以下习题来自《计算机系统结构》第七章 存储体系。

以下习题来自《计算机系统结构》第七章存储体系。

7．1解释下列术语

直接映像：每个主存地址映像到Cache中的一个指定地质的方式称为直接映像。

全相联映像：任何主存地址可映像到任何Cache地址的方式称为全相联映像。

组相联映像：组相联映像指的是将存储空间的页面分成若干组，各组之间是直接映像，而组内各块之间是全相联映像。

全写法：全写法也称直达法，即写操作将数据同时写入Cache和缓存。

写回法：写Cache时不写主存，仅当被写Cache数据块要被替换出去时才写回主存。

虚拟存储器：虚拟存储器是主存的扩展，当主存的容量不能满足要求时，数据可存放在外存中，在程序中仍然按地址访问外存空间。大小取决于计算机的访存能力。

段式管理：把主存按段分配的存储管理方式称为段式管理。

页式管理：把虚拟存储空间和实际存储空间等分成固定大小的页，各虚拟页可装入主存中不同的实际页面位置。

段页式管理：段页式管理式段式管理和页式管理的结合，他将存储空间按逻辑模块分成段，每段又分成若干个页，访存通过一个段表和若干个页表进行。段的长度必须是页的长度的整数倍，段的起点必须是某一页的起点。

快表：为了提高页表中常用项的访问速度，采用快速硬件构成的比全表小的多的部分表格。

慢表：存放在主存中的整个页表。

高速缓存：高速缓冲存储器是位于CPU和主存之间的高层存储子系统。

时间局部性：如果一个存储项被访问，则可能该项会很快再次被访问。

空间局部性：如果一个存储项被访问，则该项及其邻近的相也可能很快被访问。

段表：在对虚拟内存进行管理时，系统中用于指明各段在主存中的位置的表，表中包括段名或段号、段起点、装入位和段长等。

页表：在对虚拟内存进行管理时，系统中用于指明各页在主存中的位置的表，表中包括页号、每页在主存中的起始位置、表示该页是否已装入主存的装入位等。

块表：存储系统中的一个用于解决块和页的定位、标志、和寻址问题的表。

7.2 有人认为,随着存储器芯片集成度的提高，主存的容量将越来越大，虚拟存贮器将被淘汰，未来的计算机中将不采用虚拟存储器。你是否同意这种观点，为什么?

答：我不同意这种观点，尽管主存的容量越来越大，但是，随着计算机技术的不断发展，应用程序所需要的存储空间也会不断地增大，而且由于计算机的成本等问题，注定主存的容量不可能完全满足应用程序的所用需要，所以虚拟存储器作为主存的一个重要补充，仍然将是计算机中不可或缺的一部分，不会被淘汰。

7.3编译程序怎样利用系统中的Cache进行代码优化以提高系统的性能？

答：应该将常用到的指令、变量尽量地存放在主存的相邻单元，这样可以使他们一次被读入Cache，从而提高读Cache的命中率来提高系统的性能。另外，应该将对同一变量的操作尽可能地集中起来完成，以免该变量因为反复地被读入和读出而增加执行额外的时间。7.4试写出两层和三层Cache的平均访问时间公式。

解：

（I）两层Cache的情况：

设Cache的命中时间是TC，命中率是HC，失效时间为TM。则平均访存时间TA=TC*HC+(1-HC)(HC*TC+(1-HC)*TM)

（II）三层Cache的情况：

TA=TC*HC+(1-HC)(HC*TC+(1-HC)(HC*TC+(1-HC)*TM))

7.5 V AX-11/780在Cache命中时的指令平均执行时间是8.5时钟周期，Cache失效时间是6个时钟周期，假设不命中率是11%，每条指令平均访存3次。试计算在考虑了Cache的不命中时的指令平均执行时间。它比Cache命中时的平均指令执行周期延长了百分之几？

解：由题设可知：考虑了Cache的不命中时的指令平均值执行时间

TA=89%*8.5+11%*(8.5+6)=9.16(时钟周期)，

与Cache命中时的平均指令执行周期延长了

（9.16-8.5）/8.5*100%=7.76%

7.6上题中若CPU在Cache命中时的指令平均执行时间是1.5个时钟周期，如RISC计算机中的那样，其它条件一样，结果如何？从中可看出什么问题?

解：TA=89%*1.5+11%*(1.5+6)=2.16

与Cache命中时的平均指令执行周期延长了

(2.16-1.5)/1.5*100%=44%

可以看出：当CPU的速度较快时，Cache的速度将成为影响系统速度的主要因素，也就是成为速度的瓶颈。

7.7有一个“Cache-主存”存储层次。主存共分8个块（0~7），Cache为4个块（0~3），采用组相联影像，组内块数为2块，替换算法为近期最少使用法（LRU）。

（1）画出主存、Cache空间块的影像对应关系的示意图；

（2）对于如下主存块地址流：1、2、4、1、3、7、0、1、2、5、4、6、4、7、2，如主存中内容一开始未装入Cache中，请列出随时间变化的Cache中各块的使用

状况；

（3）对于（2），指出块失效又发生块争用的时刻；

（4）对于（2），求出此期间Cache的命中率。

解：

（1）主存、Cache空间块的映象对应关系示意图如下：

I组

I II组

II I组

II组

（2）地址流入体所示时，主存中内容如下表：

（3）在（2）中，时刻1、2、3、5、6、7、9、10、11、12、14、15发生块失效，时刻6、7、9、10、11、12、14、15发生块争用。

（4）此间，共有15个时刻，命中了4、8、13这3个时刻，所以命中率为20%。

7.8在页式管理虚拟存储器中，假定各页面按以下的顺序请求访问：

12、14、2、34、56、23、14、56、12、12

并且主存中只能容纳4个页面，列出使用下列各种算法时，每一个页面调度操作后在主存中的页面：

（1）先进先出替换算法；

（2）最近最少使用替换算法；

（3）LRU的计数法替换算法。

并指出什么时刻发生页面失效。

解：（1）主存中的内容如下图所示：

在时刻1、2、3、4、5、6、7、9发生页面失效。

在时刻1、2、3、4、5、6、7、9发生页面失效。

（3）主存中的内容如下图所示：