吉林大学计算机系统结构题目整合第五章

第五章存储层次知识点汇总存储器层次结构、存储层次性能参数（平均每位价格、命中率、平均访存时间）、存储层次4个问题、CPU 访存地址分割、全相联映像、直接映像、组相联映像、查找方法、替换算法（随机、先进先出、最近最少使用法）、写直达法、写回法、按写分配、不按写分配、Cache性能分析、3C失效（强制失效、容量失效、冲突失效）、Victim Cache、伪相联映像Cache、硬件预取、编译器优化（数组合并、内外循环交换、循环融合、分块）、写缓冲合并、单字宽存储器、多字宽存储器、多体交叉存储器、存储体、虚拟存储器（页式、段式）、快表（TLB）简答题1.单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？（知识点：多级存储器）答：主要矛盾：(1) 速度越快，每位价格就越高。

(2) 容量越大，每位价格就越低。

(3) 容量越大，速度越慢。

采取多级存储层次方法来解决。

2.“Cache-主存”和“主存-辅存”层次的主要区别是什么？（知识点：存储层次）3.在存储层次中应解决哪四个问题？（知识点：存储层次的四个问题）答：（1）映像规则：当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上。

（2）查找算法：当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块。

（3）替换算法：当发生失效时，应替换哪一块。

（4）写策略：当进行写访问时，应进行哪些操作。

4.地址映像方法有哪几种？它们各有什么优缺点？（知识点：地址映像）（1）全相联映像。

实现查找的机制复杂，代价高，速度慢。

Cache空间的利用率较高，块冲突概率较低，因而Cache的失效率也低。

（2）直接映像。

实现查找的机制简单，速度快。

Cache空间的利用率较低，块冲突概率较高，因而Cache 的失效率也高。

（3）组相联映像。

组相联是直接映像和全相联的一种折中。

5.Cache的3C失效是哪三种失效？针对每种失效给出一种降低失效率的方法。

（知识点：3C失效）答：强制性失效、容量失效、冲突失效。

6.简述Cache的两种写策略（知识点：写直达、写回）写直达法：执行“写”操作时，不仅写入Cache，而且也写入存储器写回法：执行“写”操作时，只写入Cache，并将对应Dirty Flag位置1。

当任意一个Cache块将要被替换时，若Dirty Flag位为1，则先将该Cache块写回存储器，再进行替换动作；否则不用写回，直接替换。

7.简述Cache写失效的两种处理方法（知识点：按写分配、不按写分配）经过cache法(按写分配)：发生写失效时，先把地址对应的内存块调入Cache，再进行写操作。

绕过cache法(不按写分配)：发生写失效时，不把地址对应的内存块调入Cache，而是绕过cache直接将数据写入存储器选择题1．虚拟存储器中，可采用如下映像规则：（D ）（知识点：映像规则、虚拟存储器）A．直接映像；B．组相联映像；C．全相联映像；D．上述三者均可。

2．衡量一个存储器性能可从( A )方面考虑。

（知识点：存储器层次结构）A．容量、速度、价格B．制造工艺、封装、材料C．容量、速度、功耗D．Cache-主存存储层次、主存-辅存存储层次、辅存-磁带存储层次3．当发生Cache写失效时，是否调入相应的块，有哪两种选择？（D ）（知识点：写直达法、写回法、按写分配、不按写分配）A．按写分配法和写回法B．按写分配法和写直达法C．写回法和写直达法D．按写分配法和不按写分配法4．虚拟存储器主要是为了解决（ A ）。

（知识点：存储器层次结构、虚拟存储器）A．扩大存储系统的容量B．提高存储系统的速度C．扩大存储系统的容量和提高存储系统的速度D．便于程序的访存操作5．与全相联映像相比，组相联映像的优点是（A ）。

（知识点：全相联映像、组相联映像）A．目录表短，实现成本低B．块冲突概率低C．C ache命中率高D．主存利用率高6．Cache 存储器主要是为了解决（ B ）。

（知识点：存储器层次结构）A．扩大存储系统的容量B．提高存储系统的速度C．扩大存储系统的容量和提高存储系统的速度D．便于程序的访存操作7．容量和块大小均相同的Cache，块冲突概率由高到低的顺序是（B ）。

（知识点：全相联映像、直接映像、组相联映像）A．全相联映像、直接映像、组相联映像B．直接映像、组相联映像、全相联映像C．全相联映像、组相联映像、直接映像D．组相联映像、直接映像、全相联映像8．容量和块大小均相同的Cache，主存地址中索引位的位数由少到多的顺序是（C ）。

（知识点：全相联映像、直接映像、组相联映像、CPU访存地址分割）A．全相联映像、直接映像、组相联映像B．组相联映像、直接映像、全相联映像C．全相联映像、组相联映像、直接映像D．直接映像、组相联映像、全相联映像9．以下（B）的值不能从CPU发出的主存地址中直接获得。

（知识点：CPU访存地址分割）A．主存块地址B．主存物理页号C．用于选择Cache块/组的索引D．用于匹配Cache块的标识填空题1.存储层次中的写策略主要有两种，它们是：（写直达）和（写回）。

