计算机体系结构(3)

量就可以提高命中率。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

十七

在计算机系统中设置虚拟存储器和Cache的主要目的各是什么？试举出这两种存储系统在具体实现时至少4个方面的差别，并说明主要理由。 答：

区别方面 目的 实现方法 两级存储器速度比 页或块的大小 等效容量

Cache存储系统 提高主存速度 全部硬件 3~10 1~16W 主存

虚拟存储系统 扩大主存容量 软件为主、硬件为辅

10 1KB~16KB 虚拟存储器

5

字地址 12 40 260 280 180 800 500 560 600 1100 1200 1000

字节地址

48 160 1040 1120 720 3200 2000 2240 2400 4400 4800 4000 命中率

1K页面 页面流 1 1 2 2 1 1 2 2 2 1 1 2 50%

L H L H H R H R H R H R

.5K页面 页面流 1 1 2 2 3 4 1 2 2 3 4 1 25%

L H L H L L R R H R R R

2K页面 页面流 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 50%

L H H H H R R R H R H R

4K内存 页面流 1 1 2 2 1 3 2 4 4 1 1 3

L H L H H L H L H R H H

58.3%

理由 硬件速度高 硬盘访问时间长 Cache成本大 命中率高

透明性 不命中时的处理

对系统和应用程序员

等待主存

只对应用程序员

任务切换

VM由软件实现 OS多任务、硬盘慢

十八

试比较下列5种Cache的主要优缺点： 第一种：直接映像方式的Cache 第二种：全相联映像方式的Cache 第三种：组相联映像方式的Cache

第四种：位选择组相联映像方式的Cache 第五种：段相联映像方式的Cache 并回答下列问题：

根据硬件的复杂性和实现所需要的成本排出5种Cache的次序，并说明理由。 根据块替换算法实现的灵活性排出5种Cache的次序，并说明理由。 解释各种Cache的块映像方式对命中率的影响。

在采用相联映像方式的Cache种，说明块大小、组数、Cache容量、块替换算法等对Cache性能的影响。 答：

根据实现所需的硬件复杂性和成本的排序：（从低到高） 直接映像方式 ，无需相联比较电路，按地址访问。

段相联映像方式 ，需要相联比较的部分最少，因为段的容量最大。

位选择组相联映像方式，组之间相联比较，组内直接映像，映像关系比组相联方式简单。 组相联映像方式，部分需要相联比较电路。

全相联映像方式，全部需要相联比较电路，按内容访问。

实现替换算法灵活性的排序：（从低到高） 直接映像方式,没有灵活性。

段相联映像方式，如果发生段失效，整个段内的数据都将作废，但段的容量很大。 位选择组相联映像方式，主存中的组和Cache中的组是多个块到一个块的映像。 组相联映像方式，主存中的组和Cache中的组是多个块到多个块的映像。 全相联映像方式，可以在任意位址映像，实现起来最灵活。

Cache命中率与容量的关系：

Cache的命中率随它的容量的增加而提高。 关系曲线可以近似地表示为H＝1－S－0.5。 Cache命中率与块大小的关系：

在组相联映象方式中，块的大小对命中率的影响非常敏感 块很小时，命中率很低。

随着块大小的增加，由于程序的局部性，命中率增加。 当块非常大时，进入Cache中的许多数据可能用不上。 当块大小等于Cache的容量时，命中率将趋近于零。 Cache命中率与组数的关系：

在组相联映象中，分组的数目对命中率的影响很明显。 随着组数的增加，Cache的命中率要降低。

当组数不太大时(512组以下)，命中率的降低相当少，

当组数超过一定数量时，命中率的下降非常快。 Cache命中率与替换算法的关系： 替换算法按照优先顺序：OPT、LFU、FIFO。

十九

假设在一个采用组相联映像方式的Cache中，主存由B0~B7共8块组成，Cache有2组，每组2块，每块的大小为16个字节，采用LFU块替换算法。在一个程序执行过程中依次访问这个Cache的块地址流如下：

B6, B2, B4, B1, B4, B6, B3, B0, B4, B5, B7, B3 写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。 写出Cache地址的格式，并标出各字段的长度。

画出主存与C写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。 写出Cache地址的格式，并标出各字段的长度。

