计算机三级存储体系(一)
只有一级缓存是在CPU中的，一级缓存的读取需 要2-4个时钟周期；二级缓存的读取需要10个左右的 时钟周期；而三级缓存需要30-40个时钟周期，但是 容量一次增大。
• 目前，计算机系统中常用的三级存储体系是 Cache、主存、辅存。
• 三级存储结构包括高速缓冲存储器（Cache）、 主存储器（MM）和辅助存储器（外存储器）。
四小组第二次讨论报告
计算机三级存储体系
first
Introduction:
一级缓存都内置在CPU内部并与CPU同 速运行，可以有效的提高CPU的运行效率。 一级缓存越大，CPU的运行效率越高，但 受到CPU内部结构的限制，一级缓存的容 量都很小。
二级缓存(L2 CACHE)出现是为了协调一级
缓存与பைடு நூலகம்存之间的速度。二级缓存比一级缓存 速度更慢，容量更大，主要就是做一级缓存和 内存之间数据临时交换的地方用。实际上，现 在Intel和AMD处理器在一级缓存的逻辑结构设 计上有所不同，所以二级缓存对CPU性能的影 响也不尽相同。
丢失”的特性。
QUESTION:
计算机为什么要使用三级存储 体系?
second
计算机的三级存储系统解决 存储器速度、容量、价格三者之 间的矛盾，并且提升了CPU访存速 度，改善了系统的总体性能。
谢谢观看！
三级缓存是为读取二级缓存后未命中的数据设 计的—种缓存，在拥有三级缓存的CPU中，只有约5% 的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效 率。其运作原理在于使用较快速的储存装置保留一 份从慢速储存装置中所读取数据且进行拷贝，当有 需要再从较慢的储存体中读写数据时，缓存(cache) 能够使得读写的动作先在快速的装置上完成，如此 会使系统的响应较为快速。
• 高速缓冲存储器用来改善主存储器与中央处 理器的速度匹配问题；辅助存储器用来扩大 存储空间。
CPU、处理器、内存、外 存、寄存器、缓存的区别
1、CPU：Central Process Unit中央处理器单元，即CPU属于处理器。 2、CPU中有寄存器，因此寄存器“外的存速”度。最快！内存、外存统称为CPU的 3、高速们缓之存间是速存度放不在匹C配P的U中矛的盾，，它使是得介内于存C访P问U与CP内U存的知时己候的较，快以。缓解它 4、缓存是指在以内缓存解中C划P分U与出外一设块处区理域速用度于不存匹放配常的使问用题的。输入输出数据， （ 内5存内、具存CP有、U“外与掉存（电）内信是存息指、全对外部存存消储）失器是”的不的划同特分的性，概，内念而存，外的C存速PU则度是具较一有外个“存独掉的立电速的信度概息快念也，，不并而会且
纪禄平-计算机组成原理(第四版)PPT-4-6存储子系统-三级存储体系
虚页号 0000 有效位 1 实页号 0101 … …
0001 0010 …
1 0 …
1011 0010 …
… … …
←页表项 ←页表项 ←页表项
定位Cache的分组：直接映射；
定位Cache数据块：全相联映射；
→直接映射和全相联映射的折衷 速度快、硬件简单、成本低、易实现 （图4-49示）
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0组
标记
0块
0块
标记
标记 标记 … 标记 标记 标记
1块
2块 3块 … 12块 13块 14块
1块
… 7块 8块 9块 … 15块
主存 0组 地址
255组
据此判断所在内存块 是否已映射到缓存中
图4-49 组相联映射 Na=20，每块512字节
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[ 举例 ] 某计算机的 Cache 共有 16块，采用 2路 - 组相联映 射方式 ( 即每组包括 2 块 ) 。存储器按字节编址，每个主 存块大小为 32字节，那么 129号主存单元所在的主存块 应装入到的Cache组号是( )：
