计算机组成原理cache

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计算机组成原理第四章作业答案

第四章作业答案解释概念：主存、辅存，Cache, RAM, SRAM, DRAM, ROM, PROM ,EPROM ,EEPROM CDROM, Flash Memory.解：1主存：主存又称为内存，直接与CPU交换信息。

2辅存：辅存可作为主存的后备存储器，不直接与CPU交换信息，容量比主存大，速度比主存慢。

3 Cache: Cache缓存是为了解决主存和CPU的速度匹配、提高访存速度的一种存储器。

它设在主存和CPU之间，速度比主存快，容量比主存小，存放CPU最近期要用的信息。

4 RAM; RAM是随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。

5 SRAM: 是静态RAM，属于随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。

靠触发器原理存储信息，只要不掉电，信息就不会丢失。

6 DRAM 是动态RAM，属于随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。

靠电容存储电荷原理存储信息，即使电源不掉电，由于电容要放电，信息就会丢失，故需再生。

7 ROM: 是只读存储器，在程序执行过程中只能读出信息，不能写入信息。

8 PROM: 是可一次性编程的只读存储器。

9 EPROM 是可擦洗的只读存储器，可多次编程。

10 EEPROM: 即电可改写型只读存储器，可多次编程。

11 CDROM 即只读型光盘存储器。

12 Flash Memory 即可擦写、非易失性的存储器。

存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache—主存和主存—辅存这两个存储层次上。

Cache—主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。

主存—辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。

计算机组成原理--cache主存地址映射

计算机组成原理--cache主存地址映射
1.位（bit）<字节（byte）<字？
计算机内存中，最⼩的存储单位是“位（bit）”，8个“位”构成⼀个“字节（byte）”，字节是内存的基本单位，也是编址单位。

例如，某计算机的内存是2GB，指的就是该计算机的内存中共有2×1024×1024×1024个字节。

计算机的性能越强，⼀次运算所能处理的“位”越多，
例如：16位计算机⼀次运算能处理16个“位”，即两个“字节”，称为⼀个“字”。

16位计算机中，⼀个“字”就是两个“字节”　
32位计算机⼀次运算能处理32个“位”，即四个“字节”，称为⼀个“字”。

32位计算机中，⼀个“字”就是四个“字节”。

PS: 32位编译系统中，int与long均占四字节。

⽽64位操作系统中，int占四字节，范围为-2147483648~ 2147483647（⼗位数）。

long占8字节，long数据范围变为：-263~263-1。

（long因平台实现不同⽽不同，有4字节，6字节和8字节三种。

）
2.访存地址为字地址,访存地址为字节地址有什么异同?
字块内地址：b = 4位(16字)+2位(32位=4B)=6位
因题中给定：按字访存，故此时只需考虑块长
字块内地址：b = 2位(块长=4)。

