《计算机组成原理》例题安康学院 成典勤第三章 系统总线例1．假设总线的时钟频率为33MHz ，且一个总线时针周期为一个总线传输周期。

若在一个总线传输周期可并行传送4个字节的数据，求该总线的带宽，并分析哪些因素影响总线的带宽。

解：总线的带宽是指单位时间内总线上可传输的数据位数，通常用每秒传送信息的字节数来衡量，单位可用MBps （兆字节每秒）表示。

由时针频率f=33MHz ，可得时钟周期T=1/f ，根据题目假设的条件，一个总线传输周期为一个时钟周期，且在一个总线传输周期传输4个字节数据，故总线带宽为)21(132103344/4206=≈⨯⨯=⨯=M MBps Hz B f B T B影响总线带宽的因素有：总线宽度、传输距离、总线发送和接收电路工作频率的限制以及数据传输形式等。

例2．在一个16位的总线系统中，若时针频率为100MHz ，总线传输周期为5个时钟周期，每一个总线传输周期可传送一个字，试计算总线的数据传输率。

解：根据时钟频率为100MHz ，得一个时钟周期为s MHz μ01.0)100/(1=数据传输率为Bps bps s b 6610401032005.0/16⨯=⨯=μ第四章 存储器例3．设CPU 共有16根地址线和8根数据线，并用MREQ 作为访存控制信号，WR 作为读/写命令信号（高电平读，低电平写）。

设计一个容量为32KB 、地址范围为0000H ～7FFFH 且采用低位交叉编址的四体并行存储器。

要求：（1）采用下图所列芯片，详细画出CPU 和存储芯片的连接图。

（2）指出图中每个存储芯片的容量及地址范围（用十六进制表示）。

解：32KB 四体结构的存储器可由4片88⨯K 位存储芯片组成，由于采用低位交叉编址，因此需用末两位地址1A 、0A 控制片选信号，用13根地址线14A ～2A 与存储芯片的地址线相连。

满足地址范围为0000H ～7FFFH 的存储器与CPU 的连接如图所示，图中各片存储芯片的地址范围是：第0片 0，4，…，7FFCH ；第1片 1，5，…，7FFDH ；第2片 2，6，…，7FFEH ；第3片 3，7，…，7FFFH ；例4．用一个8512⨯K 位的闪存存储芯片组成一个324⨯M 位的半导体只读存储器。

试回答：（1）该存储器的数据线数是多少？（2）该存储器的地址线数是多少？（3）共需几片这种存储芯片？（4）说明每根地址线的作用。

解：（1）对于324⨯M 位的存储器，数据线为32位。

（2）对于324⨯M 的的存储器，按字寻址的范围是222，按字节寻址的范围是242，故该存储器的地址线为24位23A ～0A（3）4片8512⨯K 位的闪存可组成32512⨯K 位的存储器，324⨯M 位的存储器共需32片8512⨯K 位的闪存。

（4）CPU 的24根地址线中，最低2位地址01A A 为字节地址，20A ～2A 这19根地址线与闪存的地址线相连，最高3位地址212223A A A 可通过3线---8线译码器形成片选信号。

每一个片选信号同时选中4片闪存，以满足32位的数据线要求。

例5．定量分析n 体低位交叉存储器连续读取n 个字所需的时间。

解：连续读取n 个字所需的时间为τ)1(-+n T ，如下图所示例6．设有8个模块组成的八体存储器结构，每个模块的存取周期为400ns ，存储字长为32位。

数据总线宽度为32位，总线传输周期为50ns ，试求顺序存储（高位交叉）和交叉存储（低位交叉）的存储器带宽。

解：八体存储器连续读出8个字的信息量为b b 256832=⨯顺序存储存储器连续读出8个字的时间是s ns ns 7103232008400-⨯==⨯ 交叉存储存储器连续读出8个字的时间是s ns ns ns 7105.775050)18(400-⨯==⨯-+高位交叉存储器的带宽是bps bps 77108)1032/(256⨯=⨯-低位交叉存储器的带宽是bps bps 771034)105.7/(256⨯=⨯-例7．假设CPU 执行某段程序时，共访问缓存命中3800次，访问主存200次，已知缓存存取周期为50ns ，主存存取周期为250ns 。

求缓存---主存系统的效率和平均访问时间。

解：（1）缓存的命中率为95.0)2003800/(3800=+（2）由题可知，访问主存的时间是访问缓存时间的5倍（250/50=5）设访问缓存的时间为t ，访问主存的时间为5t ，缓存---主存系统的效率为e ，则%3.83%1002.11%1005)95.01(95.0%100=⨯=⨯⨯-+⨯=⨯=t t t e 平均访存时间访问缓存的时间 （3）平均访问时间ns ns ns 60)95.01(25095.050=-⨯+⨯=例8．设某机主存容量为16MB ，缓存的容量为16KB 。