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（1）直接映射
Cache：只分块、不分组 主存：既分块、也分组（每组的块数 = Cache块数）
[映射规则]主存的每一个数据块，只能映射到 与其组内序号相同的Cache数据块位置。
如果：K为Cache的块序号，J为主存块的序号，C为 Cache块号的位数。
则 K=J mod 2c =J mod 24
2046块
2047块
主存
将主存块的块号与Cache 块的标记字段比较，判 断主存块是否已映射到 缓存中
4901061《计算机组成原理》(周建敏)414-9答案
第1章计算机系统概论1．简答题（1）计算机硬件包括哪些基本功能部件？为什么要有这些部件？答：计算机的最基本的功能部件是运算器、存储器、控制器、输入单元和输出单元。
计算机的基本功能就是存储和处理外部世界的信息并在需要的时候向外界提供这些信息。
为了完成这些基本功能，要求计算机能够自动地输入信息、输出信息、存储信息以及处理信息。
计算机的基本部件就是根据这些要求设置的，分别用一个部件完成上述个功能，完后用一个控制器实现上述功能的自动化。
（2）简述现代计算机常用的三级存储体系。
答：CPU能按存储单元地址直接访问主存（内存）；增加高速缓存（Cache）的目的是为了提高速度，解决CPU与主存之间速度不匹配的矛盾；增加辅存（外存）的目的是弥补主存容量的不足。
（3）运算器中有哪些寄存器？答：运算器中有存放操作数和运算结果的寄存器，包括移位寄存器和若干通用寄存器。
（4）计算机软件有哪些类型？答：计算机软件一般可分为系统软件和应用软件两类。
系统软件是整个计算机系统的一部分，为用户操作计算机以及应用软件的运行提供一个方便的界面。
主要的系统软件有两类，一类是操作系统软件，负责计算机系统的运行控制；另一类是对程序设计语音进行处理的软件，包括编译程序解释程序、汇编程序等。
应用软件是完成用户所需功能的软件，专门为解决某文字处理软件、游戏软件等都属于应用软件。
（5）为什么说计算机的硬件和软件在功能上是等价的？答：因为计算机系统绝大部分硬件的功能可以用软件实现，软件的功能也可以用硬件来实现。
例如，浮点运算功能，早期的计算机中没有浮点运算部件，在这些计管机中实现浮点数据的运算是靠软件进行，现在计算机中都采用了硬件浮点运算部件。
可见计算机功能的这两种实现在逻辑上是等效的，其区别在于速度、成本、可靠性、存储容量、变更周期等因素。
2．改错题（1）现在的数字计算机系统的硬件都是由超大规模集成电路以及机电一体的外围设备构成的。
（2）运算器可以对数据进行算术运算和逻辑运算。
计算机组成原理存储器（1）（1）
计算机组成原理存储器（1）（1）1.存储器⼀、单选题（题数 54，共7 ）1在下述存储器中，允许随机访问的存储器是（）。
（1.2分）A、磁带 B 、磁盘 C 、磁⿎ D 、半导体存储器正确答案 D2若存储周期250ns，每次读出16位，则该存储器的数据传送率为（）。
（1.2分）A、4×10^6字节/秒B、4M字节/秒C、8×10^6字节/秒D、8M字节/秒正确答案 C3下列有关RAM和ROM得叙述中正确的是()。
IRAM是易失性存储器，ROM是⾮易失性存储器IIRAM和ROM都是采⽤随机存取⽅式进⾏信息访问IIIRAM和ROM都可⽤做CacheIVRAM和ROM都需要进⾏刷新（1.2分）A、仅I和IIB、仅I和IIIC、仅I，II，IIID、仅II，III，IV正确答案 A4静态RAM利⽤（）。
（1.2分）A、电容存储信息B、触发器存储信息C、门电路存储信息D、读电流存储信息正确答案 B5关于计算机中存储容量单位的叙述，其中错误的是（）。
