吉林大学 计算机系统结构题库 第五章.docx
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吉林大学计算机系统结构题库第五章
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）、VictimCache、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就是什么？
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”与“主存-辅存”层次的主要区别就是什么？
（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就是否切换
不切换
切换到其她进程
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。
组相联就是直接映像与全相联的一种折中。
5.Cache的3C失效就是哪三种失效？
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DirtyFlag位置1。
当任意一个Cache块将要被替换时,若DirtyFlag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,而就是绕过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,就是否调入相应的块,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.按写分配法与写回法
B.按写分配法与写直达法
C.写回法与写直达法
D.按写分配法与不按写分配法
4．虚拟存储器主要就是为了解决（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与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,组相联映像的优点就是（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存储器主要就是为了解决（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与提高存储系统的速度
D．便于程序的访存操作
7．容量与块大小均相同的Cache,块冲突概率由高到低的顺序就是（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．容量与块大小均相同的Cache,主存地址中索引位的位数由少到多的顺序就是（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,它们就是:
（写直达）与（写回）。
（知识点:
写策略）
2.在全相联映像、直接映像与组相联映像中,块冲突最小的就是（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）与（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就是指组间就是（全相联）映像,组内各块之间就是（直接）映像。
（知识点:
组相联映像）
5.“主存-辅存”层次的目的主要就是为了弥补主存的（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）
MULTDF4,F2,F0
LDF6,0（R2）
ADDDF6,F4,F6
SD0（R2）,F6
ADDIR1,R1,#8
ADDIR2,R2,#8
ADDIR3,R1,R2
BEQZR3,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与主存映像,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,F0
LD
F6,0（R2）
ADDD
F6,F4,F6
SD
0（R2）,F6
ADDI
R1,R1,#8
ADDI
R2,R2,#8
SGTI
R3,R1,DONE
BEQZ
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与主存映像,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001100
0组1块
对应主存区号标识为001010
1组0块
对应主存区号标识为001010
1组1块
对应主存区号标识为001011
（2）循环20次地址分别为0,1,2,3,4,0,1,2,3,4,0,1,2,……
1
…
0组
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%
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,说明数据字宽就是1个字,也就就是CPU每秒钟访存1M次。
每次访存需要访问内存字数就是5%*75%*4+95*25%*1+5%×25%×1
CPU读时,
（1）命中,此时不访存
（2）不命中,整块调入
fCPUR=5%×75%×4×1=0、15MBps
CPU写时,
（1）命中,写直达,访存
fCPUW1=95%×25%×1×1=0、2375MBps
（2）不命中,不按写分配,访存
fCPUW2=5%×25%×1×1=0、0125MBps
fCPU=fCPUR＋fCPUW1＋fCPUW2=0、4MBps
所以,主存频带使用率为fCPU／fMEMMax=0、4MBps／1MBps=0、4
4.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就是:
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,缺失的次数就是第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,那么缺失的次数就是第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）直接映像与两路组相联映像Cache容量均为128KB,块大小都就是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的失效开销都就是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与两路组相联映像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
CPUtime=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））
CPUtime1-way=IC（2、0*2+1、1*0、010*80）＝4、88IC
CPUtime2-way=IC（2、2*2+1、1*0、007*80）＝5、016IC
相对性能比:
5、016/4、88=1、028
6.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的失效开销都就是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与两路组相联Cache的平均访问时间。
（5分）
（2）试比较直接映象Cache与两路组相联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
CPUtime=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））
CPUtime1-way=IC（2、0*2+1、5*0、014*80）＝5、68IC
CPUtime2-way=IC（2、2*2+1、5*0、01*80）＝5、60IC
7.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与数据Cache容量均为64KB的分离Cache与容量为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就是多少？
（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与数据访问两部分:
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%×（1＋0、15%×50）＋25%×（1＋3、77%×50）
＝（75%×1、075）＋（25%×2、885）＝1、5275
混合Cache的平均访存时间＝75%×（1＋0、95%×50）＋25%×（1＋1＋0、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（包括读与写）;
（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与主存,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与主存,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%
0
Y
写
95%*25%=23、8%
1
N
读
5%*75%=3、8%
2
N
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、35×109/109=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
Y
N
95%*70%=66、5%
0
Y
Y
95%*30%=28、5%
0
N
N
5%*70%=3、5%
2
N
Y
5%*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％*0＋28、5%*0+3、5%*2+1、5%*4=0、13
已用带宽＝0、13×109/109＝13%
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,平均访存时间就是多少？
答:
①
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,失效开销总就是相同的。
为了确定失效率,需要知道什么时候会发生失效。
只要我们总就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中所用的方法就是一样的,因而它们的失效率相同,即:
失效率伪相联＝失效率2路
②
再瞧命中时间。
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的命中率与直接映象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
③
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,128KB＝1＋（0、010－0、007）×2＋（0、007×50）＝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。
不管就是否交换内容,在同一“伪相联”组中的两块都就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,伪相联的命中率都就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路组相联映像与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:
332
标识
索引
块内位移
直接映像:
422
标识
索引
块内位移
2路组相联映像:
512
标识
索引
块内位移
4路组相
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