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1、组成第七章答案版本计算机组成第七章考试部分参考答案陈天洲，居立晗(助教)tzchen, lhju 本文档只针对2010级计算机组成章节考试的部分答案，请勿外传一、选择题1）已知虚拟内存地址32bit，物理内存为64MB。内存编址最小单位为字节。段页式虚拟内存管理，每页16KB。一个程序代码段长度45KB。问一共需要 C 个段与 个页。A：2，2 B：1，1 C：1，3 D：以上答案都不对过程：段页式内存管理，是结合了段式与页式存储管理。页的大小是固定的，段的大小等于n个页。n为整数。45/16=3，所以需要1个段，段内3个页。2）一CACHEMEM系统中，命中率为95，MEM访问时间为10ns

2、，CACHE访问时间为1ns。问平均存储访问时间为 C ns。（判断命中时间忽略不计）A：（110）/2 B：105195 C：（101）5195 D：109515过程：访问Cache到：95%1访问cache不中，先访问内存，送数据到cache，然后再由cpu访问cache。所以时间为5%（110）表达式也可以写成11053）对系统程序员不透明的是 D 。A：cache存储器 B：系列机各档不同的数据通道宽度C：指令缓冲寄存器 D：虚拟存储器过程：系统程序员不能对cache、数据通道、指令缓冲进行编程，能够对虚拟内存进行编程。2003年以后出现的处理器可以对cache编程。4）直接映射的ca

3、che主存构成的存储层次，已知是八入口，每块1B，内存变址最小单元为B。初始时cache为空。问以下存储器访问序列：1、5、8、17、1、0、5、2、6、1，失效率是 B 。A：70 B：80C：90 C：60过程： 访问序列Cache内容1miss5miss8Miss17Miss1Miss0Miss5Hit2Miss6Miss1Hit编号0(8)(8)(8)(0)(0)(0)(0)(0)编号1(1)(1)(1)(17)(1)(1)(1)(1)(1)(1)编号2(2)(2)(2)编号3编号4编号5(5)(5)(5)(5)(5)(5)(5)(5)(5)编号6(6)(6)编号75）已知虚拟内存地址

4、32bit，物理内存为64MB。内存变址最小单位为字节。页式虚拟内存管理，每页32KB。问页表大小为 D 。A：128KB B：32KBC：64KB D：以上答案都不对过程：每页32KB，推导出页内偏移15bit虚地址32bit，虚页号需要321517bit，一共有217页，即页表入口217个物理内存64M，实地址26bit，推导出实页号261511bit，但是这个没有用处，因为页表每个入口访问是字对齐，即一个入口需要1W，4B页表大小入口数目每入口大小2174B512KB6）已知一cache是直接映射方式，每块数据为2W，cache入口为1K，则cache容量为 C KB。A：2 B：4 C

5、：8 D：以上答案都不对过程：参见7）7）已知一cache是2路组相联映射方式，每块数据为2W，cache入口为1K，则cache容量为 C KB。A：4 B：8 C：16 D：以上答案都不对过程：每块数据2W即8BCache容量关联度入口块大小21K8B=16KB8）已知内存32位，cache是2路组相联映射方式，数据容量为16KB。每块数据为2W，cache需要有效位、脏数据位各1位，则cache器件需要的总容量（总容量需要包括数据、标记、有效位、脏数据位）为 A bit。A：2路（1位有效位1位脏数据位19位标记位88数据位）1K入口B：2路（1位有效位1位脏数据位21位标记位88数据位

6、）2K入口C：2路（1位有效位1位脏数据位21位标记位）4K入口 D：以上答案都不对过程：数据容量16KB，2路，则每路16KB28KB每块大小2W8B，块内偏移位数3bit入口数目每路大小每块大小8KB8B1K，即入口位数10bit标记位（tag）地址位数块内偏移位数入口位数32-3-1019bitCache总容量关联度入口数目（有效位脏数据位tag位+数据块大小）21K（1位有效位1位脏数据位19位标记位88数据位）注意：cache总容量计算需要以bit为单位，而cache容量表示数据容量，数据容量可以以Byte为单位。9）已知内存32位，cache是4路组相联映射方式，数据容量为32KB

7、。每块数据为2W，则cache的标记位为 A bit。A：19 B：21 C：25 D：以上答案都不对过程：数据容量32KB，4路组相联映射方式，每组8KB每数据块2W8B，块内字节偏移3bit入口数目8KB8B1K，入口位数10bit标记位数内存位数入口位数块内字节偏移321031910）有如下内存访问序列，在一个4入口的直接映射cache下，最终的cache内容是 A 。内存访问序列：1，5，1，6，3A： 163B：1635C：563D：63过程：参考 （选择题4）二、判断题1、内存中的SDRAM是用CACHE制作的。 （F）内存是DRAM做的，Cache是SRAM2、在CACHE系统中

