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計(jì)算機(jī)組成原理課程習(xí)題答案秦磊華-資料下載頁(yè)

2025-06-24 06:02本頁(yè)面
  

【正文】 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,相聯(lián)存儲(chǔ)器主要用于虛擬存儲(chǔ)器中存放段表、頁(yè)表和快表以及高速緩沖存儲(chǔ)器中的查找。 時(shí)間局部性:指當(dāng)程序訪問(wèn)一個(gè)存儲(chǔ)位置時(shí),有很大的可能性程序會(huì)在不久的將來(lái)再次訪問(wèn) 同一位置,程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)和過(guò)程調(diào)用就很好地體現(xiàn)了時(shí)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(shù)據(jù)按 照某種規(guī)則裝入到Cache,并建立兩者之間地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 組相聯(lián)映射:地址映射時(shí),主存數(shù)據(jù)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(shí),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(shí),主存數(shù)據(jù)塊只能映射到索引字段所指向的Cache行中保存;地址變 換時(shí),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(lián)映射:主存地址不劃分索引字段,因此地址映射時(shí),主存數(shù)據(jù)塊可以映射到Cache 的任意行中;地址變換時(shí),需查找所有的Cache行。命中率:指CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí),命中Cache的次數(shù)占總訪問(wèn)次數(shù)的比鋁。設(shè)NC為某程序運(yùn)行期間命中Cache的次數(shù),Nm為從主存中訪問(wèn)信息的次數(shù),則 命中率(hit ratio)H定義為: 地址復(fù)用:可以從不同的角度來(lái)理解該概念。第一種方式是指CPU的地址線在一次存儲(chǔ)訪問(wèn)過(guò)程中多次使用,每次作為訪問(wèn)地址的不同部分使用;另一種是指地址線在一次存儲(chǔ)訪問(wèn)的不同階段分別作為地址線和數(shù)據(jù)線使用,即地址總線在存儲(chǔ)訪問(wèn)的不同時(shí)間段表現(xiàn)出不同的功能。字?jǐn)U展:用多位滿(mǎn)足一定要求的存儲(chǔ)芯片構(gòu)成容量更大的存儲(chǔ)器。 位擴(kuò)展:用多片存儲(chǔ)芯片構(gòu)成位數(shù)更多的存儲(chǔ)器。 虛擬存儲(chǔ)器:是一種解決主存容量不足的存儲(chǔ)管理機(jī)制,處于存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中“主存輔存”存儲(chǔ)層次。在這種機(jī)制下,通過(guò)增加部分軟件(如操作系統(tǒng))和必要的硬件(如地址映射與轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、缺頁(yè)中斷結(jié)構(gòu)等),使輔存和主存構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體,就像一個(gè)單一的、可供CPU直接訪問(wèn)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(yè)運(yùn)行時(shí),主需要將作業(yè)當(dāng)前執(zhí)行的部分調(diào)入內(nèi)存,而其余部分仍然存放在磁盤(pán)中,從而減少對(duì)主存的消耗。 頁(yè)表(慢表):是一張保存虛擬頁(yè)號(hào)和物理頁(yè)號(hào)(也稱(chēng)實(shí)頁(yè)號(hào))之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的表格。 頁(yè)表項(xiàng):頁(yè)表的表項(xiàng),每一個(gè)表項(xiàng)由有效位和物理頁(yè)號(hào)兩部分構(gòu)成,用于實(shí)現(xiàn)虛擬地址與物理地址之間的轉(zhuǎn)換。 TLB(快表):又稱(chēng)為轉(zhuǎn)換旁路緩沖器(Translation Look aside Buffer),為了降低虛擬存儲(chǔ)器地址轉(zhuǎn)換的開(kāi)銷(xiāo),根據(jù)局部性原理,將頁(yè)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(zhuǎn)換時(shí)訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)。 