23. 设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用M/IO作为访问存储器或I/O的控制信号（高电平为访存，低电平为访I/O），WR（低电平有效）为写命令，RD（低电平有效）为读命令。设计一个容量为64KB的采用低位交叉编址的8体并行结构存储器。现有下图所示的存

Ai A0...RAMOECEWE...储器芯片和138译码器。Dn D0 画出CPU和存储器芯片（芯片容量自定）的连接图，并写出图中每个存储芯片的地址范围（用十六进制数表示）。

解：8体低位交叉并行存储器的每个存储体容量为64KB/8=8KB，因此应选择8KBRAM芯片，芯片地址线12根（A0-A12），数据线8根（D0-D7），用138译码器进行存储体的选择。设计如下：

+5V。G1G2A。Y7MREQA0A1A2A15.G2BABC74138。。。。Y3Y2Y1Y0..........RAM1......RAM2......RAM3...A3.....RAM0......A0 A12CEOEWED0 D7A0 A12CEA0 A12CEOEWED0 D7A0 A12CEOEWED0 D7A0 A12CEOEWED0 D7CPUD0OEWED0 D7RAM7..................D7..WRRD..........

24. 一个4体低位交叉的存储器，假设存储周期为T，CPU每隔1/4存取周期启动一个存储体，试问依次访问64个字需多少个存取周期？

解：4体低位交叉的存储器的总线传输周期为τ，τ=T/4，依次访问64个字所需时间为：

t=T+(64-1) τ=T+63T/4=16.75T

25. 什么是“程序访问的局部性”？存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理？

答：程序运行的局部性原理指：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大 (大约 5:1 )。存储系统中Cache-主存层次和主存-辅存层次均采用了程序访问的局部性原理。

26. 计算机中设置Cache的作用是什么？能否将Cache的容量扩大，最后取代主存，为什么？ 答：计算机中设置Cache的作用是解决CPU和主存速度不匹配问题。

不能将Cache的容量扩大取代主存，原因是:（1）Cache容量越大成本越高，难以满足人们追求低价格的要求；（2）如果取消主存，当CPU访问Cache失败时，需要将辅存的内

容调入Cache再由CPU访问，造成CPU等待时间太长，损失更大。

27. Cache做在CPU芯片内有什么好处？将指令Cache和数据Cache分开又有什么好处？ 答：Cache做在CPU芯片内主要有下面几个好处：

（1）可提高外部总线的利用率。因为Cache在CPU芯片内，CPU访问Cache时不必占用外部总线。

（2）Cache不占用外部总线就意味着外部总线可更多地支持I/O设备与主存的信息传输，增强了系统的整体效率。

（3）可提高存取速度。因为Cache与CPU之间的数据通路大大缩短,故存取速度得以提高。

将指令Cache和数据Cache分开有如下好处：

1）可支持超前控制和流水线控制，有利于这类控制方式下指令预取操作的完成。 2）指令Cache可用ROM实现，以提高指令存取的可靠性。

3）数据Cache对不同数据类型的支持更为灵活，既可支持整数（例32位），也可支持浮点数据（如64位）。 补充：

Cache结构改进的第三个措施是分级实现，如二级缓存结构，即在片内Cache（L1）和主存之间再设一个片外Cache（L2），片外缓存既可以弥补片内缓存容量不够大的缺点，又可在主存与片内缓存间起到平滑速度差的作用，加速片内缓存的调入调出速度。

28. 设主存容量为256K字，Cache容量为2K字，块长为4。

（1）设计Cache地址格式，Cache中可装入多少块数据？ （2）在直接映射方式下，设计主存地址格式。

（3）在四路组相联映射方式下，设计主存地址格式。 （4）在全相联映射方式下，设计主存地址格式。

（5）若存储字长为32位，存储器按字节寻址，写出上述三种映射方式下主存的地址格式。 解：（1）Cache容量为2K字，块长为4，Cache共有2K/4=211/22=29=512块，

Cache字地址9位，字块内地址为2位

因此，Cache地址格式设计如下： Cache字块地址（9位） 字块内地址（2位） （2）主存容量为256K字=218字，主存地址共18位，共分256K/4=216块，

主存字块标记为18-9-2=7位。

直接映射方式下主存地址格式如下： 主存字块标记（7位） Cache字块地址（9位） 字块内地址（2位） （3）根据四路组相联的条件，一组内共有4块，得Cache共分为512/4=128=27组，

主存字块标记为18-7-2=9位，主存地址格式设计如下：

主存字块标记（9位） 组地址（7位） 字块内地址（2位） （4）在全相联映射方式下，主存字块标记为18-2=16位，其地址格式如下：

主存字块标记（16位） 字块内地址（2位） （5）若存储字长为32位，存储器按字节寻址，则主存容量为256K*32/4=221B，

Cache容量为2K*32/4=214B，块长为4*32/4=32B=25B，字块内地址为5位，

在直接映射方式下，主存字块标记为21-9-5=7位，主存地址格式为： 主存字块标记（7位） Cache字块地址（9位） 字块内地址（5位） 在四路组相联映射方式下，主存字块标记为21-7-5=9位，主存地址格式为： 主存字块标记（9位） 组地址（7位） 字块内地址（5位） 在全相联映射方式下，主存字块标记为21-5=16位，主存地址格式为：