每字块有8个字，每个字32位。

设计一个四路组相联映射（即缓存每组内共有4个字块）的缓存组织，要求：（1）画出主存地址字段中各段的位数。

（2）设缓存初态为空，CPU 依次从主存第0、1、2、…、99号单元读出100个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读8次，问命中率是多少？（3）若缓存的速度是主存速度的6倍，试问有缓存和无缓存相比，速度提高多少倍？解：（1）根据每个字块有8个字，每个字32位，得出主存地址字段中字块内地址字段为5位。

根据缓存容量为B KB 14216=，字块大小为52B ，得缓存共有92块，故c=9。

根据四路组相联映射42=r ，得2=r ，则7=-=r c q 。

根据主存容量为B MB 24216=，得出主存地址字段中主存字块标记位数为24-7-5=12主存地址字段各段格式如图所示：（2）由于每个字块中有8个字，而且初态缓存为空，因此CPU 读第0号单元时，未命中，必须访问主存，同时将该字所在的主存块调入缓存第0组中的任一块内，接着CPU 读1～7号单元时，均命中。

同理CPU 读第8、16、…、96号单元时均未命中。

可见CPU 在连续读100个字中共有13次未命中，而后7次循环读100个字全部命中，命中率为%375.98%1008100138100=⨯⨯-⨯ （3）根据题意，设主存存取周期为6t ，缓存的存取周期为t ，没有缓存的访问时间为8006⨯t ，有缓存的访问时间为136)13800(⨯+-t t ，则有缓存和没有缓存相比，速度提高倍数为5.41136)13800(8006≈-⨯+-⨯t t t例9．一个采用直接映射方式的16KB 缓存，假设块长为8个32位的字，试问地址为FDA459H 的主存单元在缓存中的什么位置（指出块号和块内地址，均用十进制表示）？解：根据缓存容量为16KB ，得出缓存的地址为14位。

由于每字32位，块长为8个字，则缓存的块内地址为5位（高3位为字地址，末2位为字节地址）。

地址为FDA459H 的主存单元，其二进制地址为1111 1101 1010 0100 0101 1001，对应缓存第10 0100 010（即十进制170）块中的第6个字的第1字节。

例10．假设缓存的工作速度为主存的5倍，缓存的命中率为90%，试问采用缓存后，存储器的性能提高多少？解：设主存的存取周期为m t ，则缓存的存取周期为m m t t 2.05/=，故平均访存时间为m m m t t t 28.010.090.02.0=⨯+⨯采用缓存后，存储器性能为原来的57.328.0/=m m t t 倍，即提高了2.57倍。

例11．已知缓存---主存系统的效率为85%，平均访问时间为60ns ，缓存比主存快4倍，求主存的存取周期和缓存的命中率。

解：设缓存---主存系统的效率为e 平均访问时间为a t ，缓存的取周期为c t ，命中率为h ，主存的存取周期为m t 。

根据%100⨯=a c t t e 得ns ns e t t a c 5185.060=⨯=⋅= 由于缓存比主存快4倍，则ns ns t t c m 255551)14(=⨯=+⨯=根据m c a t h ht t )1(-+=，其中ns t a 60=，ns t c 51=，ns t m 255=，得%6.95=h例12．设CPU 共有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（高电平读，低电平写）。

现有芯片及各种门电路（门电路自定），如下图所示。

画出CPU 与存储器的连接图，要求：（1）存储芯片地址空间分配：0～2047为系统程序区；2048～8191为用户程序区。

（2）指出选用的存储芯片类型及数量。

（3）详细画出片选逻辑。

解：根据主存地址空间分配，0～2047为系统程序区，选用1片2K×8位ROM 芯片；2048～8191为用户程序区，选用2K×8位RAM芯片，即存储芯片与CPU的连接如图所示。

例13．一个磁盘存储器共有6个盘片，假设最上、下两个面不可用，每面有204条磁道，每条磁道有12个扇段，每个扇段有512B，磁盘机以7200r/min速度旋转，平均定位（寻道）时间为8ms。

（1）计算该磁盘存储器的存储量。

（2）计算该磁盘存储器的平均寻址时间。

解：（1）6个盘片共有10个记录面，磁盘存储器的总容量为512B×12×204×10=12533760B（2）磁盘存储器的平均寻址时间=平均寻道时间+平均等待时间平均等待时间=[60s/(7200r/min)] ×0.5≈4.165ms平均寻址时间=8ms+4.165ms=12.165ms例14．一个磁盘组共有11片，假设最上、下两个面不用，每片有203道，数据传输率为983040Bps，磁盘组转速为3600r/min，假定每个记录块有1024B，且系统可挂16台这样的磁盘机，计算磁盘存储器的总容量并设计磁盘地址格式。

解：由于数据传输速率=每一磁道的容量×磁盘转速，且磁盘转速为3600r/min=60r/s，故每一磁道的容量=（983040Bps）/（60r/s）=16384B，扇段数=16384B/1024B=16。

表示磁盘地址格式的参数包括：台数为16，记录面为20，磁道数为203，扇段数为16，故磁盘地址格式如图所示。

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