半导体存储器设计与Cache命中率分析

"计组练习题" 这道题目主要涵盖了计算机组织与设计中的存储系统相关知识，特别是关于主存储器的构建和Cache的工作原理。让我们逐一解析这些知识点： 1. **主存储器结构分析与设计** - **地址范围**：在给定的存储器中，ROM区占据了4k×8位，即32KB（2^14字节），而RAM区占据了3k×8位，即24KB（2^13字节）。ROM区的地址从0开始，因此ROM区的地址范围是0000H到3FFFH。RAM区紧随其后，所以RAM区的地址范围是4000H到7FFFH。其中，2k×4的SRAM芯片通过位扩展可以组成1k×8位的存储空间，而1k×4的SRAM芯片通过位扩展则可以组成512×8位的存储空间。 - **地址译码**：地址译码用于确定哪个存储芯片应该被选中。在这里，我们可以看到地址线A15到A0被使用，其中A12、A11和A10作为译码器输入。根据题目，Y0、Y1、Y2和Y3对应于ROM芯片，Y4和Y5对应于2k×4的SRAM芯片（RAM1），Y6对应于1k×4的SRAM芯片（RAM2）。 - **逻辑图设计**：逻辑图通常会包含地址线、数据线、控制线以及译码器输出，用以连接各个存储芯片。在这个例子中，会有4K×8位的ROM芯片、两个2K×4位的SRAM芯片（位扩展后为2K×8位）和两个1K×4位的SRAM芯片（位扩展后为1K×8位）的连接。 2. **全相联Cache的工作原理** - **块表容量**：Cache中的每个块都有一个有效的标记来表示它是否在Cache中。由于有6块，每块包含8个字，这意味着有6个标记位。如果标记包括字有效标记，那么对于每个字还需要额外的位，但题目没有明确给出字有效标记的数量，我们只能假设每个块的标记包括至少1位的字有效标记，所以块表容量至少为6 * (1 + 1) = 12位。 - **命中率计算**：命中率是指成功从Cache中找到所需数据的次数占总访问次数的比例。在这个案例中，程序首先访问20到45，然后重复访问18到45四次。我们需要计算在这18次访问中Cache命中的次数。假设所有访问都未命中，则每次访问都需要从主存读取整个块。因此，第一次访问20到45时，Cache会读取6个块（20/8=2，21/8=2...45/8=5）。第二次访问时，18到27的块已经存在Cache中，19到27的块已经存在，因此28到45的块需要再次读取，这又涉及到4个块。所以，总共需要读取的块数是6+4=10。由于每次读取都会将块全部读入Cache，所以第二次访问的18到45中的所有访问都是命中的。总的访问次数是18次，命中次数是18-10=8次，命中率为8/18。 - **总存取时间**：存取时间由Cache存取时间和主存与Cache之间的传输时间组成。每块存取时间为40ns，而传输8个字需要1μs（1,000,000ns）。考虑到第一次访问的10次未命中和第二次访问的8次命中，总存取时间为10 * 40ns + 8 * 1,000,000ns。 以上就是对题目所涵盖知识点的详细解释，这些内容涉及到计算机存储体系结构，包括地址分配、译码逻辑以及高速缓存的管理策略。在实际操作中，这些知识对于理解和优化计算机系统的性能至关重要。