計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第五章課后習(xí)題答案

1、第五章 存儲層次5.1名詞解釋1 存儲層次采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的存儲器，處在離cpu不同距離的層次上，目標(biāo)是達(dá)到離cpu最近的存儲器的速度，最遠(yuǎn)的存儲器的容量。2 全相聯(lián)映象主存中的任一塊可以被放置到cache中任意一個(gè)地方。3 直接映象主存中的每一塊只能被放置到cache中唯一的一個(gè)地方。4 組相聯(lián)映象主存中的每一塊可以放置到cache中唯一的一組中任何一個(gè)地方（cache分成若干組，每組由若干塊構(gòu)成）。5 替換算法由于主存中的塊比cache中的塊多，所以當(dāng)要從主存中調(diào)一個(gè)塊到cache中時(shí)，會出現(xiàn)該塊所映象到的一組（或一個(gè)）cache塊已全部被占用的情況。這時(shí)，需要被迫騰出其中的某一塊，以接

2、納新調(diào)入的塊。6 lru選擇最近最少被訪問的塊作為被替換的塊。實(shí)際實(shí)現(xiàn)都是選擇最久沒有被訪問的塊作為被替換的塊。7 寫直達(dá)法在執(zhí)行寫操作時(shí)，不僅把信息寫入cache中相應(yīng)的塊，而且也寫入下一級存儲器中相應(yīng)的塊。8 寫回法只把信息寫入cache中相應(yīng)塊，該塊只有被替換時(shí)，才被寫回主存。9 按寫分配法寫失效時(shí)，先把所寫單元所在的塊調(diào)入cache，然后再進(jìn)行寫入。10 不按寫分配法寫失效時(shí)，直接寫入下一級存儲器中，而不把相應(yīng)的塊調(diào)入cache。11 寫合并在往緩沖器寫入地址和數(shù)據(jù)時(shí)，如果緩沖器中存在被修改過的塊，就檢查其地址，看看本次寫入數(shù)據(jù)的地址是否和緩沖器內(nèi)某個(gè)有效塊的地址匹配。如果匹配，就將新

3、數(shù)據(jù)與該塊合并。12 命中時(shí)間訪問cache命中時(shí)所用的時(shí)間。13 失效率cpu訪存時(shí)，在一級存儲器中找不到所需信息的概率。14 失效開銷cpu向二級存儲器發(fā)出訪問請求到把這個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)入一級存儲器所需的時(shí)間。15 強(qiáng)制性失效當(dāng)?shù)谝淮卧L問一個(gè)塊時(shí)，該塊不在cache中，需要從下一級存儲器中調(diào)入cache，這就是強(qiáng)制性失效。16 容量失效如果程序在執(zhí)行時(shí)，所需要的塊不能全部調(diào)入cache中，則當(dāng)某些塊被替換后又重新被訪問，就會產(chǎn)生失效，這種失效就稱作容量失效。17 沖突失效在組相聯(lián)或直接映象cache中，若太多的塊映象到同一組（塊）中，則會出現(xiàn)該組中某個(gè)塊被別的塊替換（即使別的組或塊有空閑位置），然

4、后又被重新訪問的情況。18 2：1cache經(jīng)驗(yàn)規(guī)則大小為n的直接映象cache的失效率約等于大小為n /2的兩路組相聯(lián)cache的實(shí)效率。19 相聯(lián)度在組相聯(lián)中，每組cache中的塊數(shù)。20 victim cache位于cache和存儲器之間的又一級cache，容量小，采用全相聯(lián)策略。用于存放由于失效而被丟棄（替換）的那些塊。每當(dāng)失效發(fā)生時(shí)，在訪問下一級存儲器之前，先檢查victim cache中是否含有所需塊。21 偽相聯(lián)cache一種既能獲得多路組相聯(lián)cache的低失效率，又能獲得直接映象cache的命中速度的相聯(lián)辦法。22 故障性預(yù)取在預(yù)取時(shí)，若出現(xiàn)虛地址故障或違反保護(hù)權(quán)限，就會發(fā)生異