LRU:LRU(Least Recently Used)算法是將近期內(nèi)長(zhǎng)久未被訪問(wèn)過(guò)的行換出。 LFU:LFU(Least Frequently Used)算法將一段時(shí)間內(nèi)被訪次數(shù)最少的那行數(shù)據(jù)換出。 存儲(chǔ)保護(hù):為了保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能正確運(yùn)行,當(dāng)多個(gè)用戶(hù)共享主存時(shí),應(yīng)防止由于一個(gè)用戶(hù) 程序出錯(cuò)而破壞其他用戶(hù)的程序和系統(tǒng)軟件,以及一個(gè)用戶(hù)程序不合法地訪問(wèn)不是分配給它的主存區(qū)域。Cache一致性:指保存在cache中的數(shù)據(jù)與保存在主存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)相同。 寫(xiě)回法:當(dāng)CPU對(duì)Cache寫(xiě)命中時(shí),只修改Cache的內(nèi)容不立即寫(xiě)入主存,只當(dāng)Cache行被替換時(shí)才將Cache中的數(shù)據(jù)寫(xiě)回主存。 寫(xiě)直達(dá)法:也稱(chēng)寫(xiě)貫通法或全寫(xiě)法,其基本思想是當(dāng)Cache寫(xiě)命中時(shí),同時(shí)對(duì)Cache和主存中同一數(shù)據(jù)塊進(jìn)行修改;當(dāng)cache寫(xiě)未命中時(shí),直接向主存寫(xiě)入新的信息,但此時(shí)是否將修改過(guò)的主存塊調(diào)入Cache,寫(xiě)直達(dá)法卻有兩種選擇。一種是將數(shù)據(jù)調(diào)入Cache,稱(chēng)為寫(xiě)分配法WA(WriteAllocate)。另一種是不取主存塊到Cache,而是直接寫(xiě)主存,稱(chēng)為非寫(xiě)分配法NWA(NoWriteAllocate)。邊界對(duì)齊的數(shù)據(jù)存放:指半字、字、雙字都按它們各自地址所指定的空間進(jìn)行存儲(chǔ),而不是 隨意存放。 大端:存儲(chǔ)器的低字節(jié)地址單元中存放的是數(shù)據(jù)的最高字節(jié),高字節(jié)地址單元中存放的是數(shù) 據(jù)的最低字節(jié)。RAID:廉價(jià)冗余磁盤(pán)陣列RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk)或獨(dú)立冗余磁盤(pán)陣列RAID(Redundant Array of Independent Disk),簡(jiǎn)稱(chēng)磁盤(pán)陣列,它將多塊獨(dú)立的普通磁盤(pán)按照一定的方式組織與管理,構(gòu)成一個(gè)大容量、高速度、高容錯(cuò)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。 尋道時(shí)間:將磁頭定位到指定磁道上所需的時(shí)間。旋轉(zhuǎn)時(shí)間:磁頭定位到指定磁道后至指定的記錄移到磁頭下的時(shí)間。 回答下列問(wèn)題:1) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用層次化存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的目的是什么? 層次化存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)如何構(gòu)成?答:采用層次化存儲(chǔ)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(wèn)題.存儲(chǔ)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)由Cache、主存和輔助存儲(chǔ)器三級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其理論基礎(chǔ)是時(shí)間局部性原理和空間局部性原理,Cache—主存存儲(chǔ)層次解決了主存速度不快的問(wèn)題;而主存輔存存儲(chǔ)層次解決了主存容量不足的問(wèn)題。2)為什么在存儲(chǔ)器芯片中設(shè)置片選輸入端?答:由于存儲(chǔ)芯片的容量及字長(zhǎng)與目標(biāo)存儲(chǔ)器的容量及字長(zhǎng)之間可能存在差異,應(yīng)用存儲(chǔ)芯片組織一定容量與字長(zhǎng)的存儲(chǔ)器時(shí),一般可采用位擴(kuò)展、字?jǐn)U展、字位同時(shí)擴(kuò)展等方法來(lái)組織。