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    《計算機組成原理》課程習題答案_秦磊華2011-9-8 下載本文

    《計算機組成原理》習題答案 (秦磊華)

    第四章 存儲系統 習 題 四

    4.l 解釋下列名詞:

    存儲單元:保存數據的基本內存單元。根據保存內容的大小,一般可分位存儲單元,字存儲

    單元等。存儲單元一般應具有存儲數據和讀寫數據的功能,每個單元有一個地址,并按地址訪問。 存取時間:又稱為存儲器的訪問時間,是指啟動一次存儲器的操作(讀或寫分別對應存與取) 到該操作完成所經歷的時間。

    存取周期:連續啟動兩次訪問操作之間的最短時間間隔。

    存儲器帶寬:單位時間內存儲器所能傳輸的信息量,常用的單位包括位/秒或字節/秒。 靜態存儲器:存儲體以靜態MOS存儲元為基本單元組成的存儲器稱為靜態存儲器。 動態存儲器:存儲體以動態存儲元為基本單元組成的存儲器稱為動態存儲器。

    刷新:動態存儲單元中,為使所存信息能長期保存,在電容電荷泄露完之前定時地補充電荷 的過程。

    猝發式讀:只需給出塊的起始地址,然后對固定塊長度的數據一個接一個地讀出的快速存儲器讀

    方式。即一塊數據的讀出只需要給出一個地址的數據讀取方式。

    多模塊交叉存儲器:由多個存儲容量相同,讀寫速度相同或相近的多個存儲模塊構成容量更

    大的存儲器,其中每個存儲模塊具有各自獨立的地址寄存器、地址譯碼器、驅動電路和讀寫控制電路,根據存儲模塊的組織方式不同,又可分為低位交叉和高位交叉兩種組織方式。。

    高速緩沖存儲器:為緩解快速的CPU與慢速主存之間的速度差異,在CPU和主存之間插入的

    一至多級速度較快、容量較小的SRAM,起到緩沖作用;使CPU既可以以較快速度存取SRAM中的數據,又不使系統成本上升過高。

    雙端口存儲器:指同一個存儲器具有兩組相互獨立端口的存儲器,每個端口有各自獨立的數 據端口、地址端口以及讀/寫控制端口、片選端口等,每個端口可獨立進行 讀寫操作。

    相聯存儲器:是一種按內容訪問的存儲器(Content Addressable Memory:CAM),用于提

    高查找信息的速度。在計算機系統中,相聯存儲器主要用于虛擬存儲器中存放段表、頁表和快表以及高速緩沖存儲器中的查找。

    時間局部性:指當程序訪問一個存儲位置時,有很大的可能性程序會在不久的將來再次訪問 同一位置,程序的循環結構和過程調用就很好地體現了時間局部性。 地址映射:指把主存地址空間映射到Cache的地址空間,即把存放在主存中的程序或數據按 照某種規則裝入到Cache,并建立兩者之間地址的對應關系。

    組相聯映射:地址映射時,主存數據塊只能映射到索引字段所指向的Cache特定組(其中的 行可任選);地址變換時,需查找的范圍也只是索引字段所指向的特定Cache

    組的所有行。

    直接映射:地址映射時,主存數據塊只能映射到索引字段所指向的Cache行中保存;地址變 換時,需查找的范圍也只涉及索引字段所指向的特定Cache行。

    全相聯映射:主存地址不劃分索引字段,因此地址映射時,主存數據塊可以映射到Cache 的任意行中;地址變換時,需查找所有的Cache行。

    命中率:指CPU訪問存儲系統時,命中Cache的次數占總訪問次數的比鋁。設NC為某程序

    運行期間命中Cache的次數,Nm為從主存中訪問信息的次數,則 命中率(hit ratio)H定義為:

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    地址復用:可以從不同的角度來理解該概念。第一種方式是指CPU的地址線在一次存儲訪問過程中多次使用,每次作為訪問地址的不同部分使用;另一種是指地址線在一次存儲訪問的不同階段分別作為地址線和數據線使用,即地址總線在存儲訪問的不同時間段表現出不同的功能。

    字擴展:用多位滿足一定要求的存儲芯片構成容量更大的存儲器。 位擴展:用多片存儲芯片構成位數更多的存儲器。

    虛擬存儲器:是一種解決主存容量不足的存儲管理機制,處于存儲系統層次結構中“主存-輔存”存儲層次。在這種機制下,通過增加部分軟件(如操作系統)和必要的硬件(如地址映射與轉換機構、缺頁中斷結構等),使輔存和主存構成一個有機的整體,就像一個單一的、可供CPU直接訪問的大容量主存,程序員使用比主存空間大的邏輯地址空間編程序,作業運行時,主需要將作業當前執行的部分調入內存,而其余部分仍然存放在磁盤中,從而減少對主存的消耗。

