内容发布更新时间 : 2025/5/12 12:35:43星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
相联度：在组相联中，每组Cache中的块数。
Victim Cache：位于Cache和存储器之间的又一级Cache，容量小，采用全相联策略。用于存放由于失效而被丢弃（替换）的那些块。每当失效发生时，在访问下一级存储器之前，先检查Victim Cache中是否含有所需块。
故障性预取：在预取时，若出现虚地址故障或违反保护权限，就会发生异常。
非故障性预取：在预取时，若出现虚地址故障或违反保护权限，不发生异常。
非阻塞Cache：Cache在等待预取数据返回时，还能继续提供指令和数据。
尽早重启动：在请求字没有到达时，CPU处于等待状态。一旦请求字到达，就立即发送给CPU，让等待的CPU尽早重启动，继续执行。
请求字优先：调块时，首先向存储器请求CPU所要的请求字。请求字一旦到达，就立即送往CPU，让CPU继续执行，同时从存储器调入该块的其余部分。
虚拟Cache：地址使用虚地址的Cache。
多体交叉存储器：具有多个存储体，各体之间按字交叉的存储技术。
存储体冲突：多个请求要访问同一个体。
TLB：一个专用高速存储器，用于存放近期经常使用的页表项，其内容是页表部分内容的一个副本。
5.2 简述“Cache—主存”层次与“主存—辅存”层次的区别。 答：
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 切换到其它进程
5.3 地址映象方法有哪几种？它们各有什么优缺点？
答：(1) 全相联映象。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）直接映象。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）组相联映象。组相联是直接映象和全相联的一种折衷。
5.4 降低Cache失效率有哪几种方法？简述其基本思想。 答：常用的降低Cache失效率的方法有下面几种： （1） 增加Cache块大小。增加块大小利用了程序的空间局部性。 （2） 增加Cache的容量。 （3） 提高相联度，降低冲突失效。 （4） 伪相联Cache，降低冲突失效。当对伪相联Cache进行访问时，首先是按与直接映象相同的方式进行访问。
26
如果命中，则从相应的块中取出所访问的数据，送给CPU，访问结束。如果不命中，就将索引字段的最高位取反，然后按照新索引去寻找“伪相联组”中的对应块。如果这一块的标识匹配，则称发生了“伪命中”。否则，就访问下一级存储器。
（5） 硬件预取技术。在处理器提出访问请求前预取指令和数据。 （6） 由编译器控制的预取，硬件预取的替代方法，在编译时加入预取的指令，在数据被用到之前发出预取请求。 （7） 编译器优化，通过对软件的优化来降低失效率。 （8） “牺牲”Cache。在Cache和其下一级存储器的数据通路之间增设一个全相联的小Cache，存放因冲突而被替换出去的那些块。每当发生不命中时，在访问下一级存储器之前，先检查“牺牲”Cache中是否含有所需的块。如果有，就将该块与Cache中某个块做交换，把所需的块从“牺牲”Cache 调入Cache。
5.5 简述减小Cache失效开销的几种方法。
答：让读失效优先于写、写缓冲合并、请求字处理技术、非阻塞Cache或非锁定Cache技术、采用二级Cache。
5.6 通过编译器对程序优化来改进Cache性能的方法有哪几种？简述其基本思想。 答：（1）数组合并。通过提高空间局部性来减少失效次数。有些程序同时用相同的索引来访问若干个数组的同一维，这些访问可能会相互干扰，导致冲突失效，可以将这些相互独立的数组合并成一个复合数组，使得一个Cache块中能包含全部所需元素。（2）内外循环交换。循环嵌套时，程序没有按数据在存储器中的顺序访问。只要简单地交换内外循环，就能使程序按数据在存储器中的存储顺序进行访问。（3）循环融合。有些程序含有几部分独立的程序段，它们用相同的循环访问同样的数组，对相同的数据作不同的运算。通过将它们融合成一个单一循环，能使读入Cache的数据被替换出去之前得到反复的使用。（4）分块。通过改进时间局部性来减少失效。分块不是对数组的整行或整列进行访问，而是对子矩阵或块进行操作。
5.7 在“Cache—主存”层次中，主存的更新算法有哪两种？它们各有什么特点？ 答：（1）写直达法。易于实现，而且下一级存储器中的数据总是最新的。 （2）写回法。速度快，“写”操作能以Cache存储器的速度进行。而且对于同一单元的多个写最后只需一次写回下一级存储器，有些“写”只到达Cache，不到达主存，因而所使用的存储器频带较低。
5.8 组相联Cache的失效率比相同容量直接映象Cache的失效率低。由此能否得出结论：采用组相联一定能带来性能上的提高？为什么？
答：不一定。因为组相联命中率的提高是以增加命中时间为代价的，组相联需要增加多路选择开关。
5.9 写出三级Cache的平均访问时间的公式。
解：平均访存时间 ＝ 命中时间＋失效率×失效开销 只有第I层失效时才会访问第I＋1。
设三级Cache的命中率分别为HL1、 Hl2、 HL3，失效率分别为Ml1、Ml2、ML3，第三级Cache的失效开销为PL3。
平均访问时间TA ＝HL1＋Ml1{Hl2＋Ml2(HL3＋ML3×PL3)}
5.10 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，32KB的指令Cache的失效率为0.39%，32KB的数据Cache的失效率为4.82%，64KB的混合Cache的失效率为1.35%。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32KB的分离Cache和容量为64KB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？
解：（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
27
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。
