多Cache一致性——监听协议目录协议
计算机系统结构课后习题答案
第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构:按照计算机语言从低级到高级的次序,把计算机系统按功能划分成多级层次结构,每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为:微程序机器级,传统机器语言机器级,汇编语言机器级,高级语言机器级,应用语言机器级等。
虚拟机:用软件实现的机器。
翻译:先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序,然后再在这低一级机器上运行,实现程序的功能。
解释:对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令,都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后,再去高一级机器取下一条语句或指令,再进行解释执行,如此反复,直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构:传统机器程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中,把这种本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成:计算机系统结构的逻辑实现,包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现:计算机组成的物理实现,包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集成度和速度,模块、插件、底板的划分与连接,信号传输,电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比:对系统中某部分进行改进时,改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律:当对一个系统中的某个部件进行改进后,所能获得的整个系统性能的提高,受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理:程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的,而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI:每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件:由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序,用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机:冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中,机器一旦启动,就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序,自动完成由程序所描述的处理工作。
系列机:由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
计算机系统结构复习试题及答案（非计算）
计算机系统结构复习试题及答案（⾮计算）⼀．名词解释计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种⾓度看⼜好像不存在的概念称为透明性。
系列机：由同⼀⼚家⽣产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的⼀系列不同型号的计算机。
同构型多处理机系统：由多个同类型或⾄少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同⼀作业中能并⾏执⾏的多个任务。
堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。
通⽤寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通⽤寄存器的机器。
数据相关：考虑两条指令i 和j，i 在j 的前⾯，如果下述条件之⼀成⽴，则称指令j 与指令 i 数据相关：（1）指令j 使⽤指令i 产⽣的结果；（2）指令j 与指令k 数据相关，⽽指令k ⼜与指令i 数据相关。
定向：⽤来解决写后读冲突的。
在发⽣写后读相关的情况下，在计算结果尚未出来之前，后⾯等待使⽤该结果的指令并不见得是马上就要⽤该结果。
如果能够将该计算结果从其产⽣的地⽅直接送到其它指令需要它的地⽅，那么就可以避免停顿。
向量处理机：指令级并⾏：简称ILP。
是指指令之间存在的⼀种并⾏性，利⽤它，计算机可以并⾏执⾏两条或两条以上的指令。
指令的动态调度：是指在保持数据流和异常⾏为的情况下，通过硬件对指令执⾏顺序进⾏重新安排，以提⾼流⽔线的利⽤率且减少停顿现象。
是由硬件在程序实际运⾏时实施的。
指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进⾏静态调度，以减少相关和冲突。
它不是在程序执⾏的过程中、⽽是在编译期间进⾏代码调度和优化的。
失效率：CPU 访存时，在⼀级存储器中找不到所需信息的概率。
失效开销：CPU 向⼆级存储器发出访问请求到把这个数据调⼊⼀级存储器所需的时间。
强制性失效：当第⼀次访问⼀个块时，该块不在Cache 中，需要从下⼀级存储器中调⼊Cache，这就是强制性失效。
cache一致性协议实现的基本方法