计算机组成原理中Cache性能优化

计算机组成原理中Cache性能优化在计算机组成原理中，Cache是一个非常重要的概念。

它是指CPU内部的一块高速缓存，用来存储CPU常用的数据和指令，其目的是为了加速对这些数据和指令的访问速度，提高计算机的整体性能。

然而，Cache的性能也会影响计算机的整体性能，因此，优化Cache的性能是计算机组成原理的一个重要方向。

Cache的性能优化的方法有很多种，下面我们就简单谈一谈其中的一些方法。

增加Cache的大小Cache的大小与访问速度直接相关。

一般来说，Cache大小越大，CPU访问Cache的速度就会越快。

因此，增加Cache的大小是一种有效的优化Cache性能的方法。

但是，增加Cache大小具有一定的限制，因为Cache的大小不仅会影响CPU的访问速度，还会影响CPU的成本和功耗。

因此，在增加Cache大小时，需要综合考虑各种因素，并做出合理的折衷。

使用高速Cache高速Cache是指访问速度更快的Cache。

普通的Cache通常有1级和2级。

而高速Cache主要包括3级和4级别的Cache。

相比普通的Cache，高速Cache能够更快的响应CPU的操作请求，从而提高计算机的整体性能。

使用高速Cache的方法也比较简单，只需要对Cache进行升级或者更换即可。

使用多级Cache使用多级Cache，是一个提高Cache性能的另一个有效方法。

多级Cache通常包括三层缓存：L1、L2和L3。

L1位于CPU内部，大小比较小，但速度非常快；L2位于CPU和内存之间，大小比L1大，速度比L1慢；L3位于主板上，大小比L2更大，速度比L2更慢。

多级Cache的优势在于，当L1 Cache大小有限时，数据和指令能够被传递到L2 Cache中，并在L3 Cache中更多地缓存。

这种方法能够减少L1 Cache的访问次数，从而提高CPU的性能。

使用硬件加速Cache硬件加速Cache是一种专为Cache设计的硬件，主要用于提高Cache的性能。

计算机组成原理 cache行号的计算例题

计算机组成原理 cache行号的计算例题一、引言Cache是计算机系统中的一种重要硬件组件，用于提高数据访问的效率。

在Cache中，行号是用于定位缓存数据的关键信息。

本文档将通过一个计算例题来介绍如何计算Cache行号。

二、Cache概述Cache是一种基于缓存技术的硬件组件，用于存储计算机系统中的数据副本，以便在需要时快速访问。

Cache通过预测未来的数据访问模式，将频繁使用的数据存储在缓存中，以提高数据访问的效率。

三、Cache行号计算方法1. 确定缓存大小：首先，需要确定Cache的总容量，以确定缓存中可以存储的数据量。

2. 确定行大小：根据Cache的设计，确定每行的大小。

行大小通常以字节为单位。

3. 计算行号：将缓存总容量除以每行的大小，即可得到Cache的总行数。

在计算行号时，通常从0开始，逐行编号。

例如，假设一个Cache的总容量为1MB（1,048,576字节），每行的大小为64字节。

根据上述计算方法，可得到Cache的总行数为：1,048,576 / 64 = 16,384行这意味着该Cache共有16,384行。

在实际使用中，Cache行号的范围通常从0到Cache总行数减1。

四、例题及解答假设有一个大小为2MB的Cache，每行大小为64字节。

请计算该Cache的行号。

根据上述计算方法，可得到：2,097,152 / 64 = 32,060行所以，该Cache共有32,060行。

行号的范围从0到32,059。

五、总结通过以上例题，我们了解了如何计算Cache行号。

在实际使用中，Cache行号的计算对于正确地访问缓存数据至关重要。

合理地设计Cache结构和选择合适的行大小，可以提高Cache的性能和效率。

计算机组成原理第17讲_Cache

… …
m-1
盛建伦jlsheng@
直接映射 Direct Mapping 若 Cache有m行，每行n字，主存有2S块， S— r位主存地址（S+w位） Cache地址（r+w位）标志Tag r位行地址Line 行地址Line 选中1行 Cache的内容 Tag 字0 字1 设 m=2r ，n=2W w位字地址Word 字地址Word 选中行内1个字 …… 字 n-1
From Processor 主存地址块号已装不进 Cache 替换策略块内地址
地址总线
若Cache已满，则按照某种替换策略把该行替换进Cache。 CPU访问Cache，每次1个字。
Miss
Hit 装入 Cache 1行主存- Cache 地址映射变换机构 Cache地址
Address Mapping
主存地址
地址总线
块号
已装不进 Cache
块内地址
Miss Hit 装入 Cache
主存- Cache 地址映射变换机构 Cache地址
Address Mapping
替换策略
块号块内地址
主存
直接通路
1行
Cache
1个字
To Processor
数据总线
主存-Cache地址映射变换机构将处理机发出的主存地址变换成Cache地址，判定该字所在行是否在Cache中。如果在Cache中，称为命中Hit，则访问Cache。如果不在Cache中，称为不命中Miss（块失效），则访问主存。同时，将包含该字的一行装入Cache。
装入 Cache 主存- Cache 地址映射变换机构 Cache地址
Address Mapping