（1.2分）A、最⼩的计量单位为位（bit），表⽰⼀位“0”或“1”B、最基本的计量单位是字节（Byte），⼀个字节等于8bC、⼀台计算机的编址单位、指令字长和数据字长都⼀样，且是字节的整数倍D、主存容量为1KB，其含义是主存中能存放1024个字节的⼆进制信息正确答案 C6若CPU的地址线为16根，则能够直接访问的存储区最⼤容量为（）。
（1.2分）A、1MB、640KC、64KD、384K正确答案 C7由2K×4的芯⽚组成容量为4KB的存储器需要()⽚这样的存储芯⽚。
（1.2分）A、2B、4C、8D、16正确答案 B8下⾯什么存储器是⽬前已被淘汰的存储器。
（1.2分）A、半导体存储器B、磁表⾯存储器C、磁芯存储器D、光盘存储器正确答案 C9下列⼏种存储器中，（）是易失性存储器。
（1.2分）A、cacheB、EPROMC、FlashMemoryD 、 C D-ROM正确答案 A10下⾯关于半导体存储器组织叙述中，错误的是什么。
计算机组成原理第四章存储系统(一)(含答案)
第四章、存储系统（一）4.1 存储系统层次结构随堂测验1、哈弗结构（Harvard Architecture）是指（）（单选）A、数据和指令分别存放B、数据和指令统一存放C、指令和数据分时存放D、指令和数据串行存放2、如果一个被访问的存储单元，很快会再次被访问，这种局部性是（）（单选）A、时间局部性B、空间局部性C、数据局部性D、程序局部性3、下列关于存储系统层次结构的描述中正确的是（）（多选）A、存储系统层次结构由Cache 、主存、辅助存储器三级体系构成B、存储系统层次结构缓解了主存容量不足和速度不快的问题C、构建存储系统层次结构的的原理是局部性原理D、构建存储系统层次结构还有利于降低存储系统的价格4、下列属于加剧CPU和主存之间速度差异的原因的是（）（多选）A、由于技术与工作原理不同，CPU增速度明显高于主存增速率B、指令执行过程中CPU需要多次访问主存C、辅存容量不断增加D、辅存速度太慢5、下列关于局部性的描述中正确的是（）（多选）A、局部性包括时间局部行和空间局部性B、局部性是保证存储系统层次结构高效的基础C、顺序程序结构具有空间局部性D、循环程序结构具有时间局部性4.2 主存中的数据组织随堂测验1、设存储字长为64位,对short 变量长度为16位，数据存储按整数边界对齐，关于short 变量j 在主存中地址的下列描述中正确的是（）（此题为多选题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 32、设存储字长为64位,对char 变量长度为8位，数据存储按整数边界对齐，关于char 变量j 在主存中地址的下列描述中正确的是（）（此题为多选题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 33、下列关于大端与小端模式的描述中，正确的是（）（此题为多选题）A、大端模式(Big-endian)是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中B、小端模式(Little-endian)是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中C、0x12345678 按大端模式存放时，其所在存储单元最低字节单元存放的数据是0x12D、0x12345678 按小端模式存放时，其所在存储单元最高字节单元存放的数据是0x124、下列关于存储字长的描述中正确的是（）（此题为多选题）A、主存一个单元能存储的二进制位数的最大值B、存储字长与所存放的数据类型有关C、存储字长等于存储在主存中数据类型包含的二进制位数D、存储字长一般应是字节的整数倍5、某计算机按字节编址，数据按整数边界存放，可通过设置使其采用小端方式或大端方式，有一个float 