面已经谈到，随着处理机数目N 的增大、存储器容量的增加，所 需要目录的容量以N2 的数量级增加。在目录本身就很庞大的情 况下，还需要增加一位C/D 位，以指示该复本是否允许写。所以 这种目录结构所需要的空间较为庞大。针对这个问题，提出了 有限目录的方法。 2）有限目录 有限目录的基本思想是要解决全映射目录空间过大的问题。 其采用的手段就是对任意一个数据块在高速缓存中同时存在的 复本的数目加以一定的限制，这是基于处理机使用的局部性， 即多机系统解决问题时，短时间内可能只集中使用其中几台机 器，所以某一个数据块的复本只有部分处理机需要，因此只需 要记录这几台机器，而不需要记录所有处理机，目录所需空间 大大减少：记录处理机号码的所需空间呈Log2N 增长，总的空间 需求为O（N XLog2N）。 3）链式目录 链式目录是采用目录指针链来跟踪共享可写数据的复本；链 表既可以采用单链表，又可以采用双链表。对于共享数据块的 复本数没有限制。所占用的空间和可扩展性与有限目录近似。
（3）Write- inv：远程高速缓存在写命中时在总线上广播一个无 效命令 （4）Read-inv：远程高速缓存在写缺失时在总线上广播一个无 效命令 （5）Read-blk：从另外一个高速缓存中读出一份有效复本。 这两条属于一致性命令 3）写操作可能遇到的几种情况 （1）如果C1 为VALID，写C1 时，则写命中（Write hit） a. 如果内存单元所在的块在高速缓存中，则可以写高速缓存 命中。 b. 如果内存单元所在的块不在高速缓存中，则写缺失，将内 存单元所在块读入高速缓存，再进行写操作发P-Write 修改C1 内 容，修改内存，发Write-Inv 给所有高速缓存，使它们的状态变 为无效。同时使本地的高速缓存中数据块的状态变Reserved。 （2）如果C1 为Reserved，对C1 进行写操作时，则写命中。发PWrite 命令修改C1内容，不修改内存中的复本，C1 状态变为 Dirty （3）如果C1 为Dirty，写C1 时则写命中。发出P-Write 命令修
适用于多核环境的混合Cache一致性协议
需要在高速缓冲 中为处理器 内核 中的 Ｃ ｃ ｅ ａｈ 数据 副本创建较
多的 目录项 ，占用了大量 的存储空间 ，因此在 目录较大时 ， 查询时延也较大 。
个处理器 内核 的私有 Ｃｃｅ ａ ，内核时刻监听总线 是否有请 求 ｈ 送达 ，所有处理器 内核 发出的请求 以广播方式发送到其他 处 理器 内核节点 ，共享总线保证所有处理器 内核 的数据请求串 行执行 。典型 的监听协议有 ＭＥ Ｉ Ｊ Ｓ 协议和 Ｍ ＳＦ Ｅ Ｉ 协议 。
３ 小容量 目录 Ｄ Ｃ ｃｅ － ａｈ
本文协议为克服监听协议无差别发送广播的缺 点，在系 统结构 中引入 了一个 目录 ｃｃｅ ａ ——ＤＣ ｃｅ —ａｈ 通过 ｈ —ａｈ ，ＤＣ ｃｅ 互联结构 和处理器 内核的私 有 Ｌ１ ａｈ 互联。带有 Ｄ Ｃ ｃ ｅ ｃｅ Ｃ — ａｈ
监听协议的优点是结构比较简单， 但因为总线是独占性 资源，当总线上互联的处理器内核节点较多时， 协议的效率 会急剧下降 。处理器内核的一致性数据请求事务都要无差 别地在总线上广播，并且所有监听到请求的 Ｃ ｃｅ ａｈ 控制器都 要查找 Ｃ ｃｅ ａｈ 中是否包含了请求数据 的副本 ，即使不包含远 程请求数据副本的 Ｃ ｃｅ ａｈ 也需要执行 查找操作 ，无谓地消耗
如是 ，进行下一步处理 。
（） 有请求 数据 的 目的 内核 将数据 副本 以点对 点方 式 ２含 发送给源请求 内核 ，并进行数据副本状态维护 。
（） ３ 目的内核向 Ｄ Ｃ ｃｅ发送确认 ，Ｄ— ａｈ 维护 目录。 — ａｈ Ｃｃｅ
状态 ；Ｃ ｒ—ｕ ｅ 为数据块 副本所在 内核编号 。 ｏｅｎ ｍｂ ｒ
cache一致性问题和解决方法
cache一致性问题和解决方法作者辽宁工程技术大学摘要高速缓冲存储器一致性问题是指高速缓冲存储器中的数据必须与内存中的数据保持同步(一致) 。
多核处理器将一个以上的计算内核集成在一个处理器中，通过多个核心的并行计算技术，增强处理器计算性能。
单片多处理器结构(CMP—ChipMultiprocessor)又是该领域中备受关注的问题。
本文简要论述了CMP的多级Cache存储结构，多级结构引起了Cache一致性问题，一致性协议的选取对CMP系统的性能有重要影响。
使用何种Cache一致性模型以及它的设计方案是本文重点研究的内容。
关键词：CMP；Cache一致性；存储器；协议；替换策略Cache consistency problem and solving methodAbstract Cache consistency refers to the data in the cache memory must be synchronized with the data in memory (the same).Multi·core processor was the integration of multiple computing cores on a single processoL which improved processor computing ability through the parallelcomputing Technology of multi-coreprocessors．Single chip multi-processorarchitecture(CMP-ChipMulfiprocessor)was hot spots in this area．The CMPmulti-level Cache storage structure was briefly discussed in this paper,which led to Cache coherence problem，the selection of consistency protocol had a major impact on the performance of the CMP system．The selection of model of theCache Coherence and methods of its design will have a significant impact ofoverall design and development of CMPKey words：CMP Cache; consistency; memory; protocol; replacement strategy1引言在过去的二十年中，计算机处理器设计工艺和处理器体系结构发展迅速，计算机也能够完成所赋予它的大部分任务。
