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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） 存储层次比较项目“Cache-主存”层次“主存-辅存”层次目的为了弥补主存速度的不足为了弥补主存容量的不足存储管理的实现全部由专用硬件实现主要由软件实现访问速度的比值（第一级比第二级）几比一几万比一典型的块（页）大小几十个字节几百到几千个字节CPU对第二级的访问方式可直接访问均通过第一级不命中时CPU是否切换不切换切换到其他进程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 Cache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：LDF2, 0(R1)MULTD F4, F2, F0LDF6, 0(R2)ADDDF6, F4, F6SD0(R2), F6ADDIR1, R1, #8ADDIR2, R2, #8ADDIR3, R1, R2BEQZR3, 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392=21次，命中率=（9021）90100%=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:LDF2，0(R1)MULTDF4，F2，F0LDF6，0(R2)ADDDF6，F4，F6SD0(R2)，F6ADDIR1，R1，#8ADDIR2，R2，#8SGTIR3，R1，DONEBEQZR3，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）01010010100000主存CacheI1I2I3I4I5I6I7I8I90组1组00101000101000101100101100110001010主存区号标示Cache块号由映像图可见，退出循环前0组0块对应主存区号标识为 001 1000组1块对应主存区号标识为 001 0101组0块对应主存区号标识为 001 0101组1块对应主存区号标识为 001 011（2）循环20次地址分别为0，1，2，3，4，0，1，2，3，4，0，1，2，0123401234010组00004444444422200222001组11111111111333333333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=(920-5-219)/(920)=137/18076%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 fCPUR=5%75%41=0.15MBpsCPU写时，（1）命中，写直达，访存 fCPUW1=95%25%11=0.2375MBps （2）不命中，不按写分配，访存 fCPUW2=5%25%11=0.0125MBpsfCPU=fCPURfCPUW1fCPUW2=0.4MBps所以，主存频带使用率为fCPUfMEM Max=0.4MBps1MBps=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。对于直接映像来说，0、6、8对应映射到第0、2、0块，那么缺失的次数是第1、2、3、4、5次，共缺失了5次。5. 给定以下的假设: （1） 理想Cache情况下的CPI为2.0，时钟周期为2ns，平均每条指令访存1.1次；（2） 直接映像和两路组相联映像Cache容量均为128KB，块大小都是32字节；（3） 组相联映像Cache中的多路选择器使CPU的时钟周期增加了10；（4） 这两种Cache的失效开销都是80ns；（5） 命中时间为1个时钟周期；（6） 128KB直接映像Cache的失效率为0.010，128KB两路组相联映像Cache的失效率为 0.007。试计算直接映像Cache和两路组相联映像Cache的平均访问时间以及CPU的性能。由计算结果能得出什么结论？（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能）答：平均访问时间命中时间失效率失效开销平均访问时间1-路=2.0+0.010*80=2.8ns平均访问时间2-路=2.0*(1+10%)+0.007*80=2.76ns两路组相联的平均访问时间比较低CPUtime=（CPU执行+存储等待周期）*时钟周期CPU time=IC（CPI执行+总失效次数/指令总数*失效开销） *时钟周期=IC（CPI执行*时钟周期）+（每条指令的访存次数*失效率*失效开销*时钟周期）CPU time 1-way=IC(2.0*2+1.1*0.010*80)4.88ICCPU time 2-way=IC(2.2*2+1.1*0.007*80)5.016IC相对性能比：5.016/4.88=1.0286. 