计算机组成原理——cache高速缓存存储器

计算机组成原理——cache⾼速缓存存储器cache-⾼速缓存存储器在主存与CPU之间插⼊⼀级或多级SRAM组成的⾼速缓存存储器。

扩展cache有限，因为SRAM价格昂贵。

cache作⽤：为了解决CPU和主存之间速度不匹配⽽采⽤的⼀项重要技术。

cache特性：具有空间局部性以及时间局部性。

cache的组成：SRAM和控制逻辑。

如果cache在CPU芯⽚外，它的控制逻辑⼀般和主存控制逻辑合成在⼀起，称主存/cache控制器。

若cache在CPU 内，则由CPU提供它的控制逻辑。

CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，⽽cache与主存之间的数据交换是以块为单位。

⼀个块由若⼲字组成，是定长的。

cacheache的命中率：为了使主存的平均读出时间尽可能接近cache的读出时间，cache命中率应接近于1.地址映射含义：为了把主存块放到cache中，必须应⽤某种⽅法把主存地址定位到cache中，称作地址映射。

地址映射⽅式：全相联映射⽅式、直接映射⽅式和组相联映射⽅式。

全相联映射⽅式⼩结：（1）在全相联cache中，全部标记⽤⼀个相联存储器来实现，全部数据⽤⼀个普通RAM来实现。

（2）优点”冲突率⼩，cache利⽤率⾼（3）缺点：⽐较器难于设计与实现（4）只适⽤⼩容量cache。

直接映射⽅式⼩结：（1）优点：硬件简单，成本低。

（2）缺点：每个主存块只有⼀个固定得⾏位置可存放。

（3）发⽣冲突率⼤。

（如果块号相距m整数倍得两个块存于同⼀cache⾏时）（4）适合⼤容量cache.组相联映射⽅式⼩结：适度兼顾了“全相联映射⽅式”和“直接映射⽅式”的优点以及尽量避免两者的缺点。

替换策略含义：当⼀个新的主存块需要拷贝到cache，⽽允许存放块的⾏位置都被其他主存占满时，就要产⽣替换。

适合的地址映射⽅式：全相联映射⽅式和组相联映射⽅式（1）最不经常使⽤（LFU）算法含义：将⼀段时间内被访问次数最少的那⾏数据换出。

计算机组成原理 408 单选题 cache缺失率

计算机组成原理 408 单选题 cache缺失率【计算机组成原理 408 单选题 cache缺失率】一、引言计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要核心课程，涵盖了计算机硬件的基本原理和组织结构。