多核Cache一致性
x’
core1
x’
core2
……
x’
core3
I表示无效
4.写无效的问题 主要开销在两个方面： （1）作废各Cache副本的开销； （2）由作废引起缺失造成的开销，即处理 机需要访问已经作废的数据时将引起Cache的 缺失。
后果： 如果一个Core经常对某个块连续写，且Core 间对共享块的竞争较小，这时写无效策略维护 一致性的开销是很小的。如发生严重竞争，即 Core之间对某个地址的共享数据竞争，将产生 较多的作废，引起更多的作废缺失。结果是共 享数据在各Cache间倒来倒去，产生颠簸现象， 当缓存块比较大时，这种颠簸现象更为严重。
5. Write-Once一致性协议状态转移表
current command state P-Read P-Write 有效 有效 next state status action
P-Write
保留
必是局部进行， 有效 Read-hit 不影响有效状态 第一次写命中，用 保留 Write-hit 写通过法。同时修 改本地和主存副本 并广播Write-inv 使所有副本失效 第二次写命中，用 重写 Write-hit 写回法。但不修改 主存的副本
5. 写更新的问题 由于更新时，所有的副本均需要更新，开 销很大。
1.1 Cache Coherence问题 1.2 监听总线协议
1.2.1 写一次协议
1.3 基于目录的Cache一致性协议 1.4 三种Cache一致性策略
1.2 监听总线协议(Snoopy protocol)
通过总线监听机制实现Cache和共享存储 器之间的一致性。 适用性分析： 适用于具有广播能力的总线结构多Core系 统，允许每个Core监听其它Core的存储器访 问情况。 只适用于小规模的多Core系统。
计算机体系结构习题答案
一、（5分）计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？请简要说明它们的含义。
答：（1）以经常性事件为重点。
在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。
（2）Amdahl 定律。
加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
（3）CPU 性能公式。
执行一个程序所需的CPU 时间 = IC ×CPI ×T 。
（4）程序的局部性原理。
程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。
二、（15分）假设某应用程序中有4类操作，通过改进各类操作的功能部件，可（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？ 答：根据Amdahl 定律aff S n +-=)1(1，其中f 是可改进部分在总运行时间中所占比例，a 是可改进部分的加速比，可得4类操作均改进后，整个程序的加速比：11.77(1)n ii iS FF S =≈-+∑∑三、（5分）请简述指令之间数据冲突的类型。
答：指令之间的数据冲突有3种类型：真相关、反相关、输出相关。
真相关（数据依赖，有时候也称为数据相关）：考虑两条指令i 和j ，i 在j 的前面，指令k 在指令i 和指令j 之间。
如果下述条件之一成立，则称指令j 与指令i 真相关：（1）指令j 使用指令i 产生的结果（写后读）；（2）指令j 与指令k 真相关，而指令k 又与指令i 真相关。
（真相关的传递性） 反相关：考虑两条指令i 和j ，i 在j 的前面，如果指令j 所写的名与指令i 所读的寄存器名或存储地址相同，则称指令i 和j 发生了反相关。
（读后写）输出相关：考虑两条指令i 和j ，i 在j 的前面，如果指令j 和指令i 所写的寄存器名或存储地址相同，则称指令i 和j 发生了输出相关。
（写后写） 其中反相关和输出相关又合称名相关。
多Cache一致性目录协议监听协议
多Cache一致性目录协议监听协议协议名称：多Cache一致性目录协议监听协议一、引言多Cache一致性目录协议监听协议（以下简称“监听协议”）是为了实现多Cache一致性目录协议的有效监控和管理而制定的。
该协议旨在确保多Cache系统中各个Cache之间的一致性，并提供数据一致性的可靠性和高效性。
二、定义1. 多Cache一致性目录协议（以下简称“一致性协议”）：用于维护多Cache系统中各个Cache之间数据的一致性的协议。
2. 监听协议：用于监听和管理多Cache系统中一致性协议的协议。
三、目标监听协议的目标是：1. 监听和记录一致性协议的执行过程，确保一致性协议的正确性和有效性。
2. 监控和管理一致性协议的执行结果，及时发现和解决一致性协议中的问题。
3. 提供一致性协议的性能评估和优化建议，提高多Cache系统的性能和可靠性。
四、工作原理1. 监听器部署：在多Cache系统中的每个Cache节点上部署监听器，用于监听一致性协议的执行过程。
2. 监听器功能：a) 监听一致性协议的消息传递过程，包括请求、响应和通知等。
b) 记录一致性协议的执行日志，包括时间戳、操作类型、源节点和目标节点等信息。
c) 检测一致性协议中的错误和异常情况，并及时报警或通知相关人员。
d) 收集一致性协议的执行结果和性能数据，用于分析和优化。
3. 监听器管理：a) 监听器的启停由管理员控制，确保监听器的正常运行和及时维护。
b) 监听器的配置和参数调整由管理员负责，根据需要进行调整和优化。
五、协议执行1. 监听器启动：a) 管理员通过指定命令或界面启动监听器。
b) 监听器启动后，开始监听一致性协议的执行过程。
2. 监听器数据收集：a) 监听器接收一致性协议的消息，并记录到执行日志中。