型变量的地址为FFFF C000H ,数据X = 12345678H，无论采用大端还是小段方式，在内存单元FFFF C001H，一定不会存放的数是（）（此题为多选题）A、12HB、34HC、56HD、78H4.3 静态存储器工作原理随堂测验1、某计算机字长16位，其存储器容量为64KB，按字编址时，其寻址范围是（）（单选）A、64KB、32KBC、32KD、64KB2、一个16K*32位的SRAM存储芯片，其数据线和地址线之和为（）（单选）A、48B、46C、36D、39。
计算机硬件基础知识试题
计算机硬件基础知识试题1、通常计算机的存储器是由一个Cache、主存和辅存构成的三级存储体系。
辅助存储器一般可由磁盘、磁带和光盘等存储设备组成。
Cache和主存一般是一种__A__存储器，磁带则是一种__B__存储设备。
在各种辅存中，除去__C__外，大多是便于脱卸和携带的。
Cache存储器一般采用__D__半导体芯片，主存现在主要由__E__半导体芯片组成。
A、B：①随机存取②相联存取③只读存取④顺序存取⑤先进先出存取⑥先进后出存取C：①软盘②CD-ROM ③磁带④硬盘D、E：①ROM②PROM③EPROM④DRAM⑤SRAM2、计算机的主机包括__A__，指令由__B__解释，设某条指令中的操作数（地址）部分为X，地址X的主存单元内容为Y，地址为Y的主存单元内容为Z。
如果用直接存储方式，参与操作的数据为__C__；如果用立即寻址方式，参与操作的数据是__D__；如果以间接寻址方式，参与操作的数据为__E__。
A：①运算器和控制器②CPU和磁盘存储器③硬件和软件④CPU和主存B：①编译程序②解释程序③控制器④运算器C~E：①X②X+Y③Y④Y+Z⑤Z⑥X+Z3、5.25英寸软盘上的DS，DD标记的意义是____。
A、单面单密度B、单面双密度C、双面单密度D、双面双密度4、5.25英寸软盘片外框上的一个矩形缺口，其作用是____。
A、机械定位B、"0"磁道定位C、写保护作用D、磁盘的起点定位5、5.25英寸软盘片内圆边上的一个小圆孔，其作用是____。
A、机械定位B、"0"磁道定位C、写保护作用D、磁盘的起点定位6、软盘驱动器在寻找数据时，_____。
A、盘片不动，磁头动B、盘片动，磁头不动C、盘片和磁头都动D、盘片和磁头都不动7、计算机执行指令的过程：在控制器的指挥下，把__A__的内容经过地址总线送入__B__的地址寄存器，按该地址读出指令，再经过数据总线送入__C__，经过_ _D__进行分析产生相应的操作控制信号送各执行部件。
计算机三级存储体系
三级缓存是为读取二级缓存后未命中旳数据设 计旳—种缓存，在拥有三级缓存旳CPU中，只有约5% 旳数据需要从内存中调用，这进一步提升了CPU旳效 率。其运作原理在于使用较迅速旳储存装置保存一 份从慢速储存装置中所读取数据且进行拷贝，当有 需要再从较慢旳储存体中读写数据时，缓存(cache) 能够使得读写旳动作先在迅速旳装置上完毕，如此 会使系统旳响应较为迅速。
四小组第二次讨论报告
计算机三级存储体系
first
Introduction:
一级缓存都内置在CPU内部并与CPU同 速运营，能够有效旳提升CPU旳运营效率。 一级缓存越大，CPU旳运营效率越高，但 受到CPU内部构造旳限制，2 CACHE)出现是为了协调一级
缓存与内存之间旳速度。二级缓存比一级缓存 速度更慢，容量更大，主要就是做一级缓存和 内存之间数据临时互换旳地方用。实际上，目 前Intel和AMD处理器在一级缓存旳逻辑构造设 计上有所不同，所以二级缓存对CPU性能旳影 响也不尽相同。
丢失”旳特征。
QUESTION:
计算机为何要使用三级存储体 系?