在学习过程中，我们经常会接触到一些重要的概念和技术。

本文将重点探讨计算机组成原理中一个关键概念——缓存（cache）的缺失率问题，从浅入深地剖析其含义和影响因素，以期增加对该概念的深刻理解。

二、缓存的定义和作用1. 缓存的概念缓存是计算机系统中用于存储数据的一种高速存储器，位于CPU和主存之间。

它通过缓存存储一部分最常用的数据，以提高数据访问速度并减少对主存的访问次数。

2. 缓存的作用缓存的存在可以大大加快计算机系统的运行速度，因为CPU可以更快地获取和处理数据。

缓存利用了局部性原理，即数据访问的局部性倾向于聚集在较小的数据块中，而不是完全随机地访问整个存储空间。

缓存可以避免频繁访问主存，从而提高计算机的整体性能。

三、缺失率的定义和计算方法1. 缺失率的定义缺失率是指在数据访问过程中，需要访问的数据在缓存中不存在的比例。

其可以表示为缺失次数与总访存次数的比值，通常用百分比表示。

2. 缺失率的计算方法缺失率的计算方法是通过统计缓存未命中（缺失）的次数来获得。

假设访存总次数为N，缺失次数为M，则缺失率可以计算为M/N*100%。

四、影响缺失率的因素1. 缓存容量缓存容量决定了缓存能够存储的数据量。

当缓存容量较小时，由于无法容纳更多的数据，缺失率可能较高。

相反，当缓存容量较大时，可以存储更多的数据，从而降低缺失率。

2. 缓存映射方式缓存的映射方式决定了数据如何在缓存中进行组织和定位。

常见的缓存映射方式有直接映射、全相联映射和组相联映射。

不同的映射方式对缺失率产生不同的影响。

3. 缓存替换策略当缓存已满时，需要替换一部分已经缓存的数据以腾出空间。

缓存的替换策略不同，可能导致不同的缺失率。

4. 缓存块大小缓存块大小决定了每次访问缓存时可以获取多少数据。

cache计算机组成原理

cache计算机组成原理小伙伴们！今天咱们来唠唠计算机组成原理里超级有趣的一个东西——Cache（高速缓冲存储器）。

你可以把计算机想象成一个超级大的办公室。

这里面有各种各样的员工（部件）在忙忙碌碌地干活。

而Cache呢，就像是办公室里最机灵的小秘书。

为啥这么说呢？你想啊，CPU（中央处理器）这个大老板，每天都要处理好多好多的数据，就像大老板每天要做各种决策一样。

这些数据呢，原本是放在内存这个大仓库里的。

可是呀，内存离CPU有点远，每次CPU要找个数据，就像大老板要从老远的大仓库里找个文件一样，特别费时间。

这时候，Cache就闪亮登场啦。

Cache这个小秘书特别聪明，它就在CPU的身边，离得超级近。

它就像有个超能力，会提前猜一猜CPU这个大老板接下来可能会用到哪些数据。

然后呢，它就偷偷地从内存这个大仓库里把那些可能会用到的数据拿过来，放在自己这里。

当CPU说：“我要找个数据啦。

”Cache就会特别快地说：“老板，你要的是不是这个呀？”然后一下子就把数据给CPU了。

这速度，就像闪电一样快。

Cache这个小秘书呀，它的存储空间可没有内存那么大。

它就像是一个小巧精致的文件柜，虽然装不了太多东西，但是放的都是最最常用的文件。

比如说，你每天都要用到的办公软件的一些小设置之类的。

它把这些常用的数据放在身边，就为了能让CPU快速拿到。

那Cache是怎么知道哪些数据是常用的呢？这就像是小秘书有自己的小秘诀。

它会根据数据被访问的频率呀，还有一些算法来判断。

就好像小秘书会观察，哪些文件大老板经常看，哪些偶尔才看一次。

经常看的就牢牢放在自己身边的小文件柜里，不常看的就先放一边。

有时候呀，也会出点小状况。

比如说，Cache以为CPU会用到某个数据，就把它从内存里拿过来了，结果CPU要的是另外一个数据。

这就像小秘书猜错了大老板的心思。

不过没关系呀，Cache会很快调整自己的策略，再去内存里找正确的数据。

而且呢，Cache还有不同的级别。

计算机组成原理第四章课后习题及答案唐朔飞完整版

第4章存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。

答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。

CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。

辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。

Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。

RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。

SRAM：静态半导体随机存取存储器。

DRAM：动态半导体随机存取存储器。

ROM：掩膜式半导体只读存储器。

由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。

PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。

EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。

需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。

擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。

EEPROM：电擦写可编程只读存储器。

CDROM：只读型光盘。

Flash Memory：闪速存储器。

或称快擦型存储器。

2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。

答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。

按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。

3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。

主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。

计算机组成原理复习题

6.利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特(bit) 位数常称为波特率。假设数据传送速率是500个字符 /秒，每一个字符格式规定包含10个比特位(起始位1 位、数据位8位、停止位1位)，问传送的波特率是多少？每个比特位占用的时间是多少？ 500×10 = 5000 bit/s 1/5000
5.（1）某总线在一个总线周期中并行传送4 个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHZ，总线带宽是多少？（2）如果一个总线周期内并行传送64位数据，总线时钟频率变为66MHZ，总线带宽是多少？p186
解：（1）总线带宽为 33MHZ×4B=33MHZ×32 bit=1056Mbps （2）总线带宽为 66MHZ×64 bit=4224Mbps
6 操作码 2 寻址方式码 24 地址码
4.画出微程序控制器组成框图，并说明各部分功能?
（1）控制存储器：用来存放实现全部指令系统的所有微程序。（2）微指令寄存器：用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。（3）地址转移逻辑：当微程序出现分支时，由地址转移逻辑自动完成修改微地址的任务。
块内地址 7
Cache的组数为：
内存地址中组号的位数为：
内存地址中Tag的位数为：
Tag 8 组号 4
00：寄存器寻址 24 3.位地址码中的低某机字长为324 位，主存容量为 1MB，单字长指位作为寄存器的编号，对应 16个通用寄存器；令，有50种操作码，采用寄存器寻址、寄存器 01 ：寄存器间接寻址间接寻址、立即寻址、直接寻址 4种寻址方式。 24位地址码中的低4位作为寄存器的编号，对应16个 CPU中有PC、IR、AR、DR、PSW和16个通用寄通用寄存器；存器。问：指令格式应当如何安排？ 10 ：立即寻址 24 主存地址的位数为： Log2(1M) = 20 bit 位地址码可以直接作为操作数，操作数的范围为～2^23-1; 2^23 单字长指令，所以机器指令长度为： 32 bit ：直接寻址 11 操作码的位数为： [Log2(50)]+1 = 6 bit 24位地址码中的低20位有效，作为内存的直接地址， 4种寻址方式，所以寻址方式码为：Log2(4) = 2 bit 即有效地址。

国开作业《计算机组成原理》 (65)

题目：在CACHE存储器中，当程序正在执行时，由（）完成地址映射。

选项A：硬件选项B：硬件和软件选项C：程序员程序员程序员程序员选项D：操作系统答案：硬件题目：在CPU与主存之间加入Cache，能够提高CPU访问存储器的速度，一般情况下（）选项A：Cache的容量与命中率无关选项B：Cache容量与主存越接近时，命中率越高选项C：Cache的容量越大，命中率越高选项D：Cache的容量越小，命中率越高答案：Cache的容量越大，命中率越高题目：计算机的外部设备是指（）选项A：外存设备选项B：输入/输出设备及外存设备选项C：输入/输出设备选项D：除了CPU和内存以外的其它设备答案：输入/输出设备题目：输入/输出设备具有以下工作特点（）选项A：实时性、多样性选项B：异步性、实时性、多样性选项C：异步性、实时性选项D：异步性、实时性、多样性、复杂性答案：异步性、实时性、多样性题目：随着CPU速度的不断提升，程序查询方式很少被采用的原因是（）选项A：CPU与外设串行工作选项B：CPU与外设并行工作选项C：硬件结构复杂选项D：硬件结构简单答案：CPU与外设串行工作题目：如果有多个中断同时发生，系统将根据中断优先级响应优先级最高的中断请求。

若要调整中断事件的响应次序，可以利用（）。

选项A：中断嵌套选项B：中断屏蔽选项C：中断响应选项D：中断向量答案：中断屏蔽题目：在采用DMA方式的I/O系统中，其基本思想是在（）之间建立直接的数据通路。

选项A：CPU与主存选项B：CPU与外设选项C：外设与外设选项D：主存与外设答案：主存与外设题目：以下（）说法是正确的。

选项A：DMA传送方式时，DMA控制器每传送一个数据就窃取一个总线周期选项B：中断服务程序的最后一条指令是中断返回指令选项C：中断允许时，CPU首先保护现场选项D：DMA控制器通过中断向CPU发DMA请求信号答案：中断服务程序的最后一条指令是中断返回指令题目：计算机系统的输入输出接口是（）之间的交接界面。

