第三章 计算机组成原理.docx
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第三章计算机组成原理
第三章【课后习题1、2、3
(1)、4
(1)
(2)、5、6、7、8、9、10、11、13、15】
存储器扩展基本概念
存储器扩展(位、字、位字同时扩展)
◆存储器操作:
---------------------------------------------------【存储器读写过程】结合实验
①输入设备输入程序和数据,存储器写操作;
②CPU读取指令,存储器读操作;
③CPU执行指令时需读取操作数,存储器读操作;
④CPU将处理的结果存入存储器,存储器写操作;
⑤输出设备输出结果,存储器读操作;
归纳存储器功能:
·具有稳定的记忆能力;
·能快速完成读/写操作。
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1、存储器:
是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据。
2、存储元:
存储器的最小组成单位,用以存储1位二进制代码。
3、存储单元:
是CPU访问存储器基本单位,由若干个具有相同操作属性的存储元组成。
4、单元地址:
在存储器中用以表示存储单元的唯一编号,CPU通过该编号访问相应的存储单元。
5、字存储单元:
存放一个字的存储单元,相应的单元地址叫字地址。
6、字节存储单元:
存放一个字节的存储单元,相应的单元地址叫字节地址
7、按字寻址计算机:
可编址的最小单位是字存储单元的计算机。
8、按字节寻址计算机:
可编址的最小单位是字节的计算机。
9、存储体:
存储单元的集合,是存放二进制信息的地方
10、存储容量:
存储容量是指存储器可以容纳的二进制信息量,用存储器中存储地址寄存器的编址数与存储字位数的乘积表示。
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◆存储器各个概念之间的关系
◆存储器的分类
1.按存储介质分:
半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器。
2.按存取方式分:
1)随机存储器RAM2)只读存储器ROM3)串行访问存储器
3.按在计算机中的作用分:
主存储器、辅助存储器、缓冲存储器。
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◆存储器分类
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◆半导体存储器
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【主存储器的技术指标】
存储容量;存取时间(存储器访问时间)、存储周期和存储器带宽;可靠性;功耗及集成度。
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动态RAM刷新
刷新与行地址有关①集中刷新、(存取周期为0.5μs)、以32×32矩阵为例
“死区”为0.5μs×32=16μs
“死时间率”为32/4000×100%=0.8%
例如:
对128128矩阵存储器刷新。
刷新时间相当于128个读周期;
设刷新周期为2ms,读/写周期为0.5s,则刷新周期有4000个周期,其中
3782个周期(1936s)用来读/写或维持信息;
128个周期(64s)用来刷新操作;
当3781个周期结束,便开始进行128个周期,64s的刷新操作。
集中式刷新适用于高速存储器。
存在不能进行读写操作的死区时间.
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②分散刷新(存取周期为1μs)、以128×128矩阵为例
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例:
说明1M×1位DRAM片子的刷新方法,刷新周期定为8ms。
1M位的存储单元排列成5122048的矩阵;
如果选择一个行地址进行刷新,刷新地址为A0~A8(29),
因此这一行上的2048个存储元同时进行刷新;
在8ms内进行512个周期的刷新;
刷新方式可采用:
在8ms中进行512次刷新操作的集中刷新方式;
按8ms÷512=15.5s刷新一次的异步刷新方式。
3.3.4存储器容量的扩充
★位扩展法:
只加大字长,而存储器的字数与存储器芯片字数一致,对片子没有选片要求
★字扩展法:
仅在字向扩充,而位数不变.需由片选信号来区分各片地址。
★字位同时扩展法:
一个存储器的容量假定为M×N位,若使用l×k位的芯片(l<M,k<N),需要在字向和位
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●位扩展法:
使用8K*1的RAM芯片,组成8K*8位的存储器,只须加大字长而存储器的字数与存储器芯片的字数一致。
每一片RAM是8K*1,故其地址线为13条,每一片对应于数据的一位,只需将它们分别接到数据总线的相应位即可。
地址线直接相连,数据线分高低位分别与各芯片相连
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字扩展法:
字扩展仅在字向扩充,而位数不变,因此将芯片的地址线、数据线、读写控制线并联,而由片选信号来区分各片地址。
用16K×8位的芯片采用字扩展法组成64K×8位的存储器
16K×8位的芯片采用字扩展法组成64K×8位的存储器
地址线分高低位,高位地址经译码作为片选信号,低位地址为片内地址直接相连与各芯片相连,数据线直接与各芯片相连
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字位同时扩展法:
2114的结构是1K×4位,故可用两片2114按位扩充方法组成1K×8位的存储器组,用8片可组成4组1K×8位的的存储器。
1K芯片有10根地址线,可接地址总线A9~A0,每一组中的两片2114的数据线,则分别接数据总线的高4位和低4位。
为什么采用高速存储器?