    頁表(慢表):是一張保存虛擬頁號和物理頁號(也稱實頁號)之間對應關系的表格。

    頁表項:頁表的表項,每一個表項由有效位和物理頁號兩部分構成,用于實現虛擬地址與物

    理地址之間的轉換。

    TLB(快表):又稱為轉換旁路緩沖器(Translation Look- aside Buffer),為了降低虛擬存

    儲器地址轉換的開銷,根據局部性原理,將頁表的一部分裝入MMU或Cache中,從而減少虛擬地址與物理地址之間轉換時訪問內存的次數。

    LRU:LRU(Least Recently Used)算法是將近期內長久未被訪問過的行換出。

    LFU:LFU(Least Frequently Used)算法將一段時間內被訪次數最少的那行數據換出。 存儲保護:為了保證計算機系統能正確運行,當多個用戶共享主存時,應防止由于一個用戶 程序出錯而破壞其他用戶的程序和系統軟件,以及一個用戶程序不合法地訪問不

    是分配給它的主存區域。

    Cache一致性:指保存在cache中的數據與保存在主存相關單元的數據相同。

    寫回法:當CPU對Cache寫命中時,只修改Cache的內容不立即寫入主存,只當Cache行被替換時才將Cache中的數據寫回主存。

    寫直達法:也稱寫貫通法或全寫法,其基本思想是當Cache寫命中時,同時對Cache和主存中

    同一數據塊進行修改;當cache寫未命中時,直接向主存寫入新的信息,但此時是否將修改過的主存塊調入Cache,寫直達法卻有兩種選擇。一種是將數據調入Cache,稱為寫分配法WA(Write-Allocate)。另一種是不取主存塊到Cache,而是直接寫主存,稱為非寫分配法NWA(No-Write-Allocate)。

    邊界對齊的數據存放:指半字、字、雙字都按它們各自地址所指定的空間進行存儲,而不是 隨意存放。 大端:存儲器的低字節地址單元中存放的是數據的最高字節,高字節地址單元中存放的是數 據的最低字節。

    RAID:廉價冗余磁盤陣列RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk)或獨立冗余磁盤

    陣列RAID(Redundant Array of Independent Disk),簡稱磁盤陣列,它將多塊獨立的普通磁盤按照一定的方式組織與管理,構成一個大容量、高速度、高容錯的存儲系統。

    尋道時間:將磁頭定位到指定磁道上所需的時間。

    旋轉時間:磁頭定位到指定磁道后至指定的記錄移到磁頭下的時間。

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    4.2 回答下列問題:

    1)計算機系統中采用層次化存儲體系結構的目的是什么? 層次化存儲體系結構如何構成? 答:采用層次化存儲體系的目的包括兩方面:其一是解決快速的CPU和慢速的主存之間的速度差異;其二是解決主存容量不夠大的問題.

    存儲系統的分級結構由Cache、主存和輔助存儲器三級結構構成。

    其理論基礎是時間局部性原理和空間局部性原理,Cache—主存存儲層次解決了主存速度不快的問題;而主存-輔存存儲層次解決了主存容量不足的問題。 2)為什么在存儲器芯片中設置片選輸入端? 答:由于存儲芯片的容量及字長與目標存儲器的容量及字長之間可能存在差異,應用存儲芯片組織一定容量與字長的存儲器時,一般可采用位擴展、字擴展、字位同時擴展等方法來組織。這樣就會使用多個存儲芯片,從而要設置片選輸入端來選擇正確的存儲芯片來進行操作。 3)動態MOS存儲器為什么要刷新?如何刷新?

    答:動態存儲單元中,信息以電荷形式存儲在T1或T2管的柵極電容中。由于電容容量小,所存電荷會在一段時間后逐漸泄漏(一般為ms級),為使所存信息能長期保存,需要在電容電荷泄露完之前定時地補充電荷,這一過程稱為刷新。 刷新的方法:

    ①刷新方式:集中刷新、分散刷新和異步刷新。前者存在CPU死時間;分散刷新由于刷新次數過多,降低了存儲器的速度;異步刷新是前兩者的折中。

    ②刷新按行進行,因此設計刷新電路時需要知道動態存儲器的內部行、列結構。 ③刷新地址由刷新地址計數提供。

    4)試述多體交叉存儲器的設計思想和實現方法。

    答:多體交叉存儲器由多個存儲模塊構成,這些模塊的容量和存取速度相同,具有各自獨立的地址寄存器、地址譯碼器、驅動電路和讀寫控制電路。根據對多各模塊編址方式的不同,又可分為高位多體交叉和低位多體交叉兩種方式。

    (1)高位交叉:按存儲器地址的高位地址劃分模塊,同一存儲體內的地址是連續的。當多個目標同時訪問存儲器時(如CPU和DMA設備同時訪問存儲器),如果訪問的地方范圍處于不同的存儲芯片,則提供并行訪問。

    (2)低位交叉:按存儲器地址的低位地址劃分模塊,同一存儲體內的地址不相鄰,相鄰地址處在不同存儲體中。CPU可同時啟動多個存儲體,并進行并行訪問。 5)為什么說Cache對程序員是透明的? 答:因為在程序員看來,數據是在內存和輔存之間進行交換的,程序員感覺不到中間層cache 的存在。

    6)直接映射方式下為什么不需要使用替換算法?