b) 监听器根据执行日志，统计一致性协议的执行结果和性能数据。
3. 监听器错误检测：a) 监听器检测一致性协议中的错误和异常情况，如消息丢失、超时等。
多Cache一致性目录协议监听协议
多Cache一致性目录协议监听协议协议名称：多Cache一致性目录协议监听协议1. 引言本协议旨在定义多Cache一致性目录协议（Multi-Cache Coherence Directory Protocol）的监听协议，以确保多个Cache之间的数据一致性和协同操作。
监听协议是指在多Cache系统中，各个Cache之间通过监听其他Cache的操作来实现一致性目录的更新和维护。
2. 监听协议的目的监听协议的目的是确保多Cache系统中的一致性目录能够及时更新，并保持一致性。
通过监听其他Cache的操作，可以实现以下目标：- 检测其他Cache的读写操作，以更新一致性目录中的数据状态- 监听其他Cache的写入操作，以更新本地Cache中的数据- 同步各个Cache之间的数据，保持数据的一致性3. 监听协议的基本原则本监听协议遵循以下基本原则：- 监听是异步的，各个Cache之间通过消息传递来实现监听- 监听的优先级是有序的，按照一定的优先级顺序处理监听消息- 监听的粒度是细粒度的，即对于每个数据块都进行监听- 监听的操作是可配置的，可以根据具体需求配置监听的操作类型（读、写、失效等）4. 监听协议的实现步骤本监听协议的实现步骤如下：4.1 注册监听每个Cache在加入多Cache系统时，需要向一致性目录注册自己，并申请监听其他Cache的权限。
注册时需要提供Cache的唯一标识符和监听权限的配置信息。
4.2 监听消息的传递4.2.1 监听消息的格式监听消息的格式包括：消息类型、源Cache标识符、目标Cache标识符、数据块地址等信息。
消息类型包括读请求、写请求、失效请求等。
4.2.2 监听消息的传递方式监听消息通过消息传递机制在各个Cache之间传递。
可以使用广播、点对点等方式传递消息，具体方式根据系统需求进行配置。
4.3 监听消息的处理4.3.1 监听消息的接收与解析每个Cache需要实现监听消息的接收和解析功能，根据接收到的消息类型进行相应的处理。
有关Cache的总结
有关Cache的总结[摘要]随着社会的不断进步和发展，人们对计算机速度和规模的需求不断提高。
在多体并行存储系统中,由于I/O设备向主存请求的级别高于CPU访存，为了避免CPU “空等”现象及CPU和主存的速度差异，在计算机系统的CPU与主存之间引入了cache。
本文介绍了Cache的作用，Cache一致性问题的原因及解决这个问题的两种协议。
[关键字]Cache、Cache一致性、监听协议、基于目录的协议一、C ache简介和工作原理由于I/O设备的向主存请求的级别高于CPU访存，这就出现了CPU等待I/O设备访存的现象，致使CPU空等一段时间，从而降低了CPU的工作效率。
为了避免CPU与I/O设备争抢访存，在CPU与主存之间加一级缓存，这样可将CPU要取的信息提前送至缓存，一旦主存在与I/O设备交换时，CPU可直接从内存中读取所需信息，不必空等而影响效率。
从另一角度来看，主存速度的提高始终跟不上CPU的发展。
据统计，CPU的速度平均每年改进60%，而组成主存的动态RAM速度平均每年只改进7%，结果是CPU和动态的RAM之间的速度间隙平均每年增大50%。
因此由高速缓存cache来解决CPU“空等”现象和主存与CPU速度不匹配的问题。
Cache的工作原理是基于程序访问的局部性，该局部性分为时间局限性和空间局限性。
对大量典型程序运行情况的分析结果表明，在一定时间内，由程序产生的地址只是对集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内的访问。
指令地址的分布是连续的，再加上循环程序段和子程序段要重复执行多次。
因此，对这些地址的访问就自然地具有时间上集中分布的倾向。
数据分布的这种集中倾向不如指令明显，但对数组的存储和访问以及工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中。
这种对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象，就称为程序访问的局部性。
程序访问的局部性原理分为时间局部性和空间局部性。
根据程序的局部性原理，可以在主存和CPU通用寄存器之间设置一个高速的容量相对较小的存储器，把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器，供CPU在一段时间内使用。
cache 的mesi协议
cache 的mesi协议【最新版】目录一、MESI 协议的概念与作用二、MESI 协议的类型三、MESI 协议的具体内容四、MESI 协议的优点与应用正文一、MESI 协议的概念与作用MESI 协议，全称为 Write-Once 总线监听协议，是一种用于管理计算机系统中 Cache 一致性的协议。
在现代计算机系统中，由于多个 Cache 的存在，如何保证各个 Cache 之间的数据一致性成为了一个重要的问题。
MESI 协议通过规定 Cache 的行为，解决了这个问题，保证了 Cache 的一致性。
二、MESI 协议的类型MESI 协议主要有两大类，分别是监听协议和目录协议。
1.监听协议：每个 Cache 被监听监听其他 Cache 的总线活动。
这种协议下，每个 Cache 都可以观察到其他 Cache 的数据变化，从而实现一致性。
2.目录协议：全局统一管理 Cache 状态。
这种协议下，系统中有一个专门的目录 Cache，负责管理所有 Cache 的状态，其他 Cache 只需根据目录 Cache 的指示进行操作即可。
三、MESI 协议的具体内容MESI 协议的核心思想是“写一次，读多次”。
具体来说，当一个 Cache需要修改数据时，它首先将数据写入自己的缓存，然后向其他 Cache 发送通知，让其他 Cache 也修改相应的数据。