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存储器扩展例题【重点】
【例3】 CPU的地址总线16根(A15—A0,A0为低位),双向数据总线8根(D7—D0),控制总线中与主存有关的信号有MREQ(允许访存,低电平有效),R/W(高电平为读命令,低电平为写命令)。
主存地址空间分配如下:
0—8191为系统程序区,由只读存储芯片组成;8192—32767为用户程序区;最后(最大地址)2K地址空间为系统程序工作区。
上述地址为十进制,按字节编址。
现有如下存储器芯片:
EPROM:
8K×8位(控制端仅有CS);SRAM:
16K×1位,2K×8位,4K×8位,8K×8位.请从上述芯片中选择适当芯片设计该计算机主存储器,画出主存储器逻辑框图,注意画出选片逻辑(可选用门电路及3∶8译码器74LS138)与CPU的连接,说明选哪些存储器芯片,选多少片。
【解】
主存地址空间分布如图所示。
根据给定条件,选用EPROM:
8K×8位芯片1片。
SRAM:
8K×8位芯片3片,2K×8位芯片1片。
3∶8译码器仅用Y0,Y1,Y2,Y3和Y7输出端,
且对最后的2K×8位芯片还需加门电路译码
3.5.2多模块交叉存储器
【例4】设存储器容量为32字,字长64位,模块数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τ=50ns。
问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:
q=64位×4=256位
顺序存储器和交叉存储器连续读出4个字所需的时间分别是:
t2=mT=4×200ns=800ns=8×10-7s;
t1=T+(m-1)=200ns+30ns=350ns=35×10-7s
顺序存储器和交叉存储器的带宽分别是:
W2=q/t2=256÷(8×10-7)=32×107[位/s];
W1=q/t1=256÷(35×10-7)=73×107[位/s]
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Cache命中率计算(5分)
3.cache的命中率
设Nc表示cache完成存取的总次数,Nm表示主存完成存取的总次数,h定义为命中率,则有
若tc表示命中时的cache访问时间,tm表示未命中时的主存访问时间,1-h表示未命中率,则cache/主存系统的平均访问时间ta为:
ta=htc+(1-h)tm
设r=tm/tc表示主存慢于cache的倍率,e表示访问效率,则有:
【例5】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/主存系统的平均访问时间和效率。
【解】
h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95
ta=htc+(1-h)tm=60ns
e=tc/ta=83.3%
主存与cache地址映射基本原理
什么是地址映射及三种方式、特点分析?
地址映射即是应用某种方法把主存地址定位到cache中。
址映射方式有全相联方式、直接方式、组相联方式
1.全相联映射方式
主存中一个块的地址与块的内容一起存于cache的行中,其中块地址存于cache行的标记部分中。
这种方法可使主存的一个块直接拷贝到cache中的任意一行上。
2.直接方式
直接映射方式也是一种多对一的映射关系,但一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位上去。
3.组相联方式
组相联映射方式前两种的方式的折中方案,扬长避短。
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全相联映射方式字占多少位?
什么是物理地址?
什么是虚拟地址?
1、实地址与虚地址:
用户编制程序时使用的地址称为虚地址或逻辑地址,其对应的存储空间称为虚存空间或逻辑地址空间;而计算机物理内存的访问地址则称为实地地或物理地址,其对应的存储空间称为物理存储空间或主存空间。
程序进行虚地址到实地址转换的过程称为程序的再定位。
虚拟存储器管理方式三种,页式、段式、页段式、
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【例6】假设有三道程序(用户标志号为A,B,C),其基址寄存器内容分别为SA,SB,SC,在主存中,每道程序都有一张段表,A程序有4段,C程序有3段。
每段应有一张页表,段表的每行就表示相应页表的起始位置,而页表内的每行即为相应的物理页号。
请说明虚实地址变换过程。
【解】
地址变换过程如下:
①根据基号C执行SC加1(段号)操作,得到段表相应行地址,其内容为页表的起始地址b。
②执行b+2(页号),得到物理页号的地址,其内容即为物理页10。
③物理页号与页内地址拼接即得物理地址。
如计算机只有一个基址寄存器,基号可不要,多道程序切换时,操作系统修改基址寄存器内容。
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