画出主存与Cache之间各个块的映像对应关系。

如果Cache的各个块号为：C0、C1、C2和C3,列出程序执行过程

如果采用FIFO替换算法，计算Cache的块命中率。 采用LFU替换算法，计算Cache的命中率。

如果改为全相联映像方式，再做5.6可以得到什么结论？

如果在程序执行过程当中，每从主存装入一块到Cache，则平均要对这个块访问16次。计算Cache的命中率。 答：

主存地址格式：

1

区号 Cache地址格式: 1

组号

1 2 1 2 1 2

1 2 1 2 1 2 1 组号 1 块号 4 块内偏移 1 块号 4 块内偏移

时间t 块地址流 组相联 先进先出算法 （FIFO算法） 组相联 最久没有使用算法 （LFU算法） 全相联 先进先出算法 （FIFO算法） 全相联 最久没有使用算法 （LFU算法） B6 B6 B6 B2 B6 B6 B6 B2 1 B6 2 B4 B4 3 B2 B4 4 B1 B4 B1 B2 5 B4 B4 B1 B2 6 B6 B1 B2 7 B3 8 B0 9 B4 10 B5 B4 B3 11 B7 B5 B4 B3 12 命中次数及B3 B5 B4 B7 B3 命中率 3次 25% 3次 25% 3次 33% 3次 25% B4* B4* B0 B6 B3 B6 B3 B0* B5 B6 B3 B1 B1* B4 B6* B6* B6 B6* B7 调入 调入 调入 调入 命中 命中 替换 替换 替换 替换 替换 命中 B4 B4 B4 B1 B2 B4 B1 B2 B4 B1 B6 B2 B4 B1 B0 B1 B0 B4 B3 B2 B5 B4 B3 B2 B5 B4 B3 B7 B5 B4 B3 B7 B6* B6 B3 B3 B2 B2 调入 调入 调入 调入 命中 命中 替换 替换 替换 替换 替换 命中 B6 B6 B2 B6 B2 B4 B6 B2 B4 B1 B6 B2 B4 B1 B6 B2 B4 B1 B3 B2 B4 B1 B3 B0 B4 B1 B3 B0 B4 B1 B3 B0 B5 B1 B3 B0 B5 B7 B3 B0 B5 B7 调入 调入 调入 调入 命中 命中 替换 替换 命中 替换 替换 命中 B6 B6 B2 B6 B2 B4 B6 B2 B4 B1 B6 B2 B4 B1 B6 B2 B4 B1 B6 B3 B4 B1 B6 B3 B4 B0 B6 B3 B4 B0 B5 B3 B4 B0 B5 B7 B4 B0 B5 B7 B4 B3 调入 调入 调入 调入 命中 命中 替换 替换 命中 替换 替换 替换 两种块替换算法对同一个块地址流的调度过程

H'=1-(1-H)/n=95.3%

二十

在一个采用组相联映像方式的Cache中，Cache的容量为16KB。主存采用模8低位交叉方式访问，每个存储体的字长为32位，总容量为8MB。要求Cache的每一块在一个主存周期中分别从8个存储体中取得，Cache的每一组内共有4个块。要求采用按地址访问方式构成相联目录表，实现主存地址到Cache地址的变换并采用8个相等比较电路。 设计主存地址格式，并标出各字段的长度。 设计Cache地址格式，并标出各字段的长度。

相联目录表的行数是多少？

设计相联目录表每一行的格式，并标出每一个字段的长度。

每个比较电路的位数是多少？

画出主存地址经过相联目录表变换为Cache地址的逻辑示意图。 答：

主存地址格式：

9 9 2 3

区号 组号 块号 块内偏移 Cache地址格式： 9 2

组号 块号 3 块内偏移 组号9位,8个相等比较电路==>相联目录表应有64行。 相联目录表格式：

11 2 1 8 11 主存区号组内块号 缓存块号 标志 比较电路地位数是11位。 区号E 区内组号G 组号g Cache地址 b 组内块号B 组内块号b ≠ ?? ?? ?? ?? 或 相等比较 ＝ E, B ? 主存区号组内块号 2 缓存块号 1 标志 块内地址W 块内地址w 主存地址 ≠ 二十一

块失效 与 相等比较 ＝ E, B b ≠ 相等比较 ＝ e E, B b e 块表(按地址访问,读出的多个字段进行相联比较,e为有效位)

一个采用位选择组相联映像方式的Cache，要求Cache的每一块在一个主存周期内取得。主

存采用4个存储体的低位交叉访问，每个存储体的字长为4个字节，总容量为1MB。Cache的容量位1KB,每一组内由4个块。采用按地址访问的存储器构成相联目录表，实现主存地址到Cache地址的变换，采用4个相等比较电路。 设计主存地址格式，并标出各字段的长度。 设计Cache地址格式，并标出各字段的长度。 设计相联目录表每一行的格式、行数。

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