这个过程分为以下几个步骤：1.Write-Once：每个 Cache 在接收到数据写入请求时，只会将数据写入一次，不会覆盖已有的数据。
2.Update：当 Cache 中的数据被修改后，Cache 会将修改后的数据通知给其他 Cache，让其他 Cache 也进行相应的修改。
3.Response：其他 Cache 在接收到通知后，会根据通知进行数据修改。
4.Invalidate：当 Cache 中的数据被证明是无效的时，Cache 会立即将该数据标记为无效，不再使用。
多核处理器cache一致性技术综述
多核处理器cache一致性技术综述摘要：本文介绍了实现多核处理器cache一致性的基本实现技术，并分析了其存在的问题。
根据存在的问题，介绍了几种最新的解决方案。
关键词：cache 一致性监听协议目录协议性能能耗1 基本实现技术：实现cache一致性的关键在于跟踪所有共享数据块的状态。
目前广泛采用的有以下2种协议，它们分别使用不同的技术跟踪共享数据：1.监听协议( Snooping)处理器在私有的缓存中保存共享数据的复本。
同时处理器对总线进行监听，如果总线上的请求与自己相关，则进行处理，否则忽略总线请求信号。
2.目录式(Directory based)使用目录来存放各节点cache中共享数据的信息，把cache一致性请求只发给存放有相应数据块的节点，从而支持cache的一致性。
下面分别就监听协议和目录协议做简单的介绍：1.1 监听协议监听协议通过总线监听机制实现cache和共享内存之间的数据一致性。
因为其可以通过内存的总线来查询cache的状态。
所以监听协议是目前多核处理器主要采用的一致性技术。
监听协议有两种。
一种称为写无效协议(write invalidate protocol) ，它在处理器写数据块之前通过总线广播使其它该数据的共享复本(主要存储在其它处理器的私有缓存中)变为无效，以保证该处理器能独占访问数据块，实现一致性。
另一种称为写更新(write update) ，它在处理器写入数据块时更新该数据块所有的副本。
因为在基于总线的多核处理器中总线和内存带宽是最紧张的资源，而写无效协议不会给总线和内存带来太大的压力，所以目前处理器实现主要都是应用写无效协议。
读请求：如果处理器在私有缓存中找到数据块，则读取数据块。
如果没有找到数据块，它向总线广播读缺失请求。
其它处理器监听到读缺失请求，则检查对应地址数据块状态：无效状态下，向总线发读缺失，总线向内存请求数据块；共享状态下，直接把数据发送给请求处理器；独占状态下，远端处理器节点把数据回写，状态改为共享，并将数据块发送给请求处理器。
高速缓冲存储器一致性
感谢观看
I（Invalid）：这行数据无效。
在该协议的作用下，虽然各cache控制器随时都在监听系统总线，但能监听到的只有读未命中、写未命中以 及共享行写命中三种情况。读监听命中的有效行都要进入S态并发出监听命中指示，但M态行要抢先写回主存；写 监听命中的有效行都要进入I态，但收到RWITM时的M态行要抢先写回主存。总之监控逻辑并不复杂，增添的系统 总线传输开销也不大，但MESI协议却有力地保证了主存块脏拷贝在多cache中的一致性，并能及时写回，保证 cache主存存取的正确性 。
在MESI协议中，每个Cache line有4个状态，可用2个bit表示，它们分别是：
M（Modified）：这行数据有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本Cache中。
E（Exclusive）：这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本Cache中。
S（Shared）：这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据存在于很多Cache中。
一个完整的一致性模型包括高速缓存一致性及存储同一性两个方面，且这两个是互补的：高速缓存一致性定 义了对同一个存储进行的读写操作行为，而存储同一性模型定义了访问所有存储的读写行为。在共享存储空间中， 多个进程对存储的不同单元做并发的读写操作，每个进程都会看到一个这些操作被完成的序。
2022年广州航海学院计算机科学与技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷A(有答案)
2022年广州航海学院计算机科学与技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷A（有答案）一、选择题1、浮点数尾数基值rm=8，尾数数值部分长6位，可表示的规格化最小正尾数为( )A.0.5B.0.25C.0.125D.1/642、在计算机系统的层次结构中，机器被定义为（）的集合体A.能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构B.硬件和微程序（固件）C.软件和固件D.软件和硬件3、“启动I/O”指令是主要的输入输出指令，是属于（）。
A.目态指令B.管态指令C.目态、管态都能用的指令D.编译程序只能用的指令4、对系统程序员不透明的应当是（）A.CACHE 存储器B.系列机各档不同的数据通路宽度C.指令缓冲寄存器D.虚拟存储器5、对汇编语言程序员透明的是（）A.I/O方式中的DMA访问B.浮点数据表示C.访问方式保护D.程序性中断6、下列关于虚拟存贮器的说法，比较正确的应当是( )A.访主存命中率随页面大小增大而提高B.访主存命中率随主存容量增加而提高C.更换替换算法能提高命中率D.在主存命中率低时，改用堆栈型替换算法，并增大主存容量，可提高命中率7、若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则（）。
A.可获得高的吞吐率和效率B.流水线的效率和吞吐率恶化C.出现瓶颈D.可靠性提高8、IBM360/91对指令中断的处理方法是（）A.不精确断点法B.精确断点法C.指令复执法D.对流水线重新调度9、与流水线最大吞吐率高低有关的是( )A.各个子过程的时间B.最快子过程的时间C.最慢子过程的时间D.最后子过程的时间10、计算机系统结构不包括（）A.主存速度B.机器工作状态C.信息保护D.数据表示11、块冲突概率最高的Cache地址映象方式是( )A.段相联B.组相联C.直接D.全相联12、在操作系统机器级，一般用（）程序（）作业控制语句。