计算机组成原理的题目(2)答案+解析

1.(单选题) 在计算机组成原理中，Cache缓存的作用是什么？A. 储存CPU指令B. 储存操作系统C. 临时存储CPU频繁访问的数据D. 储存外设驱动程序答案: C解析: Cache缓存用于临时存储CPU频繁访问的数据，以加快CPU的访问速度。

例如，当CPU反复读取同一段数据时，Cache可以直接从高速缓存中读取，而不必每次都访问内存，提高了数据访问效率。

2.(单选题) 什么是冯·诺依曼体系结构中的“存储程序”？A. 指存储计算机程序的光盘B. 将程序和数据存储在同一个存储器中C. 将程序和数据存储在不同的存储器中D. 将程序和数据存储在磁带上答案: B解析: 冯·诺依曼体系结构中的“存储程序”是指将程序和数据存储在同一个存储器中，程序可以像数据一样被读取和写入，实现了程序的灵活性和可修改性。

3.(单选题) 计算机系统中的时钟频率指的是什么？A. CPU执行指令的速度B. 数据传输的速率C. 主存储器的访问速度D. CPU内部时钟发生器的振荡频率答案: D解析: 计算机系统中的时钟频率指的是CPU内部时钟发生器的振荡频率，它决定了CPU 执行指令的速度，是衡量CPU性能的重要指标。

4.(单选题) 在计算机系统中，什么是硬件中断？A. 由软件主动发起的中断请求B. 外部设备发出的中断信号C. 由CPU内部错误引发的中断D. 由硬件故障引发的中断答案: B解析: 硬件中断是由外部设备发出的中断信号，通知CPU需要进行处理。

例如，外部设备完成了数据传输，可以通过硬件中断通知CPU数据已经准备好。

5.(单选题) 在计算机系统中，什么是地址总线？A. 用于传输控制信号的线路B. 用于传输数据的线路C. 用于传输地址信息的线路D. 用于传输时钟信号的线路答案: C解析: 地址总线是用于传输CPU发出的内存地址信息的线路，它决定了CPU可以访问的内存空间范围。

6.(单选题) 在计算机系统中，什么是DMA（直接存储器访问）？A. CPU直接访问主存储器B. 外部设备直接访问主存储器C. CPU直接访问外部设备D. 外部设备直接访问CPU答案: B解析: DMA（直接存储器访问）是指外部设备可以直接访问主存储器，而不需要经过CPU的介入，提高了数据传输的效率。

计算机组成原理第五章-有关cache的计算

计算机组成原理第五章-有关cache的计算计算机组成原理第五章主要讲述了计算机中的缓存（Cache）技术。

缓存是一种用于提高计算机性能的关键技术，它位于CPU和内存之间，用于存储最近访问的数据和指令。

当CPU 需要访问某个数据或指令时，首先会检查缓存中是否存在该数据或指令，如果存在，则直接从缓存中获取，否则从内存中获取并存入缓存。

有关cache的计算主要包括以下几个方面：1. 命中率（Hit Rate）：命中率是指CPU在访问数据时，能够直接从缓存中找到所需数据的概率。

命中率越高，说明缓存的使用效果越好。

计算公式为：命中率= 命中次数/ (命中次数+ 未命中次数)2. 缺失率（Miss Rate）：缺失率是指CPU在访问数据时，无法从缓存中找到所需数据的概率。

缺失率越低，说明缓存的性能越好。

计算公式为：缺失率= 未命中次数/ (命中次数+ 未命中次数)3. 平均访问时间（Average Access Time）：平均访问时间是指CPU访问数据所需的总时间除以访问次数。

平均访问时间越短，说明缓存的性能越好。

计算公式为：平均访问时间= (命中时间* 命中次数+ 缺失时间* 缺失次数) / (命中次数+ 缺失次数)4. 缓存容量（Cache Capacity）：缓存容量是指缓存中可以存储的数据量。