second
计算机旳三级存储系统处理 存储器速度、容量、价格三者之 间旳矛盾，而且提升了CPU访存速 度，改善了系统旳总体性能。
谢谢观看！
• 高速缓冲存储器用来改善主存储器与中央处 理器旳速度匹配问题；辅助存储器用来扩大 存储空间。
CPU、处理器、内存、外 存、寄存器、缓存旳区别
1、CPU：Central Process Unit中央处理器单元，即CPU属于处理器。 2、CPU中有寄存器，所以寄存器“外旳存速”度。最快！内存、外存统称为CPU旳 3、高速们缓之存间是速存度储不在匹C配P旳U中矛旳盾，，它使是得介内于存C访P问U与CP内U存旳知时己候旳较，快以。缓解它 4、缓存是指在以内缓存解中C划P分U与出外一设块处区理域速用度于不存匹储配常旳使问用题旳。输入输出数据， （ 内5存内、具存CP有、U“外与掉存（电）内信是存息指、全对外部存存消储）失器是”旳不旳划同特分旳征，概，内念而存，外旳C存速PU则度是具较一有外种“存独掉旳立电速旳信度概息快念也，，不而而会且
纪禄平-计算机组成原理(第4版)PPT 4.6-三级存储体系
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2. Cache的前提条件
※指令的执行具有局部性特征：
CPU从主存中取指令、数据，在一定时间内地址范围 常局限于主存的某个小区域。 因此可以将正在使用的部分（热点区指令和数据）， 提前预取并存储到一个高速的、小容量的Cache中。
CPU访存 [技术效果]
CPU访问Cache
能使CPU读写指令、数据的速度大大提高。
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3. 主存与Cache的地址映射
[说明] 主存↔Cache之间是以固定大小的数据块为单 位进行整体调度（交换）； 基于下列条件，分析3种主存↔Cache映射： 存储器均按字节编址：1B/每个地址； 数据块大小：512B； Cache容量：8KB →分成16块（213/29） 主存容量大小：1MB →分成2048块（220/29）
A. 0 B. 2 C. 4
D.6
[解题分析]
Cache如何分组、分块？ Cache分8组，每组2块，每块32B 主存如何分组、分块？ 主存分若干组，每组又分成8块
129=10000001
（组内块序号100） 0…010000001
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4.常用的替换算法
（1）最不经常使用(LFU, Least-Frequently Used) 将一段时间内被访问次数最少的那块从Cache中 置换出去。 （2）近期最久未使用(LRU, Least-Recently Used) 将近期内最久末被访问过的Cache块置换出去。 （3）随机替换 随机确定将哪块从Cache中替换出去。
【计算机组成原理】存储系统
【计算机组成原理】存储系统存储器的层次和结构从不同⾓度对存储器进⾏分类：1.按在计算机中的作⽤（层次）分类 （1）主存储器。
简称主存，⼜称内存储器（内存），⽤来存放计算机运⾏期间所需的⼤量程序和数据，CPU 可以直接随机地对其进⾏访问，也可以和告诉缓冲存储器（Cache）及辅助存储器交换数据，其特点是容量较⼩、存取速度较快、单位价格较⾼。
（2）辅助存储器。
简称辅存，⼜称外存储器（外存），是主存储器的后援存储器，⽤来存放当前暂时不⽤的程序和数据，以及⼀些需要永久性保存的信息，它不能与CPU 直接交换信息。
其特点是容量极⼤、存取速度较慢、单位成本低。
（3）⾼速缓冲存储器。
简称 Cache，位于主存和 CPU 之间，⽤来存放正在执⾏的程序段和数据，以便 CPU 能⾼速地使⽤它们。
Cache 地存取速度可与 CPU 的速度匹配，但存储容量⼩、价格⾼。
⽬前的⾼档计算机通常将它们制作在 CPU 中。
2.按存储介质分类 按存储介质，存储器可分为磁表⾯存储器（磁盘、磁带）、磁芯存储器、半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）和光存储器（光盘）。
3.按存取⽅式分类 （1）随机存储器（RAM）。
存储器的任何⼀个存储单元的内容都可以随机存取，⽽且存取时间与存储单元的物理位置⽆关。
其优点是读写⽅便、使⽤灵活，主要⽤作主存或⾼速缓冲存储器。
RAM ⼜分为静态 RAM （以触发器原理寄存信息，SRAM）和动态 RAM（以电容充电原理寄存信息，DRAM）。
（2）只读存储器（ROM）。