A.汇编程序，翻译B.汇编程序，解释C.机器语言，解释D.机器语言，翻译13、非线性流水线是指( )A.一次运算中使用流水线中的多个功能段B.一次运算中要多次使用流水线中的某些功能段C.流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同D.流水线的各个功能段在各种运算中有不同的组合14、在多用户机器上，应用程序员不能使用的指令是（）A.“执行”指令B.“访管”指令C.“启动IO”指令D“测试与置定”指令15、推出系列机的新机器，不能更改的是（）。
多Cache一致性目录协议监听协议
多Cache一致性目录协议监听协议协议名称：多Cache一致性目录协议监听协议1. 引言本协议旨在定义多Cache一致性目录协议（Multi-Cache Coherence Directory Protocol）的监听机制，以确保多个Cache之间的数据一致性。
2. 监听协议概述2.1 监听目的本监听协议的目的是实现多Cache一致性目录协议中的监听机制，以确保Cache之间的数据一致性和正确性。
2.2 监听参与方本监听协议涉及的参与方包括：- Cache节点：存储数据的缓存节点。
- 目录节点：维护数据的一致性目录的节点。
2.3 监听原则本监听协议遵循以下原则：- Cache节点必须监听目录节点的变化，以获取最新的数据状态。
- 目录节点必须监听Cache节点的操作，以维护一致性目录的正确性。
3. 监听协议详述3.1 Cache节点的监听Cache节点必须监听目录节点的变化，以确保数据的一致性和正确性。
具体监听过程如下：- 当目录节点接收到来自其他Cache节点的写请求时，目录节点将更新一致性目录，并向所有Cache节点发送更新通知。
- Cache节点接收到目录节点的更新通知后，将更新本地存储的数据状态，并执行相应的操作，以保持数据一致性。
3.2 目录节点的监听目录节点必须监听Cache节点的操作，以维护一致性目录的正确性。
具体监听过程如下：- 当Cache节点执行写操作时，Cache节点将向目录节点发送写请求。
- 目录节点接收到Cache节点的写请求后，将更新一致性目录，并向所有Cache节点发送更新通知。
4. 监听协议的通信机制4.1 目录节点与Cache节点的通信目录节点与Cache节点之间的通信可以采用以下机制之一：- 基于消息队列：目录节点和Cache节点之间通过消息队列进行通信，目录节点将更新通知和写请求发布到消息队列，Cache节点订阅消息队列以接收更新通知和写请求。
- 基于事件驱动：目录节点和Cache节点之间通过事件驱动机制进行通信，目录节点将更新通知和写请求作为事件触发，Cache节点注册相应的事件处理程序以接收更新通知和写请求。
《计算机系统结构》课程教学大纲
《计算机系统结构》课程教学大纲英文课程名称： Computer Architecture 课程编号：授课语言：中文学分：3课内学时：51 课程性质：专业课先修课程：计算机组成原理考试/考查：考试是否全英/双语课程：否一、课程定位和基本要求1.课程定位本课程是计算机专业和软件工程专业的一门重要专业课。
其目的是提高学生从总体结构、系统分析这一层次来研究和分析计算机系统的能力，帮助学生建立整机的概念；使学生掌握计算机系统结构的概念、原理、结构以及设计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。
2.课程教学目标课程教学目标1：掌握计算机系统结构相关的基本概念和计算机系统的设计方法，掌握定量分析的基本方法以及计算机系统的性能评测技术。
掌握计算机系统结构中并行性的发展。
课程教学目标2：理解指令集结构的分类及指令系统设计中应考虑的各种因素，掌握计算机指令系统的设计方法，掌握指令操作码的优化编码。
课程教学目标3：掌握流水线的基本概念、分类以及性能分析，掌握基本MIPS流水线的实现，掌握流水线中的各种冲突及其解决方法。
课程教学目标4：掌握向量处理机的基本概念、结构和性能评价方法。
课程教学目标5：掌握指令级并行的概念及其硬件开发方法，掌握Tomasulo算法以及动态分支预测技术。
课程教学目标6：掌握指令级并行开发的软件方法，包括基本指令调度、循环展开、全局指令调度（踪迹调度和超块调度）、静态多指令流出、显式并行指令计算；掌握开发循环级并行的方法，如软流水。
课程教学目标7：掌握多级存储层次，掌握Cache的组成及性能分析，掌握改进Cache 性能的方法；课程教学目标8：掌握磁盘冗余阵列RAID以及通道的工作原理和性能分析；课程教学目标9：掌握互连函数、互连网络的参数和性能指标，掌握静态互连网络和动态互连网络。
课程教学目标10：掌握多处理机系统的两种存储结构模型, 掌握实现多Cache一致性的监听法和目录法。
多Cache一致性目录协议监听协议
多Cache一致性目录协议监听协议协议名称：多Cache一致性目录协议监听协议1. 引言本协议旨在定义多Cache一致性目录协议的监听机制，确保在多Cache系统中对共享数据进行访问时的一致性和正确性。
2. 监听协议概述2.1 监听协议的目的监听协议的目的是为了实现多Cache一致性目录协议中的监听功能，确保在多个Cache之间对共享数据的修改和访问进行同步和协调。
2.2 监听协议的参与方本协议涉及的参与方包括：- Cache节点：即多Cache系统中的各个缓存节点，负责存储和处理数据。
- 目录节点：负责维护共享数据的目录信息，记录数据的拥有者和副本位置等信息。
3. 监听协议详述3.1 监听机制3.1.1 监听事件监听协议中定义了以下事件：- 数据修改事件：当某个Cache节点修改了共享数据时，触发该事件。
- 数据访问事件：当某个Cache节点访问了共享数据时，触发该事件。