给定以下的假设， （1） 理想Cache情况下的CPI为2.0，时钟周期为2ns，平均每条指令访存1.5次；（2） 两种Cache容量均为64KB；（3） 这两种Cache的失效开销都是80ns；（4） 命中时间为1个时钟周期；（5） 64KB直接映象Cache的失效率为1.4，64KB两路组相联Cache的失效率为1.0。（6） 组相联Cache中的多路选择器使CPU的时钟周期增加了10；问：（1）试比较直接映象Cache和两路组相联Cache的平均访问时间。(5分)（2）试比较直接映象Cache和两路组相联Cache的CPU时间。(5分)（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能）答：平均访问时间命中时间失效率失效开销平均访问时间1-路=2.0+1.4% *80=3.12ns平均访问时间2-路=2.0*(1+10%)+1.0% *80=3.0ns两路组相联的平均访问时间比较低CPUtime=（CPU执行+存储等待周期）*时钟周期CPU time=IC（CPI执行+总失效次数/指令总数*失效开销） *时钟周期=IC（CPI执行*时钟周期）+（每条指令的访存次数*失效率*失效开销*时钟周期）CPU time 1-way=IC(2.0*2+1.5*0.014*80)5.68ICCPU time 2-way=IC(2.2*2+1.5*0.01*80)5.60IC7. 假设对指令Cache的访问占全部访问的75%；而对数据Cache的访问占全部访问的25%。Cache的命中时间为1个时钟周期，失效开销为50 个时钟周期，在混合Cache中一次load或store操作访问Cache的命中时间都要增加一个时钟周期，64KB的指令Cache的失效率为0.15%，64KB的数据Cache的失效率为3.77%，128KB的混合Cache的失效率为0.95%。又假设采用写直达策略，且有一个写缓冲器，并且忽略写缓冲器引起的等待。试问指令Cache和数据Cache容量均为64KB的分离Cache和容量为128KB的混合Cache相比，哪种Cache的失效率更低？两种情况下平均访存时间各是多少？ （知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能）答：（1）根据题意，约75%的访存为取指令。因此，分离Cache的总体失效率为：（75%0.15%）（25%3.77%）1.055%； 容量为128KB的混合Cache的失效率略低一些，只有0.95%。 （2）平均访存时间公式可以分为指令访问和数据访问两部分： 平均访存时间指令所占的百分比（读命中时间读失效率失效开销） 数据所占的百分比（数据命中时间数据失效率失效开销） 所以，两种结构的平均访存时间分别为： 分离Cache的平均访存时间75%（10.15%50）25%（13.77%50）（75%1.075）（25%2.885）1.5275 混合Cache的平均访存时间75%（10.95%50）25%（110.95%50）（75%1.475）（25%2.475）1.725因此，尽管分离Cache的实际失效率比混合Cache的高，但其平均访存时间反而较低。分离Cache提供了两个端口，消除了结构相关。8. 假设一台计算机具有以下特性： （1） 95的访存在Cache中命中；（2） 块大小为两个字，且失效时整个块被调入；（3） CPU发出访存请求的速率为109字/s；（4） 25的访存为写访问；（5） 存储器的最大流量为109字/s（包括读和写）；（6） 主存每次只能读或写一个字；（7） 在任何时候，Cache中有30的块被修改过；（8） 写失效时，Cache采用按写分配法。现欲给该计算机增添一台外设，为此首先想知道主存的频带已用了多少。试对于以下两种情况计算主存频带的平均使用比例。（1） 写直达Cache；（2） 写回法Cache。（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能）答：采用按写分配（1）写直达cache访问命中，有两种情况：读命中，不访问主存；写命中，更新cache和主存，访问主存一次。访问失效，有两种情况：读失效，将主存中的块调入cache中，访问主存两次；写失效，将要写的块调入cache，访问主存两次，再将修改的数据写入cache和主存，访问主存一次，共三次。上述分析如下表所示。