5、常。23 非故障性預(yù)取在預(yù)取時(shí)，若出現(xiàn)虛地址故障或違反保護(hù)權(quán)限，不發(fā)生異常。24 非阻塞cachecache在等待預(yù)取數(shù)據(jù)返回時(shí)，還能繼續(xù)提供指令和數(shù)據(jù)。25 子塊放置技術(shù)把一個(gè)cache塊劃分為若干小塊，稱為子塊（sub-blocks），并為每個(gè)子塊賦予一位有效值，用于說明該子塊中的數(shù)據(jù)是否有效。失效時(shí)，只需從下一級存儲器調(diào)入一個(gè)子塊。26 盡早重啟動在請求字沒有到達(dá)時(shí)，cpu處于等待狀態(tài)。一旦請求字到達(dá)，就立即發(fā)送給cpu，讓等待的cpu盡早重啟動，繼續(xù)執(zhí)行。27 請求字優(yōu)先調(diào) 塊時(shí)，首先向存儲器請求cpu所要的請求字。請求字一旦到達(dá)，就立即送往cpu，讓cpu繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)從存儲器調(diào)入該

6、塊的其余部分。28 多級包容性一級存儲器（cache）中的數(shù)據(jù)總位于下一級存儲器中。29 虛擬cache地址使用虛地址的cache。30 多體交叉技術(shù)具有多個(gè)存儲體，各體之間按字交叉的存儲技術(shù)。31 存儲體沖突多個(gè)請求要訪問同一個(gè)體。32 tlb一個(gè)專用高速存儲器，用于存放近期經(jīng)常使用的頁表項(xiàng)，其內(nèi)容是頁表部分內(nèi)容的一個(gè)副本。5.2 簡述“cache主存”和“主存輔存”層次的區(qū)別。 存儲層次比較項(xiàng)目“cache主存”層次“主存輔存”層次目 的為了彌補(bǔ)主存速度的不足為了彌補(bǔ)主存容量的不足存儲管理實(shí)現(xiàn)全部由專用硬件實(shí)現(xiàn)主要由軟件實(shí)現(xiàn)訪問速度的比值（第一級比第二級）幾比一幾百比一典型的塊（頁）大小幾

7、十個(gè)字節(jié)幾百到幾千個(gè)字節(jié)cpu對第二級的訪問方式可直接訪問均通過第一級失效時(shí)cpu是否切換不切換切換到其它進(jìn)程5.3 降低cache失效率有哪幾種方法？簡述其基本思想。常用的降低cache失效率的方法有下面幾種：（1） 增加cache塊大小。增加塊大小利用了程序的空間局部性。（2） 提高相聯(lián)度，降低沖突失效。（3） victim cache，降低沖突失效。（4） 偽相聯(lián)cache，降低沖突失效。（5） 硬件預(yù)取技術(shù)，指令和數(shù)據(jù)都可以在處理器提出訪問請求前進(jìn)行預(yù)取。（6） 由編譯器控制的預(yù)取，硬件預(yù)取的替代方法，在編譯時(shí)加入預(yù)取的指令，在數(shù)據(jù)被用到之前發(fā)出預(yù)取請求。（7） 編譯器優(yōu)化，通過對軟件

8、的優(yōu)化來降低失效率。5.4簡述減小cache失效的幾種方法。（1） 讓讀失效優(yōu)先于寫。（2） 子塊放置技術(shù)。（3） 請求字處理技術(shù)。（4） 非阻塞cache技術(shù)。（5） 采用兩級cache、5.5通過編譯器對程序優(yōu)化來改進(jìn)cache性能的方法有哪幾種？簡述其基本思想。（1） 數(shù)組合并，通過提高空間局部性來減少失效次數(shù)。有些程序同時(shí)用相同的索引來訪問若干個(gè)數(shù)組的同一維，這些訪問可能會相互干擾，導(dǎo)致沖突失效，可以將這些相互獨(dú)立的數(shù)組合并成一個(gè)復(fù)合數(shù)組，使得一個(gè)cache塊中能包含全部所需元素。（2） 內(nèi)外循環(huán)交換。循環(huán)嵌套時(shí)，程序沒有按數(shù)據(jù)在存儲器中的循序訪問。只要簡單地交換內(nèi)外循環(huán)，就能使程序按

