计算机组成与结构课后答案8-9-10章习题.doc

1、画出单机系统中采用的三种总线结构。

2、总线的一次信息传送过程大致分哪几个阶段？若采用同步定时协议，请画出读数据的时序图来说明。
解：分五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址（目的地址），信息传送，状态返回（错误报告），如图B3.5所示：

图B3.5
3、参见图，这是一个二维中断系统，请问：
（1） 在中断情况下，CPU和设备的优先级如何考虑？请按降序排列各设备的中断优先级。
（2） 若CPU现执行设备B的中断服务程序，IM0,IM1,IM2的状态是什么？如果CPU的执行设备D的中断服务程序，IM0,IM1,IM2的状态又是什么？
（3） 每一级的IM能否对某个优先级的个别设备单独进行屏蔽？如果不能，采取什么方法可达到目的？
（4） 若设备C一提出中断请求，CPU立即进行响应，如何调整才能满足此要求？
解：
（1） 在中断情况下，CPU的优先级最低。各设备优先级次序是：A-B-C-D-E-F-G-H-I-CPU
（2） 执行设备B的中断服务程序时IM0IM1IM2=111；执行设备D的中断服务程序时IM0IM1IM2=011。
（3） 每一级的IM标志不能对某优先级的个别设备进行单独屏蔽。可将接口中的BI（中断允许）标志清“0”，它禁止设备发出中断请求。
（4） 要使C的中断请求及时得到响应，可将C从第二级取出，单独放在第三级上，使第三级的优先级最高，即令IM3=0即可 。
4、图B3.2是从实时角度观察到的中断嵌套。试问，这个中断系统可以实行几重中断？并分析图B3.2的中断过程。

图B3.2
解：该中断系统可以实行5重中断，中断优先级的顺序是，优先权1最高，主程序运行于最低优先权（优先权为6）。
图B3.2中出现了4重中断。中断过程如下：主程序运行到T1时刻，响应优先权4的中断源的中断请求并进行中断服务；到T3时刻，优先权4的中断服务还未结束，但又出现了优先权3的中断源的中断请求；暂停优先权4的中断服务，而响应优先权3的中断。到T4时刻，又被优先权2的中断源所中断，直到T6时刻，返回优先权3的服务程序，到T7时刻，又被优先权1的中断源所中断，到T8时刻，优先权1的中断服务完毕，返回优先权3的服务程序，直到T10优先权3的中断服务结束，返回优先权4的服务程序，优先权4的服务程序到T11结束，最后返回主程序。
图B3.2中，优先权3的服务程序被中断2次。而优先权5的中断未产生。
5、磁盘、磁带、打印机三个设备同时工作。磁盘以20μs的间隔发DMA请求，磁带以30μs的间隔发DMA请求，打印机以120μs的间隔发DMA请求，假设DMA控制器每完成一次DMA传输所需时间为2μs，画出多路DMA控制器工作时空图。
解：答案如图B4.1

图B4.1
6、某机有五个中断源，按中断响应的优先顺序由高到低为L0,L1,L2,L3,L4，现要求优先顺序改为L3,L2,L4,L1,L0，写出各中断源的屏蔽字。（10 分)

答：(每写对一个屏蔽字2 分)设屏蔽位为“1”时表示对应的中断源被屏蔽，屏蔽字排列如下：
中断源
屏蔽字
0 1 2 3 4
L0
1 0 0 0 0
L1
1 1 0 0 0
L2
1 1 1 0 1
L3
1 1 1 1 1
L4
1 1 0 0 1
7、刷存的主要性能指标是它的带宽。实际工作时显示适配器的几个功能部分要争用刷存的带宽。假定总带宽的50%用于刷新屏幕，保留50%带宽用于其他非刷新功能。
（1） 若显示工作方式采用分辨率为1024×768，颜色深度为3B，帧频（刷新速率）为72HZ，计算总带宽。(2)为达到这样高的刷存带宽，应采取何种技术措施？
解：（1）因为 刷新所需带宽 = 分辨率 × 每个像素点颜色深度 × 刷新速度
所以 1024 × 768 × 3B × 72 / S × 100/50= 324MB / S
（2）为达到这样高的刷存带宽，可采用如下技术措施：
1)使用高速的DRAM芯片组成刷存。
2)刷存采用多体交错结构。
3)刷存内显示控制器的内部总线宽度由32位提高到64位，甚至到128位。
4)刷存采用双端口存储器结构，将刷新端口与更新端口分开。
8、PCI总线周期类型可指定多少种总线命令？实际给出多少种？请说明存储器读 / 写总线周期的功能。