访问命中访问类型频率访存次数Y读95%*75%=71.3%0Y写95%*25%=23.8%1N读5%*75%=3.8%2N写5%*25%=1.3%3一次访存请求最后真正的平均访存次数=(71.3%*0)+(23.8%*1)+(3.8%*2)+(1.3%*3)0.35已用带宽=0.35109/10 9 =35.0%（2）写回法cache访问命中,有两种情况：读命中，不访问主存；写命中，不访问主存。采用写回法，只有当修改的cache块被换出时，才写入主存；访问失效,有一个块将被换出，这也有两种情况：如果被替换的块没有修改过，将主存中的块调入cache块中，访问主存两次；如果被替换的块修改过，则首先将修改的块写入主存，需要访问主存两次；然后将主存中的块调入cache块中，需要访问主存两次，共四次访问主存。访问命中块为脏频率访存次数YN95%*70%=66.5%0YY95%*30%=28.5%0NN5%*70%=3.5%2NY5%*30%=1.5%4所以：一次访存请求最后真正的平均访存次数=66.5*028.5%*0+3.5%*2+1.5%*4=0.13已用带宽0.1310 9/10 913%9. 假设当按直接映象位置没有发现匹配，而在另一个位置才找到数据（伪命中）时，需要2个额外的周期，而且不交换两个Cache中的数据。Cache参数如下： （1） 容量128KB。（2） 直接映象情况下命中时间为1个时钟周期，失效开销为50个时钟周期。（3） 直接映象失效率为0.010，两路组相联失效率为0.007。问：伪相联映象这种组织结构，平均访存时间是多少？ 答： 首先考虑标准的平均访存时间公式： 平均访存时间伪相联 命中时间伪相联失效率伪相联失效开销伪相联不管我们对命中的情况做了何种改进，失效开销总是相同的。为了确定失效率，需要知道什么时候会发生失效。只要我们总是通过把索引的最高位变反的方法来寻找另一块，在同一“伪相联”组中的两块就是用同一个索引选择得到的，这与在两路组相联 Cache 中所用的方法是一样的，因而它们的失效率相同，即：失效率伪相联失效率2路再看命中时间。伪相联 Cache 的命中时间等于直接映象 Cache 的命中时间加上在伪相联查找过程中命中（即伪命中）的百分比乘以该命中所需的额外时间开销，即： 命中时间伪相联命中时间1路伪命中率伪相联2伪相联查找的命中率等于2路组相联Cache的命中率和直接映象Cache命中率之差。 伪命中率伪相联 命中率2路命中率1路 （1失效率2路）（1失效率1路） 失效率1路失效率2路平均访存时间伪相联命中时间1路（失效率1路失效率2路）2 失效率2路失效开销1路平均访存时间伪相联，128 KB1（0.0100.007）2（0.00750）1.356（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能、伪相联）10. 在伪相联中，给定如下假设：（1） 若在直接映象位置没有发现匹配，而在另一个位置才找到数据（伪命中）时，不对这两个位置的数据进行交换。这时只需要1个额外的周期；（2） 失效开销为50个时钟周期；（3） 128KB直接映象Cache的失效率为1.0%，2路组相联的失效率为0.7%。 计算伪相联的平均访存时间。答：不管作了何种改进，失效开销相同。不管是否交换内容，在同一“伪相联”组中的两块都是用同一个索引得到的，因此失效率相同，即：失效率伪相联失效率2路。伪相联cache的命中时间等于直接映象cache的命中时间加上伪相联查找过程中的命中时间*该命中所需的额外开销。命中时间伪相联命中时间1路伪命中率伪相联1交换或不交换内容，伪相联的命中率都是由于在第一次失效时，将地址取反，再在第二次查找带来的。因此 伪命中率伪相联命中率2路命中率1路（1失效率2路）（1失效率1路）失效率1路失效率2路。交换内容需要增加伪相联的额外开销。平均访存时间伪相联命中时间1路（失效率1路失效率2路）1失效率2路失效开销1路将题设中的数据带入计算，得到：平均访存时间128Kb=1+(0.010-0.007)*1+(0.007 *50 ) =1.353（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能、伪相联）11. 设cache共有8块，每块大小为4B,主存共有64块，请给出直接映像、2路组相联映像、4路组相联映像和全相联映像时的访存地址格式：标识索引块内位移的具体形式并给出分析过程。答： 3 3 2标 识索 引块内位移直接映像： 4 2 2标 识索 引块内位移2路组相联映像： 5 1 2标 识索 引块内位移4路组相联映像： 6 2索 引块内位移 全相联映像： （知识点：CPU访存地址分割、全相联映像、直接映像、组相联映像）
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