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）、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 目的 存储管理的实现 访问速度的比值 （第一级比第二级） 典型的块（页）大小 CPU对第二级的访问方式 不命中时CPU是否切换

“Cache-主存”层次 为了弥补主存速度的不足 全部由专用硬件实现 几比一 几十个字节 可直接访问 不切换 “主存-辅存”层次 为了弥补主存容量的不足 主要由软件实现 几万比一 几百到几千个字节 均通过第一级 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： 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 ADDI R3, R1, R2 BEQZ 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，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和主存映像，命中率）

答：（1）

Cache 0 1 0 1组 1 0010100000 0组 主存 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 由映像图可见，退出循环前

0组0块 0组1块 1组0块 对应主存区号标识为 001 100 对应主存区号标识为 001 010 对应主存区号标识为 001 010 主存区 号标示 001010 001010 001011 001011 001100

Cache 块号 0 1 0 1 0

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