存储器的内容只能随机读出⽽不能写⼊。
信息⼀旦写⼊存储器就固定不变，即使断电，内容也不会丢失。
因此，通常⽤它存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚⾄⽤于操作系统的固化。
它与随机存储器可共同作为主存的⼀部分，统⼀构成主存的地址域。
由ROM 派⽣出的存储器也包含可反复重写的类型，ROM 与RAM 的存取⽅式均为随机存取。
⼴义上的只读存储器已可已可通过电擦除等⽅式进⾏写⼊，其“只读”的概念没有保留，但仍然保留了断电内容保留、随机读取特性，但其写⼊速度⽐读取速度慢得多。
计算机原理作业一(1)
《计算机组成原理》作业1一. 选择题：1. 对计算机的软硬件资源进行管理是___A____的功能。
A. 操作系统B. 数据库管理系统C. 语言处理程序D. 用户程序2. 定点二进制运算器中，减法运算一般通过___D____来实现。
A. 反码运算的二进制减法器B. 补码运算的二进制减法器C. 补码运算的十进制加法器D. 补码运算的二进制加法器3. 运算器的主要功能是进行___C_____。
A. 逻辑运算B. 算术运算C. 逻辑运算和算术运算D. 减法运算4．完整的计算机系统应包括__D_____。
A. 运算器、存储器、控制器B. 外部设备和主机C. 主机和实用程序D. 配套的硬件设备和软件系统5. 计算机中表示地址时使用____D____。
A. 无符号数B. 原码C. 反码D. 补码6. 在机器数中，__B______的零的表示形式是唯一的。
A. 原码B. 补码C. 反码D. 原码和反码7. 在8位机中定点补码整数范围是___A____A. -128~+127B. -128~+128C. -127~+127D. -127~+1288. 在8位整数中，无符号数范围是___B____；A. 0~255B. 0~256C. -127~+128D. -128~+1279．在浮点编码表示中__D_____在机器数中不出现，是隐含的。
A. 阶码B. 符号C. 尾数D. 基数10. 在定点数运算中产生溢出的原因是____C___。
A. 运算过程中最高位产生了进位或借位B. 参加运算的操作数超出了机器表示范围C. 运算的结果的操作数超出了机器表示范围D. 寄存器的位数太少，不得不舍弃最低有效位11. 运算器虽然有许多部件组成，但核心部分是____B____。
A. 数据总线B. 算术逻辑运算单元C. 多路开关D. 通用寄存器12．ALU属__ D_____部件。
A. 运算器B. 控制器C. 存储器D. 寄存器13. 计算机的存储器系统是指___D______。
计算机的存储系统
第6章计算机的存储系统现代计算机采用程序控制方式工作，因此，用来存放程序的存储系统是计算机的重要组成部分。
存储器包括内存储器和外存储器。
内存储器包括主存储器和高速缓冲存储器，外存储器即辅助存储器。
主存储器简称主存，它位于主机内部。
本章介绍计算机的存储系统，包括主存储器的基本组成、层次结构和工作原理，高速缓冲存储器的工作原理，以及各类外存储器。
6.1 存储器与存储系统概述6.1.1 存储器的作用现代计算机都是以存储器为中心的计算机，存储器处于全机的中心地位。
存储器的作用可归纳为：⑴存放程序和数据。
计算机执行的程序、程序运行所需要的数据都是存放在存储器中的。
⑵现代计算机可以配置的输入输出设备越来越多，数据传送速度不断加快，并且多数采用直接存储器存取（DMA）方式和输入输出通道技术，与存储器直接交换数据而不通过CPU。
⑶共享存储器的多处理器计算机的出现，使得可利用存储器来存放共享数据，并实现各处理器之间的通信，更加强了存储器作为整个计算机系统中心的作用。
6.1.2 存储器分类⒈按存取方式分类⑴随机存取存储器RAM(Random Access Memory）特点：存储器中任何一个存储单元都能由CPU或Ｉ/O设备随机存取，且存取时间与存取单元的物理位置无关。
用途：常用作主存或高速缓存。
⑵只读存储器ROM(Read-Only Memory）特点：存储器的内容只能读出而不能写入。
用途：常用来存放固定不变的系统程序。
作为固定存储，故又叫“固存”。
随着用户要求的提高，只读存储器产品从ROM→可编程只读存储器PROM→光可擦除可编程只读存储器EPROM→电可擦除可编程的只读存储器EEPROM，为用户方便地存入和改写内容提供了物质条件。
⑶顺序存取存储器SRAM特点：存储器中存储的信息（字或者记录块），完全按顺序进行存放或读出，在信息载体上没有惟一对应的地址号，访问指定信息所花费的时间和信息所在存储单元的物理位置密切相关。