缓存容量越大，能够存储的数据越多，从而提高缓存的命中率。

但是，缓存容量的增加也会增加成本和功耗。

5. 缓存行大小（Cache Line Size）：缓存行大小是指每次从内存中读取的数据量。

缓存行大小越大，每次读取的数据越多，从而提高缓存的命中率。

但是，过大的缓存行大小会增加内存带宽的需求。

6. 替换策略（Replacement Policy）：替换策略是指在缓存已满的情况下，如何选择要被替换的数据。

常见的替换策略有随机替换、先进先出（FIFO）替换、最近最少使用（LRU）替换等。

不同的替换策略会影响缓存的性能和命中率。

计算机组成原理第四章

64KB
1K×4 1K×4
1K×4 1K×4
1K×4 1K×4
1K×4 1K×4
4KB
需12位地址
寻址： A11～A0
低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。芯片芯片地址片选信号片选逻辑
1K
A9～A0
CS0
1K
A9～A0
CS1
1K
A9～A0
CS2
1K
A9～A0
CS3
A11A10 A11A10
第４章存储器
4.1 概述 4.2 主存储器 4.3 高速缓冲存储器 4.4 辅助存储器
4.1 概述
一、存储器分类
1. 按存储介质分类
(1) 半导体存储器 TTL 、MOS
易失
(2) 磁表面存储器 (3) 磁芯存储器 (4) 光盘存储器
磁头、载磁体
非硬磁材料、环状元件易
失
激光、磁光材料
2. 按存取方式分类
字扩展方式
A15
3/8
译
A14 A13
码器
A12
A0 C P WE
U D7
111
000
001
010
011
100 101 110 CS CS
8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8
D0
（3）字位扩展：既增加字数，又增加字长
给出芯片地址分配与片选逻辑,并画出M框图。
1.计算芯片数
（1）先扩展位数，再扩展字（单元）数。
2片1K×4 4组1K×8
1K×8 8片 4K×8
（2）先扩展字数，再扩展位数。
4片1K×4 2组4K×4

计算机组成原理——主存与cache的映射关系

计算机组成原理——主存与cache的映射关系全相联映像：特点：指主存的⼀个字块能够映像到整个Cache的不论什么⼀个字块中。

这样的映射⽅法⽐較灵活，cache的利⽤率⾼。

但地址转换速度慢，且须要採⽤某种置换算法将cache中的内容调⼊调出，实现起来系统开销⼤。

直接相联映像：特点：指主存的⼀个字块仅仅能映像到Cache的⼀个准确确定的字块中,主存的字块仅仅能够和固定的Cache字块相应，⽅式直接，利⽤率低。

成本低，命中率低，效率较低。

组相联映像:对全相联和直接映像的⼀种折中的处理⽅案。

既不在主存和Cache之间实现字块的全然任意相应，也不在主存和Cache之间实现字块的多对⼀的硬性相应。

⽽是实现⼀种有限度的任意相应。

特点：折中⽅案。

组间全相联，组内直接映像。

集中了两个⽅式的长处。

成本也不太⾼。

最常见的Cache映像⽅式。

总结：三种映射规则能够简单觉得是对取模运算和取商运算的组合；如果：内存=30块，cache=5块，1块=10个字，所以内存=300个字。

cache=50个字；内存包括的字数为memsize,块包括的字数为blocksize,cache包括的字数为cachesize,每⼀个区包括的块数为regionblocknum。

每⼀个组包括的块数为groupblocknum，区内块号（区内偏移量）为regionblockoffset。

直接映射：memsize MOD blocksize获得的是字在块内的偏移量。

memsize / blocksize获得的是块的标号作为标记。

全相联映射：regionblocknum取cache中的块的数量，所以cahce总是与内存中的⼀个区⼤⼩同样。

（memsize / blocksize）获得全部的块数，然后再对块进⾏分区，分区操作是（memsize / blocksize）/regionblocknum获得全部的区数，（memsize / blocksize）MOD regionblocknum获得区内块号（区内偏移量）。