5.11 给定以下的假设，试计算直接映象Cache和两路组相联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？
（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1.2次； （2） 两者Cache容量均为64KB，块大小都是32字节； （3） 组相联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） 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％。 解： 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+1.2*0.014*80)＝5.344IC CPU time 2-way=IC(2.2*2+1.2*0.01*80)＝5.36IC
相对性能比：
CPUtime?2wayCPUtime?1way?5.36/5.344=1.003
直接映象cache的访问速度比两路组相联cache要快1.04倍，而两路组相联Cache的平均性能比直接映象cache要高1.003倍。因此这里选择两路组相联。
5.12 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。 解：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；
28
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 Y Y N N 访问类型 读 写 读 写 频率 95%*75%=71.3% 95%*25%=23.8% 5%*75%=3.8% 5%*25%=1.3% 访存次数 0 1 2 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=0.35×109/10 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 Y Y N N
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＝0.13×10 9/10 9＝13%
5.13 在伪相联中，假设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。假设失效开销为50个时钟周期，2KB直接映象Cache的失效率为9.8%，2路组相联的失效率为7.6%；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%。
（1） 推导出平均访存时间的公式。 （2） 利用（1）中得到的公式，对于2KBCache和128KBCache，计算伪相联的平均访存时间。 解：
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
29
块为脏 N Y N Y 频率 95%*70%=66.5% 95%*30%=28.5% 5%*70%=3.5% 5%*30%=1.5% 访存次数 0 0 2 4 ＋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2Kb=1+(0.098-0.076)*1+(0.076 *50 ) =4.822 平均访存时间128Kb=1+(0.010-0.007)*1+(0.007 *50 ) =1.353 显然是128KB的伪相联Cache要快一些。
5.14 假设采用理想存储器系统时的基本CPI是1.5，主存延迟是40个时钟周期；传输速率为4字节/时钟周期，且Cache中50%的块是修改过的。每个块中有32字节，20%的指令是数据传送指令。并假设没有写缓存，在TLB失效的情况下需要20时钟周期，TLB不会降低Cache命中率。CPU产生指令地址或Cache失效时产生的地址有0.2%没有在TLB中找到。
（1） 在理想TLB情况下，计算均采用写回法16KB直接映象统一Cache、16KB两路组相联统一Cache和32KB直
接映象统一Cache机器的实际CPI；
（2） 在实际TLB情况下，用（1）的结果，计算均采用写回法16KB直接映象统一Cache、16KB两路组相联统一
Cache和32KB直接映象统一Cache机器的实际CPI；
其中假设16KB直接映象统一Cache、16KB两路组相联统一Cache和32KB直接映象统一Cache的失效率分别为2.9%、2.2%和2.0%；25%的访存为写访问。
解： CPI=CPI 执行+存储停顿周期数/指令数
存储停顿由下列原因引起：
? 从主存中取指令
? load和store指令访问数据 ? 由TLB引起
存储停顿周期数取指令停顿数据访问停顿＋TLB停顿＝＋指令数指令数指令数停顿周期数存储访问 ＝?失效率?失效开销指令数指令数存储停顿周期数TLB停顿??R指令P指令?＋（f数据R数据P数据）＋指令数指令数（1）对于理想TLB，TLB失效开销为0。而对于统一Cache，R指令=R数据
P指令=主存延迟＋传输一个块需要使用的时间＝40＋32/4＝48（拍）
若为读失效，P数据＝主存延迟＋传输一个块需要使用的时间＝40＋32/4＝48（拍） 若为写失效，且块是干净的，
P数据＝主存延迟＋传输一个块需要使用的时间＝40＋32/4＝48（拍）
若为写失效，且块是脏的，
P数据＝主存延迟＋传输两个块需要使用的时间＝40＋64/4＝56（拍）
CPI=1.5+[RP+(RP*20%)+0 ]
指令访存全是读，而数据传输指令Load或Store指令，
f数据*P数据＝读百分比*（f数据*P数据）＋写百分比*（f数据*P干净数据*其对应的百分比
＋f数据*P脏数据*其对应的百分比）
＝20%*（75％×48＋25％*（50％*48+50％*（48＋16）））=50（拍）
代入上述公式计算出结果为：
配置 16KB 直接统一映象 16KB两路统一映象 32KB直接统一映象 失效率 0.029 0.022 0.020 CPI 4.4 3.4 3.2 （2）
TLB停顿存储访问次数TLB访问?（?）?TLB失效率?TLB失效开销
指令数指令数存储访问次数30