主存字块标记（16位） 字块内地址（5位）

29. 假设CPU执行某段程序时共访问Cache命中4800次，访问主存200次，已知Cache的存取周期为30ns，主存的存取周期为150ns，求Cache的命中率以及Cache-主存系统的平均访问时间和效率，试问该系统的性能提高了多少倍？ 解：Cache被访问命中率为：4800/(4800+200)=24/25=96%

则Cache-主存系统的平均访问时间为：ta=0.96*30ns+(1-0.96)*150ns=34.8ns Cache-主存系统的访问效率为：e=tc/ta*100%=30/34.8*100%=86.2% 性能为原来的150ns/34.8ns=4.31倍，即提高了3.31倍。

30. 一个组相连映射的CACHE由64块组成，每组内包含4块。主存包含4096块，每块由128字组成，访存地址为字地址。试问主存和高速存储器的地址各为几位？画出主存地址格式。

解：cache组数：64/4=16 ，Cache容量为：64*128=213字，cache地址13位

主存共分4096/16=256区，每区16块

主存容量为：4096*128=219字，主存地址19位，地址格式如下： 主存字块标记（8位） 组地址（4位） 字块内地址（7位）

31. 设主存容量为1MB，采用直接映射方式的Cache容量为16KB，块长为4，每字32位。试问主存地址为ABCDEH的存储单元在Cache中的什么位置？ 解：主存和Cache按字节编址，

Cache容量16KB=214B，地址共格式为14位，分为16KB/(4*32/8B)=210块，每块4*32/8=16B=24B，Cache地址格式为： Cache字块地址（10位） 字块内地址（4位） 主存容量1MB=220B，地址共格式为20位，分为1MB/(4*32/8B)=216块，每块24B，采用直接映射方式，主存字块标记为20-14=6位，主存地址格式为： 主存字块标记（6位） Cache字块地址（10位） 字块内地址（4位） 主存地址为ABCDEH=1010 1011 1100 1101 1110B，主存字块标记为101010，Cache字

块地址为11 1100 1101，字块内地址为1110，故该主存单元应映射到Cache的101010块的第1110字节，即第42块第14字节位置。或者在Cache的第11 1100 1101 1110=3CDEH字节位置。

32. 设某机主存容量为4MB，Cache容量为16KB，每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射（即Cache每组内共有4个字块）的Cache组织。

（1）画出主存地址字段中各段的位数。

（2）设Cache的初态为空，CPU依次从主存第0，1，2，…，89号单元读出90个字（主存一次读出一个字），并重复按此次序读8次，问命中率是多少？

（3）若Cache的速度是主存的6倍，试问有Cache和无Cache相比，速度约提高多少倍？ 解：（1）根据每字块有8个字，每字32位（4字节），得出主存地址字段中字块内地址为3+2=5位。

根据Cache容量为16KB=214B，字块大小为8*32/8=32=25B，得Cache地址共14位，Cache共有214-5=29块。

根据四路组相联映射，Cache共分为29/22=27组。

根据主存容量为4MB=222B，得主存地址共22位，主存字块标记为22-7-5=10位，故主存地址格式为：

主存字块标记（10位） 组地址（7位） 字块内地址（5位） （2）由于每个字块中有8个字，而且初态为空，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Cache第0组中的任一块内，接着CPU读第1~7号单元时均命中。同理，CPU读第8，16，…，88号时均未命中。可见，CPU在连续读90个字中共有12次未命中，而后8次循环读90个字全部命中，命中率为：

90?8?12?0.984 90?8（3）设Cache的周期为t，则主存周期为6t，没有Cache的访问时间为6t*90*8，有Cache的访问时间为t（90*8-12）+6t*12，则有Cache和无Cache相比，速度提高的倍数为：

6t?90?8?1?5.54

(90?8?12)t?6t?1233．简要说明提高访存速度可采取的措施。 答：提高访存速度可采取三种措施：

（1）采用高速器件。即采用存储周期短的芯片，可提高访存速度。

（2）采用Cache。CPU最近要使用的信息先调入Cache，而Cache的速度比主存快得多，这样CPU每次只需从Cache中读写信息，从而缩短访存时间，提高访存速度。

（3）调整主存结构。如采用单体多字或采用多体结构存储器。

38. 磁盘组有6片磁盘，最外两侧盘面可以记录，存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层密度为400位/cm，转速3600转/分，问：

（1）共有多少存储面可用？ （2）共有多少柱面？

（3）盘组总存储容量是多少？ （4）数据传输率是多少？ 解：（1）共有：6×2=12个存储面可用。

（2）有效存储区域=（33-22）/ 2 = 5.5cm 柱面数 = 40道/cm × 5.5= 220道 （3）内层道周长=?×22=69.08cm

道容量=400位/cm×69.08cm= 3454B 面容量=3454B×220道=759，880B

盘组总容量=759，880B ×12面= 9，118，560B （4）转速 = 3600转 / 60秒 = 60转/秒

数据传输率 = 3454B × 60转/秒 = 207，240 B/S

39. 某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录盘面，每毫米5道，每道记录信息12 288