3.1.2 监听操作监听协议中定义了以下操作：- 数据修改监听操作：当一个Cache节点修改了共享数据时，它需要向目录节点发送数据修改请求，并等待目录节点的响应。
- 数据访问监听操作：当一个Cache节点访问共享数据时，它需要向目录节点发送数据访问请求，并等待目录节点的响应。
3.2 监听协议流程3.2.1 数据修改监听流程以下是数据修改监听的流程：1. Cache节点A修改共享数据。
2. Cache节点A向目录节点发送数据修改请求，包括修改的数据内容和相关信息。
3. 目录节点接收到数据修改请求后，检查目录信息，确定数据的拥有者和副本位置。
4. 目录节点将数据修改请求转发给数据的拥有者和副本位置的Cache节点。
5. 数据的拥有者和副本位置的Cache节点接收到数据修改请求后，对数据进行更新。
6. 数据的拥有者和副本位置的Cache节点向目录节点发送数据修改完成的通知。
7. 目录节点接收到数据修改完成的通知后，向Cache节点A发送修改完成的响应。
系统结构实验二报告 多Cache一致性 —— 目录协议
实验二多Cache一致性——目录协议一、实验目的1、加深对多Cache一致性的理解。
2、进一步掌握解决多Cache一致性的目录协议的基本思想。
3、掌握在各种情况下，目录协议是如何工作的。
能给出要进行什么样的操作以及状态的变化情况。
二、实验内容及步骤2.1、模拟器使用方法简介该模拟器模拟4个CPU（A、B、C、D）访存的工作过程。
每个CPU中都有一个Cache，该Cache包含有4个块，其块地址为0-3。
分布式存储器中有32个块，其块地址为0-31。
每个块状态用色块表示，其中灰色为“无效”状态，淡青色为“共享”状态，橘红色为“独占”。
主存中块的状态由其右边的目录项的颜色来表示，未缓冲状态由黄色来表示，其他两种状态同Cache块。
对于每一个CPU都可以指定所要进行的访问是读还是写（从列表中选），并在输入框中输入所要访问的主存块号，然后用鼠标单击在其右边的标有“↓”的按钮，模拟器就将开始演示该访问的工作过程。
2.2、目录协议基本思想（自己补充）2.3、实验步骤对于以下访问序列，写出目录协议所进行的操作。
实验二多Cache一致性——监听协议一、实验目的1、加深对多Cache一致性的理解。
2、进一步掌握解决多Cache一致性的监听协议的基本思想。
3、掌握在各种情况下，监听协议是如何工作的。
能给出要进行什么样的操作以及状态的变化情况。
二、实验内容及步骤2.1、模拟器简介该模拟器模拟4个CPU（A、B、C、D）访存的工作过程。
每个CPU中都有一个Cache，该Cache包含有4个块，其块地址为0-3。
集中共享存储器中有32个块，其块地址为0-31。
每个块状态用色块表示，其中灰色为“无效”状态，淡青色为“共享”状态，橘红色为“独占”。
对于每一个CPU都可以指定所要进行的访问是读还是写（从列表中选），并在输入框中输入所要访问的主存块号，然后用鼠标单击在其右边的标有“↓”的按钮，模拟器就将开始演示该访问的工作过程。
2022年内江师范学院计算机应用技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷B(有答案)
2022年内江师范学院计算机应用技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷B（有答案）一、选择题1、计算机系统多级层次中，从下层到上层，各级相对顺序正确的应当是（）。
A.汇编语言机器级，操作系统机器级，高级语言机器级B.微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级C.传统机器语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级D.汇编语言机器级，应用语言机器级，高级语言机器级2、与流水线最大吞吐率高低有关的是( )A.各个子过程的时间B.最快子过程的时间C.最慢子过程的时间D.最后子过程的时间3、在尾数下溢处理方法中，平均误差最大的是（）A.截断法B.舍入法C.恒置"1"法D.ROM查表法4、在计算机系统设计中，比较好的方法是( )A.从上向下设计B.从下向上设计C.从两头向中间设计D.从中间开始向上、向下设计5、下列说法正确的是( )A.Cache容量一般不大，命中率不会很高B.Cache芯片速度一般比CPU的速度慢数十倍C.Cache本身速度很快。
但地址变换的速度很慢D.Cache存贮器查映象表和访问物理Cache其间可以流水，使速度与CPU匹配6、下列说法正确的是（）A."一次重叠"是一次解释一条指令B."一次重叠"是同时解释相邻两条指令C.流水方式是同时只能解释两条指令D."一次重叠"是同时可解释很多条指令7、"从中间开始"设计的"中间"目前多数是在( )。
A.传统机器语言级与操作系统机器级之间B.传统机器语言级与微程序机器级之间C.微程序机器级与汇编语言机器级之间D.操作系统机器级与汇编语言机器级之间8、静态流水线是指( )A.只有一种功能的流水线B.功能不能改变的流水线C.同时只能完成一种功能的多功能流水线D.可同时执行多种功能的流水线9、在流水机器中，全局性相关是指( )。
Cache的一致性问题
Cache的⼀致性问题Cache中的内容是主存中的副本。
访问数据是先访问Cache，Cache中没有再看主存中有没有。
当对cache中的内容更新时，就会存在cache和主存如何保持数据⼀致的问题。
此外，下列问题也会导致cache⼀致性问题。
多个设备都允许访问主存时，cache中的内容被cpu修改，⽽主存中的没有，同时该内容需要写⼊磁盘，此时从内存写⼊到磁盘的数据和cache(希望的数据)不⼀样。
当多个CPU都有各⾃的cache⽽共享主存时，若有⼀个cpu修改了⾃⾝cache中的内容，则对应的主存块和其他cpu中对应的cache⾏的内容都变为⽆效（共享数据，数据更改了，未及时更改的那些数据都没⽤了）Cache⼀致性问题的关键是处理好写操作。
全写法对写命中，写未命中的解释：cache的写命中和写未命中，就是磁盘或者内存上的存储区域之前有没有写过数据。
如果有，这次再写到相同的区域叫写命中；如果写到其他区域，叫写未命中。