8、，写分配法一般配合写回法使用。 （T）是啊。写分配是写cache失效时，取数据到cache，然后写cache。3、存储器采用单体单字，还是多体交叉并行存取，对系统结构设计是透明的。 （F）体系结构可以看到各个组成器件，显然能够看到存储器4、块大小越大，命中率越高。 （F）容量一定的时候，块大小太大，块数量减少，hit rate也会下降。5、cacheMEM存储层次中，内存的数据不会比cache的数据新。 （F）Cache是mem的子集。但是有特殊情况，一些mem映射到外设，外设输入时直接写mem，而不知道该mem已经被cache了。所以有外设的情况下，mem数据可能是新的，而cache数据可能

9、是脏数据。三、计算设计题类型1：容量计算，给出一些条件，计算容量。1）有一cache存储器，每块4 Word。主存地址32bit，cache有8K个入口，采用4路组相联映射。cache除了tag标记外，还需要1bit的有效位，1bit脏数据位。问cache总容量（包括所有的信息存储）与cache容量（仅仅数据）。答案：4W/Block - 2 bit Word offset for Block1W=4B -2bit Byte offset for word8K入口，Index has 13 bits.Tag has 32-2-2-13=15bits.Total size = index（tag

10、 size + dirty +valid +data size）associate =8K（15+11448）44640K bitTotal data size= indexdata sizeassociate 8K44844Mbit2）已知一计算机虚拟内存地址40bit，物理内存地址36bit，页式虚拟内存管理，每页64Kbyte。问页表大小。Answer:64Kbyte=216byteVirtual page number=240-16=224physical page number236-16=220， 20bit 32bit, use 4Byte=1W store physical p

11、age numberSo page size = 224464MB类型2：已知访问序列，问结果1）某计算机内存字节编址，内存容量64字节，有容量为8字节cache，组织形式2路组相联。Cache替换策略为LRU（最近最少使用）。Cache初始时为空。已知内存访问序列如下：3,5,7,2,4,6,3,11,10,14,4,2,7。问：1、cache的命中率，那几次cache访问是命中的（5分）， 2、画出最后cache组织结构及其存储的数据图。（5分）Memory block Hit or missContents after each referenceSet 0Set 1Set 2Set 3

12、Block 0Block 1Block 2Block 3Block 4Block 5Block6Block 73MissM35MissM5M37MissM5M3M72MissM5M2M3M74MissM4M5M2M3M76MissM4M5M2M6M3M73HitM4M5M2M6M3(Hit)M711MissM4M5M2M6M3M11注意，这里替换掉M7,因为M3最近访问过了10MissM4M5M10M6M3M1114MissM4M5M10M14M3M114HitM4 (Hit)M5M10M14M3M112MissM4M5M2M14M3M117Miss M4M5M2M14M7M11Cache结构

13、详细图为：V为1bit，tag为6（64字节内存，所以内存6位）2（入口4，需要2bit）4bitVTagDataVTagData10001M(4)010001M(5)010000M(2)10011M(14)10001M(7)10010M(11)Set 0 set 1对比下题2）某计算机内存字节编址，内存容量64字节，有容量为8字节cache，组织形式直接映射，块大小为2字节。Cache初始时为空。已知内存访问序列如下：3,5,7,2,4,6,3,11,10,14,4,2,7。问：1、cache的命中率，那几次cache访问是命中的（5分）， 2、画出最后cache组织结构及其存储的数据图。（

14、5分）本题与上题cache结构类似，但是块作为整体进行存取。所以有差别Memory block Hit or missContents after each referenceBlock 0=2BBlock 1=2BBlock 2=2BBlock 3=2B3（000011）MissM2M3注意，最后1bit是块内偏移，内存地址3的入口是01，标注成红色的那个01，同时把内存2（000010）也copy到cache。因为内存2与内存3标注为红色的部分是一样的，前面的tag也是一样的。5（000101）MissM2M3M4M57（000111）MissM2M3M4M5M6M72（000010）Hi

15、tM2（hit）M3M4M5M6M74（000100）HitM2M3M4(hit)M5M6M76（000110）HitM2M3M4M5M6(hit)M73（000011）HitM2M3（Hit）M4M5M6M711（001011）MissM10M11M4M5M6M710（001010）HitM10(Hit)M11M4M5M6M714（001110）MissM10M11M4M5M14M154（000100）HitM10M11M4(hit)M5M14M152（000010）MissM2M3M4M5M14M157（000111）Miss M2M3M4M5M6M7Cache结构详细图为：V为1bit，

16、tag为6（64字节内存，所以内存6位）2（入口4，需要2bit）1（块内偏移）3bitVTagDataData01000M(2)M(3)1000M(4)M(5)1000M(6)M(7)3）某程序包含了5个虚页，页地址访问流为4，5，3，2，5，1，3，2，2，5，1，3。当使用LRU替换，为了获得最高的命中率，至少给该程序分配几个实页，其可能的最高命中率是多少？If there were one physic pages, page faults=11/12If there were two physic pages, page faults=11/12If there were three