這樣就會(huì)使用多個(gè)存儲(chǔ)芯片,從而要設(shè)置片選輸入端來(lái)選擇正確的存儲(chǔ)芯片來(lái)進(jìn)行操作。3)動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器為什么要刷新?如何刷新?答:動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元中,信息以電荷形式存儲(chǔ)在T1或T2管的柵極電容中。由于電容容量小,所存電荷會(huì)在一段時(shí)間后逐漸泄漏(一般為ms級(jí)),為使所存信息能長(zhǎng)期保存,需要在電容電荷泄露完之前定時(shí)地補(bǔ)充電荷,這一過(guò)程稱(chēng)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(shí)間;分散刷新由于刷新次數(shù)過(guò)多,降低了存儲(chǔ)器的速度;異步刷新是前兩者的折中。②刷新按行進(jìn)行,因此設(shè)計(jì)刷新電路時(shí)需要知道動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的內(nèi)部行、列結(jié)構(gòu)。③刷新地址由刷新地址計(jì)數(shù)提供。4)試述多體交叉存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。答:多體交叉存儲(chǔ)器由多個(gè)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成,這些模塊的容量和存取速度相同,具有各自獨(dú)立的地址寄存器、地址譯碼器、驅(qū)動(dòng)電路和讀寫(xiě)控制電路。根據(jù)對(duì)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(chǔ)器地址的高位地址劃分模塊,同一存儲(chǔ)體內(nèi)的地址是連續(xù)的。當(dāng)多個(gè)目標(biāo)同時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)(如CPU和DMA設(shè)備同時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)器),如果訪問(wèn)的地方范圍處于不同的存儲(chǔ)芯片,則提供并行訪問(wèn)。(2)低位交叉:按存儲(chǔ)器地址的低位地址劃分模塊,同一存儲(chǔ)體內(nèi)的地址不相鄰,相鄰地址處在不同存儲(chǔ)體中。CPU可同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)存儲(chǔ)體,并進(jìn)行并行訪問(wèn)。5)為什么說(shuō)Cache對(duì)程序員是透明的?答:因?yàn)樵诔绦騿T看來(lái),數(shù)據(jù)是在內(nèi)存和輔存之間進(jìn)行交換的,程序員感覺(jué)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?yàn)樵谥苯佑成浞绞街?,一個(gè)內(nèi)存塊只能固定的映射到cache中的特定行,當(dāng)有新的主存塊調(diào)入時(shí), cache特定行中的內(nèi)容必須調(diào)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(shù)據(jù)是主存數(shù)據(jù)的副本,當(dāng)兩者不一致時(shí)可能導(dǎo)致程序結(jié)果不正確,因此,必須考慮并設(shè)法保證Cache的一致性。8) 替換算法有哪幾種?各有何優(yōu)缺點(diǎn)?答:① 先進(jìn)先出算法(FIFO)基本思想:按照數(shù)據(jù)塊進(jìn)入Cache的先后決定替換的順序,即在需要進(jìn)行替換時(shí),選擇最先 被調(diào)入Cache中的塊作為替換塊。這種方法要求為每塊記錄它們進(jìn)入Cache的先 后次序。優(yōu)點(diǎn):FIFO算法系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)較小。缺點(diǎn):是不考慮程序訪問(wèn)的局部性,可能會(huì)把一些需要經(jīng)常使用的塊(如循環(huán)程序塊)也作 為最早進(jìn)入Cache的塊而替換掉,因此,可能導(dǎo)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(nèi)長(zhǎng)久未被訪問(wèn)過(guò)的行換出。為此,每行設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器,cache每命中一次,命中行計(jì)數(shù)器清零,其它各行計(jì)數(shù)器增1,因此它是未訪問(wèn)次數(shù)計(jì)數(shù)器。當(dāng)需要替換時(shí),比較各特定行的計(jì)數(shù)值,將計(jì)數(shù)值最大的行換出。