解：可指定16种，实际给出12种。
存储器读 / 写总线周期以猝发式传送为基本机制，一次猝发式传送总线周期通常由一个地址周期和一个或几个数据周期组成。存储器读 / 写周期的解释，取决于PCI总线上的存储器控制器是否支持存储器 / cache之间的PCI传输协议。如果支持，则存储器读 / 写一般是通过cache来进行；否则，是以数据非缓存方式来传输。
9、某磁盘存贮器转速为3000转 / 分，共有4个记录面，每毫米5道，每道记录信息为12288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道。问：
（1）磁盘存贮器的容量是多少？
（2）最高位密度与最低位密度是多少？
（3）磁盘数据传输率是多少？
（4）平均等待时间是多少？
（5）给出一个磁盘地址格式方案。

解：
（1） 每道记录信息容量 = 12288字节
每个记录面信息容量 = 275×12288字节
共有4个记录面，所以磁盘存储器总容量为 ：
4 ×275×12288字节 = 13516800字节
（2）最高位密度D1按最小磁道半径R1计算（R1 = 115mm）：
D1 = 12288字节 / 2πR1 = 17字节 / mm
最低位密度D2按最大磁道半径R2计算：
R2 = R1 + （275 ÷ 5） = 115 + 55 = 170mm
D2 = 12288字节 / 2πR2 = 11.5 字节 / mm
(3) 磁盘传输率 C = r · N
r = 3000 / 60 = 50 周 / 秒
N = 12288字节（信道信息容量）
C = r · N = 50 × 12288 = 614400字节 / 秒
（4）平均等待时间 = 1/2r = 1 / (2×50) = 10毫秒
（5）磁盘存贮器假定只有一台，所以可不考虑台号地址。有4个记录面，每个记录面有275个磁道。假定每个扇区记录1024个字节，则需要12288 ÷1024字节 = 12个扇区。由此可得如下地址格式：
柱面（磁道）号 盘面（磁头）号 扇区号

14 6 5 4 3 0
10、某磁盘存贮器转速为3000转 / 分，共有4个记录面，每毫米5道，每道记录信息为12288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道。问：
（1） 磁盘存贮器的容量是多少？
（2） 最高位密度与最低位密度是多少？
（3） 磁盘数据传输率是多少？
（4） 平均等待时间是多少？
（5） 给出一个磁盘地址格式方案。
解：
(1) 每道记录信息容量 = 12288字节
每个记录面信息容量 = 275×12288字节
共有4个记录面，所以磁盘存储器总容量为 ：
4 ×275×12288字节 = 13516800字节
（2） 最高位密度D1按最小磁道半径R1计算（R1 = 115mm）：
D1 = 12288字节 / 2πR1 = 17字节 / mm
最低位密度D2按最大磁道半径R2计算：
R2 = R1 + （275 ÷ 5） = 115 + 55 = 170mm
D2 = 12288字节 / 2πR2 = 11.5 字节 / mm
(3) 磁盘传输率 C = r · N
r = 3000 / 60 = 50 周 / 秒
N = 12288字节（信道信息容量）
C = r · N = 50 × 12288 = 614400字节 / 秒
（4）平均等待时间 = 1/2r = 1 / (2×50) = 10毫秒
（5）磁盘存贮器假定只有一台，所以可不考虑台号地址。有4个记录面，每个记录面有275个磁道。假定每个扇区记录1024个字节，则需要12288 ÷1024字节 = 12个扇区。由此可得如下地址格式：
柱面（磁道）号 盘面（磁头）号 扇区号
14 6 5 4 3 0

图 B 8.4
11、试推导磁盘存贮器读写一块信息所需总时间的公式。
解：设读写一块信息所需总时间为T，平均找道时间为Ts，平均等待时间为TL，读写一块信息的传输时间为Tm，则：T=Ts＋TL＋Tm。
假设磁盘以每秒r的转速率旋转，每条磁道容量为N个字，则数据传输率=rN个字/秒。
又假设每块的字数为n，因而一旦读写头定位在该块始端，就能在Tm≈（n / rN）秒的时间中传输完毕。
TL是磁盘旋转半周的时间，TL=（1/2r）秒，由此可得：
T=Ts＋1/2r＋n/rN 秒
12、画出PCI总线结构框图。说明三种桥的功能。

