內(nèi)持續(xù)執(zhí)行 背景程序 且這段時間內(nèi)不執(zhí)行I O指令 現(xiàn)該外設(shè)需要把一個非常大的數(shù)據(jù)塊傳送到內(nèi)存 1 如果采用程序I O方式 每傳送以32位字寬的數(shù)據(jù)需要CPU執(zhí)行2條指令 請計算最大數(shù)據(jù)傳輸率 字 秒 2 如果采用DMA方式 在DMA與CPU出現(xiàn)總線沖突時 CPU優(yōu)先 請計算最大數(shù)據(jù)傳輸率 字 秒 24 10 11某8位計算機系統(tǒng)采用單總線結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)總線8根 地址總線16根 系統(tǒng)加電后 CPU中的程序計數(shù)器PC初始值為FFF0H 已知 1 主存地址空間64KB 其中系統(tǒng)BIOS程序大約需要4KB 由4K 4的ROM芯片構(gòu)成 其余地址空間為系統(tǒng)RAM區(qū) 用4K 8的SRAM芯片構(gòu)成 2 該機系統(tǒng)總線上連接一I O接口 接口控制有專用接口芯片實現(xiàn) 該芯片內(nèi)部包含8個用于存放數(shù)據(jù)和狀態(tài)的8位寄存器 3 CPU信號中包括有A0 A15 數(shù)據(jù)線D0 D7 讀控制線 RD和寫控制線 WE 內(nèi)存訪問請求線 MREQ和I O端口訪問請求線 IORQ 4 I O編址采用單獨編址 I O地址占8位 5 接口芯片有雙向數(shù)據(jù)端D0 D7 地址輸入端A0 A2和片選輸入端 CS 通信接口地址范圍為80H 87H 要求 1 請合理分配主存地址空間 指明ROM區(qū)和RAM取得地址范圍 2 請完成存儲器設(shè)計和通信接口設(shè)計 畫出CPU與存儲器和通信接口之間的連接示意圖 25 10 12有5個中斷源D1 D2 D3 D4和D5 它們的中斷優(yōu)先級從高到低分別是1級 2級 3級 4級和5級 這些中斷源的中斷優(yōu)先級 正常情況下的中斷屏蔽碼和改變后的中斷屏蔽碼見下表 每個中斷源有5位中斷碼 其中 0表示該中斷源開放 1表示該中斷源被屏蔽 26 1 當使用正常的中斷屏蔽碼時 處理機響應各中斷源的中斷請求的先后次序是什么 實際上中斷處理的先后次序是什么 2 當使用改變后的中斷屏蔽碼時 處理機響應各中斷請求的先后次序是什么 實際上中斷處理的先后次序是什 3 如果采用改變后的中斷屏蔽碼 D1 D2 D3 D4和D5 這5個中斷圓筒是請求中斷時 畫出處理機響應中斷源的中斷請求和實際運行中斷服務(wù)過程的示意圖 27 10 13由4個中斷源D1 D2 D3和D4 它們的中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽碼見下表 表中 1表示該中斷源被屏蔽 0表示該中斷開放 假設(shè)從處理機響應中斷源的中斷服務(wù)請求到運行中斷服務(wù)程序中第一次開中斷所用的時間為1微秒 其它服務(wù)時間為10微秒 求 1 處理器在0時刻開始響應中斷請求 這時4個中斷源都已經(jīng)申請中斷服務(wù) 寫出處理機開始響應各中斷源的中斷請求和處理機為各中斷源完成中斷服務(wù)的時刻 2 處理機在0時刻開始響應中斷請求 這時中斷源D3和D4已經(jīng)申請中斷服務(wù) 在6微秒時中斷源D1和D2申請中斷服務(wù) 寫出處理機開始響應各中斷源的中斷請求和處理機為各中斷源完成中斷服務(wù)的時刻 28 10 14總線仲裁的作用是什么 通常采用什么機制完成總線仲裁 為什么 10 15假定某外設(shè)向CPU傳送信息 最高頻率為40K次 秒 而相應的中斷處理程序的執(zhí)行執(zhí)行時間為40 s 問該外設(shè)是否可采取中斷方式工作 為什么 29