優(yōu)點(diǎn):這種算法顯然保護(hù)了剛調(diào)入Cache的新數(shù)據(jù),符合cache工作原理,因而使cache有較高 的命中率。LRU算法硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單③ 最不經(jīng)常使用(LFU)算法基本思想:將一段時(shí)間內(nèi)被訪次數(shù)最少的那行數(shù)據(jù)換出。為此,每行設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器,新新 調(diào)入行的數(shù)據(jù)從0開(kāi)始計(jì)數(shù),每訪問(wèn)一次被訪行的計(jì)數(shù)器增1。當(dāng)需要替換時(shí),對(duì) 這些特定行的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較,將計(jì)數(shù)值最小的行換出。缺點(diǎn):一段期間訪問(wèn)情況不能?chē)?yán)格反映近期訪問(wèn)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(wèn)而后期未被訪問(wèn),但累積計(jì)數(shù)值很大,B行是前期不常用而后期卻正被頻繁訪問(wèn),但可能由于累積計(jì)數(shù)小于A行而被LFU算法換出了。④ 隨機(jī)替換算法基本思想:需要進(jìn)行替換時(shí),從特定的行位置中隨機(jī)地選取一行進(jìn)行替換。優(yōu)點(diǎn):硬件實(shí)現(xiàn)最容易,而且速度也比前幾種策略快。缺點(diǎn):隨意換出的數(shù)據(jù)很可能馬上又要用,從而降低命中率和cache工作效率。但這個(gè)負(fù)面效應(yīng)隨著cache容量增大會(huì)減少,模擬研究表明隨機(jī)替換策略的功效只是稍遜于LFU和LRU。9) 不同RAID級(jí)各有哪些技術(shù)特點(diǎn)?答:RAID0具有如下技術(shù)特點(diǎn):① 無(wú)數(shù)據(jù)冗余、無(wú)數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能,因此它不具備數(shù)據(jù)的容錯(cuò)能力,數(shù)據(jù)的可靠性不高;② 從RAID0的數(shù)據(jù)分布看,其本質(zhì)上是多磁盤(pán)體交叉存儲(chǔ)(類(lèi)似于主存的多體交叉存儲(chǔ)),多個(gè)磁盤(pán)可并行工作,存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)速度高。③ 條帶的大小影響RAI0的性能與應(yīng)用 a)條帶大小對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率的影響:小條帶可將數(shù)據(jù)分配到更多的磁盤(pán)上,通過(guò)更多磁盤(pán)的并行工作可提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率。 b)條帶對(duì)I/O請(qǐng)求響應(yīng)速度的影響:在面向事物處理的應(yīng)用中,可能同時(shí)存在上百個(gè)I/O請(qǐng)求。此時(shí),用戶(hù)對(duì)I/O請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間比較關(guān)注。通過(guò)選者小而適中的條帶,使得一次事務(wù)請(qǐng)求所傳送的數(shù)據(jù)剛好集中在一個(gè)條帶中,就能大大減少每個(gè)I/O請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間。④ 磁盤(pán)利用率高,由于RAID 0中沒(méi)有冗于數(shù)據(jù),所有的磁盤(pán)存儲(chǔ)空間都可保存工作數(shù)據(jù)。RAID0主要應(yīng)用于對(duì)訪問(wèn)速度要求高,但對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性要求不高的場(chǎng)合。RAID 1具有如下技術(shù)特點(diǎn):① 每個(gè)磁盤(pán)都有一個(gè)鏡象磁盤(pán),;② 讀請(qǐng)求時(shí),可由包含該數(shù)據(jù)的兩個(gè)磁盤(pán)中的任一個(gè)提供;寫(xiě)請(qǐng)求時(shí),需同時(shí)更新兩個(gè)磁盤(pán)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊;③ 當(dāng)一個(gè)磁盤(pán)被損壞時(shí),數(shù)據(jù)仍可從另一磁盤(pán)獲取。因此具有很高的安全性;④ 存儲(chǔ)系統(tǒng)中磁盤(pán)的利用率只有50%;⑤ 無(wú)數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能;⑥ 對(duì)大批讀請(qǐng)求來(lái)說(shuō),RAID 1可以從對(duì)應(yīng)的盤(pán)中并行讀出。