写操作时，若写命中，则同时写cache和主存；若写不命中，则有以下两种⽅式。
写分配法：先更新主存中的数据，再将更新后的主存块装⼊到cache中。
可重复利⽤程序的局部性原理。
⾮写分配法：仅更新主存中数据不写⼊cache，可减少读⼊主存块的时间，但是没有很好地利⽤程序地局部性原理。
为减少写主存地开⼼，通常再cache和主存之间加⼀个写缓冲，写⼊cache时也写⼊缓冲中，然后由存储控制器将写缓冲中的数据写⼊主存。
（写缓冲的读取速度很快，远远⾼于对主存的读取速度）回写法CPU执⾏写操作时，若写命中，则信息只写⼊cache不写⼊主存；若写不命中，则在cache中分配⼀⾏，将主存块调⼊该cache⾏中并更新相应单元的内容。
该⽅式下，写不命中时通常采⽤写分配法进⾏写操作。
我个⼈理解，写命中就是这个数据在cahce和内存⾥，但是内容不对需要更新。
写未命中就是，这个数据不在内存，也不在cache，需要申请⼀块新的空间存放它。
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实验七多Cache一致性——监听协议
7.1 实验目的
1.加深对多Cache一致性的理解；
2.进一步掌握解决多Cache一致性的监听协议的基本思想；
3.掌握在各种情况下，监听协议是如何工作的。
能给出要进行什么样的操作以及状态的变
化情况。
7.2 实验平台
多Cache一致性监听协议模拟器，
《计算机系统结构实验教程》附书光盘中提供，清华大学出版社。
设计：张晨曦教授（*******************），版权所有。
开发：程志强。
7.3 实验内容及步骤
首先要掌握该模拟器的使用方法。
（见7.4节）
1. 对于以下访问序列，写出监听协议所进行的操作：
4.根据上述结果，画出相关的状态转换图。
C写5号单元
D读5号单元
7.4 监听协议模拟器使用方法
该模拟器模拟4个CPU（A、B、C、D）访存的工作过程。
每个CPU中都有一个Cache，该Cache包含4个块，其块地址为0～3。
集中共享存储器中有32个块，其块地址为0～31。
每个块的状态用色块来表示，其中灰色表示“无效”状态，淡青色表示“共享”，橘红色表示“独占”。
对于每个CPU，可以指定所要进行的访问是读还是写（从列表中选），并在输入框中输入所要访问的主存块号，然后用鼠标点击在其右边的标有↓的按钮，模拟器就将开始演示该访问的工作过程。
该模拟器的主菜单有4个：配置，控制，统计，帮助。
1.配置
该菜单用于进行配置参数的显示与设置。
你可以修改动画播放速度：把游标往右边拖拽可提高播放速度，往左边拖拽可降低播放速度。
你还可以选择是否进行优化传块。
优化传块是指当要访问的块在某个Cache中，且处于独占状态时，可以不用等该块写回主存后再从主存调块，而是可以直接将该块传送给发出访问请求的结点。
本模拟器采用直接映象方法和写回法。
2.控制
可以通过该菜单中的选项来控制模拟器的执行。
该菜单下有以下3个选项：单步执行、连续执行、复位。
（1）单步执行
选用该方式后，点击鼠标或点击左上角的“步进”按钮，都会使模拟器前进一步。
（2）连续执行
选用该方式后，用鼠标点击标有↓的按钮，模拟器会连续演示一次访存的整个过程，直至该访问结束。
（3）复位
使模拟器复位，回到初始状态。
也可以通过点击窗口内左上角的选项和按钮来控制模拟器的执行，其功能与上述菜单选项相同。
3.统计
该菜单用于显示模拟器的统计结果，包括各处理机的访问次数、命中次数、不命中次数以及命中率。
4.帮助
该菜单下有“关于”和“使用说明”两个选项。
实验八多Cache一致性——目录协议
8.1 实验目的
1.加深对多Cache一致性的理解；
2.进一步掌握解决多Cache一致性的目录协议的基本思想；
3.掌握在各种情况下，目录协议是如何工作的。
能给出要进行什么样的操作以及状态的变
化情况。
8.2 实验平台
多Cache一致性目录协议模拟器，
《计算机系统结构实验教程》附书光盘中提供，清华大学出版社。
设计：张晨曦教授（*******************），版权所有。
开发：程志强。
8.3 实验内容及步骤
首先要掌握该模拟器的使用方法。
（见8.4节）
2. 自己编写一个访问序列，写出目录协议所进行的操作：
2.根据上述结果，画出相关的状态转换（仅画出与上表相关的部分）。
图
8.4 目录协议模拟器使用方法
该模拟器模拟4个CPU（A、B、C、D）访存的工作过程。
每个CPU中都有一个Cache，该Cache包含4个块，其块地址为0～3。
分布式存储器中有32个块，其块地址为0～31。
Cache中每个块的状态用色块来表示，其中灰色表示“无效”状态，淡青色表示“共享”，橘红色表示“独占”。
主存中块的状态由其右边的目录项的颜色来表示，未缓冲状态由黄色来表示，其他两种状态同Cache块。
对于每个CPU，可以指定所要进行的访问是读还是写（从列表中选），并在输入框中输入所要访问的主存块号，然后用鼠标点击在其右边的标有↓的按钮，模拟器就将开始演示该访问的工作过程。
该模拟器的主菜单有4个：配置，操作，统计，帮助。
1.配置
该菜单用于进行配置参数的显示与设置。
你可以修改动画播放速度：把游标往右边拖拽可提高播放速度，往左边拖拽可降低播放速度。
你还可以选择是否进行优化传块。
优化传块是指当要访问的块在某个Cache中，且处于独占状态时，可以不用等该块写回主存后再从主存调块，而是可以直接将该块传送给发出访问请求的结点。
本模拟器采用直接映象方法和写回法。
2.操作
可以通过该菜单中的选项来控制模拟器的执行。
该菜单下有以下3个选项：单步执行、连续执行、复位。
（1）单步执行
选用该方式后，敲任意键、点击鼠标或点击左上角的“步进”按钮，都会使模拟器前进一步。
（2）连续执行
选用该方式后，用鼠标点击标有↓的按钮，模拟器会连续演示一次访存的整个过程，直至该访问结束。
（3）复位
使模拟器复位，回到初始状态。
3.统计
该菜单用于显示模拟器的统计结果，包括各处理机的访问次数、命中次数、不命中次数以及命中率。
4.帮助
该菜单下有“关于”和“使用说明”两个选项。