    答:因為在直接映射方式中,一個內存塊只能固定的映射到cache中的特定行,當有新的主存塊調入時, cache特定行中的內容必須調出,因此不需要替換算法去選擇替換掉哪一塊。 7)為什么要考慮Cache的一致性? 答:正常情況下,cache中的數據是主存數據的副本,當兩者不一致時可能導致程序結果不正確,因此,必須考慮并設法保證Cache的一致性。 8)替換算法有哪幾種?各有何優缺點? 答:① 先進先出算法(FIFO)

    基本思想:按照數據塊進入Cache的先后決定替換的順序,即在需要進行替換時,選擇最先 被調入Cache中的塊作為替換塊。這種方法要求為每塊記錄它們進入Cache的先 后次序。

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    《計算機組成原理》習題答案 (秦磊華)

    優點:FIFO算法系統開銷較小。

    缺點:是不考慮程序訪問的局部性,可能會把一些需要經常使用的塊(如循環程序塊)也作 為最早進入Cache的塊而替換掉,因此,可能導致Cache的命中率不高。 ② 近期最少使用(LRU)算法

    基本思想:將近期內長久未被訪問過的行換出。為此,每行設置一個計數器,cache每命中

    一次,命中行計數器清零,其它各行計數器增1,因此它是未訪問次數計數器。當需要替換時,比較各特定行的計數值,將計數值最大的行換出。

    優點:這種算法顯然保護了剛調入Cache的新數據,符合cache工作原理,因而使cache有較高 的命中率。LRU算法硬件實現簡單 ③ 最不經常使用(LFU)算法

    基本思想:將一段時間內被訪次數最少的那行數據換出。為此,每行設置一個計數器,新新 調入行的數據從0開始計數,每訪問一次被訪行的計數器增1。當需要替換時,對 這些特定行的計數值進行比較,將計數值最小的行換出。

    缺點:一段期間訪問情況不能嚴格反映近期訪問情況。例如特定行中的A、B兩行,A行在

    期間的前期多次被訪問而后期未被訪問,但累積計數值很大,B行是前期不常用而后期卻正被頻繁訪問,但可能由于累積計數小于A行而被LFU算法換出了。 ④ 隨機替換算法

    基本思想:需要進行替換時,從特定的行位置中隨機地選取一行進行替換。 優點:硬件實現最容易,而且速度也比前幾種策略快。

    缺點:隨意換出的數據很可能馬上又要用,從而降低命中率和cache工作效率。但這個負面

    效應隨著cache容量增大會減少,模擬研究表明隨機替換策略的功效只是稍遜于LFU和LRU。

    9)不同RAID級各有哪些技術特點? 答:RAID0具有如下技術特點:

    ① 無數據冗余、無數據校驗功能,因此它不具備數據的容錯能力,數據的可靠性不高; ② 從RAID0的數據分布看,其本質上是多磁盤體交叉存儲(類似于主存的多體交叉存儲),多個磁盤可并行工作,存儲系統的訪問速度高。 ③ 條帶的大小影響RAI0的性能與應用

    a)條帶大小對數據傳輸率的影響:小條帶可將數據分配到更多的磁盤上,通過更多磁盤的并

    行工作可提高存儲系統的數據傳輸率。

    b)條帶對I/O請求響應速度的影響:在面向事物處理的應用中,可能同時存在上百個I/O

    請求。此時,用戶對I/O請求的響應時間比較關注。通過選者小而適中的條帶,使得一次事務請求所傳送的數據剛好集中在一個條帶中,就能大大減少每個I/O請求的響應時間。

    ④ 磁盤利用率高,由于RAID 0中沒有冗于數據,所有的磁盤存儲空間都可保存工作數據。RAID0主要應用于對訪問速度要求高,但對數據的可靠性要求不高的場合。

    RAID 1具有如下技術特點:

    ① 每個磁盤都有一個鏡象磁盤,圖4.60中備份磁盤i就是磁盤i的備份盤;

    ② 讀請求時,可由包含該數據的兩個磁盤中的任一個提供;寫請求時,需同時更新兩個磁盤中相應的數據塊;

    ③ 當一個磁盤被損壞時,數據仍可從另一磁盤獲取。因此具有很高的安全性; ④ 存儲系統中磁盤的利用率只有50%; ⑤ 無數據校驗功能;

    ⑥ 對大批讀請求來說,RAID 1可以從對應的盤中并行讀出。但對于寫,其效率并不高。

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