解：PCI总线结构框图如下所示：
图B11.3

PCI总线有三种桥，即HOST / PCI桥（简称HOST桥），PCI / PCI桥，PCI / LAGACY桥。在PCI总线体系结构中，桥起着重要作用：
（1） 它连接两条总线，使总线间相互通信。
（2） 桥是一个总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。
（3） 利用桥可以实现总线间的卒发式传送。
13、CPU响应中断应具备哪些条件？画出中断处理过程流程图。
解：条件：
（1）在CPU中的中断屏蔽触发器IM必须是开放的。
(2）外设有中断请求时，中断请求触发器IR必须处于“1”状态，保持中断请求信号。
（3）外设接口中中断允许触发器EI必须为“1”，这样才能把外设中断请求送至CPU。
（4）当上述三个条件具备时，CPU在现行指令结束的最后一个机器周期响应中断。
流程图如下：

14、已知某磁盘存储器转速为2400转/分，每个记录面道数为200道，平均查找时间为60ms，每道存储容量为96Kbit，求磁盘的存取时间与数据传输率。
解：2400转 / 分 = 40转 / 秒
平均等待时间为：1 / 40 × 0.5 = 12.5（ms）
磁盘存取时间为：60 ms + 12.5ms = 72.5ms
数据传播率： Dr = r N , N = 96K bit , r = 40转 / 秒
Dr = r N = 40 × 96K = 3840K (bit/s)
15、如图，假设有光盘、软盘、打印机三个设备同时工作。光盘以30μs的间隔向控制器发DMA请求，软盘以60μs的间隔发DMA请求，打印机以180μs间隔发DMA请求。根据传输速率，光盘优先权最高，软盘次之，打印机最低，假设DMA控制器每完成一次DMA传送所需的时间是5μs。若采用多路型DMA控制器，请画出DMA控制器服务三个设备的工作时间图。
图C14.1
解:由图看出，在180μs时间阶段中，为打印机服务只有两次（T3，T13）,为软盘服务四次（T2,T6,T9,T12）,为光盘服务七次（T1,T4,T5,T7,T8,T10,T11），从图上看到，在这种情况下DMA尚有空闲时间，说明控制器还可以容纳更多设备。
图C14.2
16、软盘驱动器使用双面双密度软盘，每面有80道，每道15扇区，每个扇区存储512B。已知磁盘转速为360转/分，假设找道时间为10-40ms，今写入38040B，平均需要多少时间？最长时间是多少？
解：每道存储容量为：15×512B = 7680B
磁盘转速为：360转 / 分 = 6转 / 秒
访存时间为：1 / 6 ×1000ms ×1/2 = 83.3 ms
写入一道数据需用（平均）：（10 + 40）/ 2 + 83.3 = 108.3ms
写入一道数据需用（最多）：40 + 83.3 = 123.3ms
写入数据所用道数：38040 ÷ 7680 = 5（道）
平均所需时间：108.3ms×5 = 541.5ms
最长时间 ：123.3ms×5 = 616.5ms
17、画出PCI总线结构框图，说明HOST总线、PCI总线、LAGACY总线的功能。
解：PCI总线结构框图如图B20.3所示：

图B14.6
PCI总线有三种桥，即HOST / PCI桥（简称HOST桥），PCI / PCI桥，PCI / LAGACY桥。
（1）HOST总线：该总线又称CPU总线、系统总线、主存总线等，它不仅连接主存，还可以连接多个CPU
（2）PCI总线：连接各种高速的PCI设备。PCI设备可以是主设备也可以是从设备，或者兼而有之。系统中允许有多余的PCI总线。它们可以使用HOST桥与HOST桥总线相连，也可以使用PCI/PCI桥与已经同HOST桥连接的PCI总线相连。
（3）LAGACY总线：可以是ISA、EISA、MCA等性能较低的传统总线，以便充分利用市场上现有的适配器卡，支持中低速I/O设备
18、某双面磁盘，每面有220道，已知磁盘转速r=3000转/分，数据传输率为175000B/S，求磁盘总容量。
解：因为 Dr=r×N r=3000转/60s=50转/s
所以 一条磁道信息量N=Dr/r=1750000B/s× (s/50)=3500B
磁盘总容量=3500B×220=1540000B