（知识点：写策略）2.在全相联映像、直接映像和组相联映像中，块冲突最小的是（全相联）。

Cache存储器的地址映像规则一般不能用（全相联），否则，主存Cache的地址映像表太大，查表速度太慢，硬件难以实现。

（知识点：全相联映像、直接映像、组相联映像）3.评价存储层次的主要参数有（存储层次的平均每位价格）、（命中率）和（平均访存时间）。

（知识点：平均每位价格、命中率、平均访存时间）4.Cache存储器采用的组相联映像是指组间是（全相联）映像，组内各块之间是（直接）映像。

（知识点：组相联映像）5.“主存-辅存”层次的目的主要是为了弥补主存的（容量）的不足。

（知识点：存储器层次结构）计算题1.某机器主存为2KB，采用直接映像方式，指令cache容量为32B，每个块为16B。

在该机器上执行如下循环程序：FOO：LD F2, 0(R1)MULTD F4, F2, F0LD F6, 0(R2)ADDD F6, F4, F6SD 0(R2), F6ADDI R1, R1, #8ADDI R2, R2, #8ADDI R3, R1, R2BEQZ R3, FOO每条指令长度均为4B，程序执行前，指令cache的内容为空。

（1）假设该程序加载到内存的00000100000地址上，给出该循环退出前每个cache块所对应的标识。

（2）如果该循环执行循环体10次，则指令cache的命中率为多少？（知识点：Cache和主存映像，命中率）答：Cache块数=32B/16B=2(块)主存块数=2KB/16B=211B/24B=27=128(块)Cache块(1)所以，循环退出前每个Cache块所对应标识如下：(2)块地址流为0，1，2，0，1，2，0……所以，循环体执行10次，未命中次数为3＋9×2=21次，命中率=（90－21）／90×100%=76.67%2.某计算机主存为1KB，采用两路组相联（2-Way）映像，指令Cache容量为32B，每个块为8B。

在该机执行如下循环程序：OK: LD F2，0(R1)MULTD F4，F2，F0LD F6，0(R2)ADDD F6，F4，F6SD 0(R2)，F6ADDI R1，R1，#8ADDI R2，R2，#8SGTI R3，R1，DONEBEQZ R3，OK每条指令长度均为4B，程序执行前指令Cache的内容为空，Cache采用LRU替换算法。

（1）假设该程序加载道0010100000地址上，试给出该循环推出前每个Cache块所对应的主存区号标识，以及其组内块号；（2）如果该循环执行20次，则Cache命中率为多少？（知识点：Cache和主存映像，命中率）答：（1）由映像图可见，退出循环前0组0块 对应主存区号标识为 001 100 0组1块 对应主存区号标识为 001 010 1组0块 对应主存区号标识为 001 010 1组1块对应主存区号标识为 001 011（2）循环20次地址分别为0，1，2，3，4，0，1，2，3，4，0，1，2，……0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 … 0组 0 0 0 0 4 4 4 4 4 4 4 4 … 2 2 2 0 0 2 2 2 0 0 … 1组 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 … 3 3 3 3 3 3 3 3 3 …装入 装入装入装入替换替换命中替换命中命中替换命中…命中率=(9⨯20-5-2⨯19)/(9⨯20)=137/180≈76%0 1 010010100000 主存 Cache I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8I90组1组 001010 001010 001011 001011 0011000 1 0 1 0主存区 号标示 Cache 块号3.假设某台计算机具有如下特性：（1）cache的命中率为95%；（2）cache块大小为4个字，cache失效时整块调入；（3）CPU发出访存请求的速率为1MBps；（4）25%的访存为写访存；（5）CPU每次只能读写一个字；（6）采用写直达cache，写失效时采用不按写分配；（7）主存可支持的最大访问流量为1MBps。

问在此情况下主存频带的平均使用率为多少？（知识点：平均访存时间、写直达）答：分析，CPU每次只能读写1个字，说明数据字宽是1个字，也就是CPU每秒钟访存1M次。

每次访存需要访问内存字数是5%*75%*4+95*25%*1+5%×25%×1CPU读时，（1）命中，此时不访存（2）不命中，整块调入f CPUR=5%×75%×4×1=0.15MBpsCPU写时，（1）命中，写直达，访存f CPUW1=95%×25%×1×1=0.2375MBps（2）不命中，不按写分配，访存f CPUW2=5%×25%×1×1=0.0125MBpsf CPU=f CPUR＋f CPUW1＋f CPUW2=0.4MBps所以，主存频带使用率为f CPU／f MEM Max=0.4MBps／1MBps=0.44.有三个Cache存储器，每个Cache均由4个块组成，每个块只有一个字。

第一个Cache采用全相联映像，第二个Cache采用2-Way组相联映像，第三个Cache采用直接映像。

程序执行过程中访问的块地址分别为：0、8、0、6、8（1）试计算三种结构的未命中次数；（2）可得到什么样的结论？（知识点：全相联映像、直接映像、组相联映像）答：全相联映像缺页次数是：第1、2、4次，共缺失了3次。

2-Way组相联映像，由于0、6、8都映射在组号0，所以相当于一个2块的全相联映像Cache，缺失的次数是第1、2、4、5次，共缺失了4次。