但對(duì)于寫(xiě),其效率并不高。由于RAID1的讀性能優(yōu)于寫(xiě)性能,因此,RAID1主要應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)的可用性要求高,且讀操作所占比重較高的場(chǎng)合。RAID2具有如下技術(shù)特點(diǎn):① 條帶容量小,按位交叉存儲(chǔ),因此每個(gè)I/O請(qǐng)求都會(huì)訪問(wèn)到多個(gè)磁盤(pán),導(dǎo)致I/O響應(yīng)速度慢;② 每個(gè)I/O請(qǐng)求都會(huì)訪問(wèn)到多個(gè)磁盤(pán);對(duì)于單個(gè)讀,所有磁盤(pán)同時(shí)讀取,數(shù)據(jù)和相應(yīng)的糾錯(cuò)碼被送至控制器,若出現(xiàn)一位錯(cuò),則由控制器立即識(shí)別并糾正。對(duì)于單個(gè)寫(xiě),所有數(shù)據(jù)盤(pán)和校驗(yàn)盤(pán)都要進(jìn)行寫(xiě)操作;③ 采用海明校驗(yàn),具有糾錯(cuò)和檢錯(cuò)功能,數(shù)據(jù)的可靠性高;但控制復(fù)雜;④ 冗余存放校驗(yàn)位,其數(shù)量與使用的數(shù)據(jù)盤(pán)的數(shù)量成正比;⑤ 由于按位存取,在I/O過(guò)程中所有磁盤(pán)上的磁頭在任何時(shí)刻都處于同一位置,具有空間并行處理能力,數(shù)據(jù)傳輸率高。受成本的影響,目前RAID2很少被使用。RAID 3的技術(shù)特點(diǎn)與RAID2類(lèi)似,不同點(diǎn)主要有兩方面,其一是采用奇偶校驗(yàn)而不是海明校驗(yàn),其二是校驗(yàn)盤(pán)只有一個(gè),磁盤(pán)的利用率高。RAID4的技術(shù)特點(diǎn)如下:① 采用大條帶區(qū),I/O請(qǐng)求響應(yīng)速度快,但數(shù)據(jù)傳輸率不高;② 采用奇偶校驗(yàn)技術(shù);③ 各盤(pán)采用獨(dú)立存取技術(shù);④ 磁盤(pán)利用率高;⑤ 校驗(yàn)盤(pán)成為寫(xiě)訪問(wèn)的瓶頸。RAID5具有如下技術(shù)特點(diǎn):① 采用大條帶區(qū),I/O請(qǐng)求響應(yīng)速度快;② 采用奇偶校驗(yàn)技術(shù);③ 各盤(pán)采用獨(dú)立存取技術(shù);④ 校驗(yàn)信息在不同磁盤(pán)中循環(huán)存放,克服了RAID4中校驗(yàn)盤(pán)成為寫(xiě)瓶頸的不足;⑤ 磁盤(pán)利用率高??梢哉J(rèn)為RAID5是對(duì)RAID4的改進(jìn),對(duì)大、小數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)都具有較好的性能,具有比較廣泛的應(yīng)用。RAID 6采用了按塊交叉存放和雙磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù),相對(duì)RAID 5而言,其缺點(diǎn)是在組成中增加了一個(gè)磁盤(pán),而且每次寫(xiě)都要進(jìn)行P和Q兩種校驗(yàn)以形成兩個(gè)奇偶校驗(yàn)塊。10) 說(shuō)明磁表面存儲(chǔ)器記錄二進(jìn)制信息的基本原理。答:磁表面存儲(chǔ)器利用磁性材料剩磁的兩種磁化方向(SN或者NS)來(lái)記錄信息。寫(xiě)入信息時(shí),在讀/寫(xiě)線圈中通上脈沖電流(電流的方向不同,則寫(xiě)入的信息不同),磁頭氣隙處的磁場(chǎng)把它下面一小區(qū)域的磁層向某一方向磁化(S—N或 N—S),形成某種剩磁狀態(tài),因而記下一位二進(jìn)制信息。磁層上這個(gè)被磁化的小區(qū)域,稱(chēng)為磁化單元。隨著磁層的運(yùn)動(dòng),讀/寫(xiě)線圈中的一串電流脈沖,就會(huì)在磁層上形成一串磁化單元。讀出時(shí),某一磁化單元移動(dòng)到磁頭處,在磁層與磁頭交鏈的磁路中磁通發(fā)生變化,于是在讀/寫(xiě)線圈中感應(yīng)出不同方向的電流,經(jīng)讀出放大器放大和整形之后,還原出寫(xiě)入的信息。11) 主存與磁盤(pán)存儲(chǔ)器在工作速度方面為何采用不同的參數(shù)指標(biāo)?后者采用哪幾個(gè)指標(biāo)表明其工作速度?為什么?答:因?yàn)閮煞N存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的原理不同,所以不能采用同一種技術(shù)指標(biāo)。磁盤(pán)存儲(chǔ)器采用平均定位時(shí)間(尋道時(shí)間+等待時(shí)間)和數(shù)
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