17、 physic pages, page faults=10/12If there were four physic pages, page faults=5/12If there were five physic pages, page faults=5/12所以4页即可。命中率7/124)已知一计算机的cache系统，4个入口，每块1字，采用2路组相联。试设计一内存访问序列，使得，替换策略为FIFO的方法比LRU的命中率高。FIFOMemory block Hit or missContents after each referenceSet 0Set 1Block 0Block 1Bloc

18、k 2Block 30MissM08MissM0M80HitM0M86MissM6M88HitM6M8LRUMemory block Hit or missContents after each referenceSet 0Set 1Block 0Block 1Block 2Block 30MissM08MissM0M80HitM0M86MissM0M68MissM8M65）OPT（optimal replacement algorithm）称为最优替换算法，其方法是选择将来最近不被访问的页面作为被替换的页，常常用于虚拟内存的替换策略中。已知一计算机有主存4页，问有以下虚拟页号访问流，问箭头指

19、向的位置，主存辅存的状态，用图表示。1，2，1，5，4， 1，3， 4，2，4，2，3，5，2，8，1，2，3，4Virtual Memory block Hit or missContents after each referenceM0M1M2M31MissV12MissV1V21HitV1V25MissV1V2V54MissV1V2V5V41HitV1V2V5V43MissV3(Because V1 will be visited latest in the reference 1/2/5/4)V2V5V4替换哪个数据好呢？现有1，2，5，4。看后续的序列4，2，4，2，3，5，2，8，

20、1，2，3，4，将来第9个才是出现“1”，将来第2个出现“2”，将来第6个出现“5”，将来第1个出现“4”，显然“1”是将来最晚使用到的，替换“1”6）某计算机内存字节编址，内存容量64字节，有容量为16字节cache，组织形式2路组相联，块大小为2Byte。Cache替换策略为LRU（最近最少使用）。Cache初始时为空。已知程序如下，问hit率Main() char i,j; char a16; for (i=0;i13;i+) ai=j;类型3：问内存各bit含义。1）32位内存地址，512kB的cache构成cache-mem存储层次，cache采用2路组相联映射方式，每块4word。

21、问内存地址的各bit的意义。3102路，所以每路512KB2256KB每块4W，块内字偏移2bit，字内字节偏移2bit（也可以简单的说，块内字节偏移4bit）。每块16字节。所以入口数目256KB16B16K，即14bit所以标记（tag）位32221414bit所以，内存地址的3118这14bit为tag内存地址的174这14bit为index内存地址的32这2bit为块内字偏移内存地址的10这2bit为字内字节偏移其中最后两行也可以写成:内存地址的30这4bit为块内字节偏移2）40位虚拟内存地址，36位物理内存地址，16k字节每页，TLB容量为64k，直接映射方式，每块8word。问虚

22、拟内存地址的各bit的意义。Page offset: 16KB=214KB, so page offset=14 bitsVirtual page number: 40-14=26 bits所以虚拟内存的3914这26bit为Virtual page number，130为page offset注意，没有完，因为还有TLB因为TLB直接映射，容量为64K，每块8W32B，所以TLB入口64KB32B2K，即需要11bitTLB每1W可以记录一个物理页号，所以1块8W可以记录8个物理页号，块内物理页偏移编号需要3bit。所以TLB的标记（tag）位虚页号bit数入口块内物理页偏移编号261131

23、2所以虚地址的3928这12bit为TLB的标记位虚地址的2717这11bit为TLB的入口虚地址的1614这3bit为TLB的块内物理页偏移编号总体上，虚地址的3914这26bit为虚页号虚地址的130这14bit为页内偏移。装入位 实页号1 31 10 20 31 20 11 00 03）某虚拟存储器共8个页面，每页1024个字，实际主存为4096字，已知页表如右：a） 列出会产生页面失效的全部虚页号b） 按以下虚地址访问字地址：17,3078，计算对应的主存地址。2,3,4,5 结题过程：1、未说几个辅存，没有关系。2、虚地址字编码，虚地址17就是0号虚页，17偏移。（170102417

24、）看表格中第0行标记为红色部分，由于装入位为1，表示在物理内存中，对应的实页号为3，所以虚地址5表示的是3号实页，5偏移（偏移不变）。物理地址就是31024173089。3、虚地址3078310245，即3号虚页，偏移5，查表紫色为第三行，装入位为0，表示不在物理内存，所以主存地址不存在，页失效。（另外一个也可以正确的答案是：该内存在辅存中，查表知道对应的实页号为3，则辅存地址为3102453078）类型4：计算存储速度1）已知一计算机，理想状态下CPI为1.2。由于cache有miss，导致性能有所下降。已知指令cache命中率为99.9，数据cache命中率96%。cache访问可以在1cc完成，内存访问需要10cc。已知指令中有40%是内存访问型指令。问实际该计算机的CPI？ 若该计算机内存采用虚拟内存方式管理，已知内存访问中物理内存命中率为99.9999%，且使用快表进行加速。硬盘访问时间是内存的106倍。已知快表命中率为98，问实际计算机的CPI。Question 1:CPU time=(CPU execution clock cycles+ Memory-stall clock cycles)clock cycle t