计算机组成原理_存储器

计算机组成原理_存储器1. 存储器的分类2. 存储器的层次结构⼀般来说，存储器的速度越快，价格越昂贵，相应的容量越⼩。

存储器的层次结构主要体现在缓存-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

① CPU和缓存、主存能够直接交换信息；②缓存能直接和CPU、主存交换信息；③主存可以和CPU、缓存、辅存直接交换信息；④辅存只能和主存直接交换信息。

缓存-主存层次主要解决CPU与主存速度不匹配的问题。

由于缓存的速度⽐主存的速度⾼，只要将CPU近期要⽤到的信息调⼊缓存，CPU就可以直接从缓存中获取信息，从⽽提⾼了访存速度。

主存-辅存层次主要解决存储系统的容量问题。

辅存的速度很低，不能直接与CPU进⾏信息交换，但其容量很⼤，可以⽤来存放⼤量暂时不需要信息。

缓存、主存、辅存的关系。

缓存、主存、辅存为当前计算机的三级存储系统，CPU⾸先访问速度最快的缓存Cache，⽽缓存中的数据由主存提供，称缓存中的数据为主存中数据的映射，主存中的数据是由速度最慢的辅存中获得的。

采⽤三级存储系统后，可以⼤⼤提⾼CPU⼯作效率。

3. 存储器的主要技术指标存储容量存储容量是指存储器中能存放⼆进制代码的总位数。

存储容量 = 存储单元个数 × 存储字长（单位为bit）存储容量 = 存储单元个数 × 存储字长 / 8 （单位为Byte）若MDR的位数为n，MAR的位数为m，则最⼤存储容量为 2^n × m存储速度存储速度是由存取时间和存取周期来表⽰的。

存取时间是指启动⼀次存储器读/写操作到完成该操作所需的全部时间。

存储周期是指存储器进⾏连续两次独⽴的存储器操作所需的最⼩时间间隔。

通常存取周期⼤于存取时间，存取周期 = 存取时间 +恢复时间存储器带宽存储器带宽指单位时间内存取的信息量，单位可以是Byte/s，bit/s等。

存储器的带宽决定了以存储器为中⼼的机器获得信息的速率。

4. 存储器的扩展由于单⽚存储芯⽚的容量总是有限的，很难满⾜实际的需要，因此必须将若⼲存储芯⽚连在⼀起，以扩展存储容量。

计算机组成原理Cache替换策略

练习1：
对于一个容量为3个块的全相联Cache，假定访问的地址块号序列为 1， 2，3，4，1，2，3，4，分别用FIFO算法和LRU算法，写出其队列变化情况，并得出结论。
练习2
对于一个全相联Cache，假定访问的地址块号序列为 1，2，3，4，1， 2，5，1，2，3，4，5，在先进先出替换方式下，分别写出分配给程序的主存页面是3页和4页的情况下，其队列的变化情况，并得出结论。
时间t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 页地址流 2 3 2 1 5 2 4 5 3 2 5 2
先进先出 FIFO
ห้องสมุดไป่ตู้命中3次
近期最少使用 LRU
命中5次
2 2 2 2* 5 5 5* 5* 3 3 3 3* 2 2 2 1 1 1* 4 4
调调命调替替替命进进中进换换换中
3 3 3 3* 2* 2* 5 5 4 4 4* 2
替命替替换中换换
2 2 2 2 2* 2 2 2* 3 3 3* 3*
3 3 3* 5 5 5* 5 5 5* 5
5
1 1 1* 4 4 4* 2 2 2
调调进命调进替命中替命替替换命命
进
中
换中换中换
中中
注意：
对于一个容量为3个块的全相联cache假定访问的地址块号序列为12341234分别用fifo算法和lru算法写出其队列变化情况并得出结练习2对于一个全相联cache假定访问的地址块号序列123412512345在先进先出替换方式下分别写出分配给程序的主存页面是3页和4页的情况下其队列的变化情况并得出结论
举例说明：
设有一道程序，有1至5共五页，执行时的页地址流（即执行时依次用到的程序页页号）为：