9、數(shù)據(jù)在存儲器中的存儲循序進(jìn)行訪問。（3） 循環(huán)融合。有些程序含有幾部分獨(dú)立的程序斷，它們用相同的循環(huán)訪問同樣的數(shù)組，對相同的數(shù)據(jù)作不同的運(yùn)算。通過將它們?nèi)诤铣梢粋€(gè)單一循環(huán)，能使讀入cache的數(shù)據(jù)被替換出去之前得到反復(fù)的使用。（4） 分塊。通過改進(jìn)時(shí)間局部性來減少失效。分塊不是對數(shù)組的整行或整列進(jìn)行訪問，而是對子矩陣或塊進(jìn)行操作。5.6 在“cache主存”層次中，主存的更新算法有哪幾種？它們各有什么特點(diǎn)？（1） 寫直達(dá)法 易于實(shí)現(xiàn)，而且下一級存儲器中的數(shù)據(jù)總是最新的。（2） 寫回法速度塊，“寫”操作能以cache存儲器的速度進(jìn)行。而且對于同一單元的多個(gè)寫最后只需一次寫回下一級存儲器，有些“寫

10、”只到達(dá)cache，不到達(dá)主存，因而所使用的存儲器頻帶較低。5.7 組相聯(lián)cache比相同容量的之直接映象cache的失效率低。由此是否可以得出結(jié)論：采用組相聯(lián)cache一定能帶來性能上的提高？為什么？答：不一定。因?yàn)榻M相聯(lián)命中率的提高是以增加命中時(shí)間為代價(jià)的，組相聯(lián)需要增加多路選擇開關(guān)。5.8 寫出三級cache的平均訪問時(shí)間ta的公式。 平均訪存時(shí)間 命中時(shí)間失效率×失效開銷只有第i層的失效時(shí)才會訪問第i1設(shè)三級cache的命中率分別為hl1、 hl2、 hl3，失效率分別為ml1、ml2、ml3，第三級cache的失效開銷為pl3。 平均訪問時(shí)間ta hl1ml1hl2ml2(

11、hl3ml3×pl3)5.9 給定以下的假設(shè)，試計(jì)算直接映象cache和兩路組相聯(lián)cache的平均訪問時(shí)間以及cpu的性能。由計(jì)算結(jié)果能得出什么結(jié)論？（1） 理想cache情況下的cpi為2.0，時(shí)鐘周期為2ns，平均每條指令訪存1.2次；（2） 兩者cache容量均為64kb，塊大小都是32字節(jié)；（3） 組相聯(lián)cache中的多路選擇器使cpu的時(shí)鐘周期增加了10；（4） 這兩種cache的失效開銷都是80ns；（5） 命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期；（6） 64kb直接映象cache的失效率為1.4，64kb兩路組相聯(lián)cache的失效率為1.0。解： 平均訪問時(shí)間命中時(shí)間失效率×

12、失效開銷平均訪問時(shí)間1-路=2.0+1.4% *80=3.12ns平均訪問時(shí)間2-路=2.0*(1+10%)+1.0% *80=3.0ns兩路組相聯(lián)的平均訪問時(shí)間比較低cputime=（cpu執(zhí)行+存儲等待周期）*時(shí)鐘周期cpu time=ic（cpi執(zhí)行+總失效次數(shù)/指令總數(shù)*失效開銷） *時(shí)鐘周期=ic（cpi執(zhí)行*時(shí)鐘周期）+（每條指令的訪存次數(shù)*失效率*失效開銷*時(shí)鐘周期）cpu time 1-way=ic(2.0*2+1.2*0.014*80)5.344iccpu time 2-way=ic(2.2*2+1.2*0.01*80)5.36ic相對性能比：5.36/5.344=1.003

13、直接映象cache的訪問速度比兩路組相聯(lián)cache要快1.04倍，而兩路組相聯(lián)cache的平均性能比直接映象cache要高1.003倍。因此這里選擇兩路組相聯(lián)。5.10 假設(shè)一臺計(jì)算機(jī)具有以下特性：（1） 95的訪存在cache中命中；（2） 塊大小為兩個(gè)字，且失效時(shí)整個(gè)塊被調(diào)入；（3） cpu發(fā)出訪存請求的速率為109字/秒；（4） 25的訪存為寫訪問；（5） 存儲器的最大流量為109字/秒（包括讀和寫）；（6） 主存每次只能讀或?qū)懸粋€(gè)字；（7） 在任何時(shí)候，cache中 有30的塊被修改過；（8） 寫失效時(shí)，cache采用寫分配法?，F(xiàn)欲給計(jì)算機(jī)增添一臺外設(shè)，為此想先知道主存的頻帶已經(jīng)使用了

14、多少。試對于以下兩種情況計(jì)算主存頻帶的平均使用比例。（1） 寫直達(dá)cache；（2） 寫回法cache。解：采用按寫分配（1）寫直達(dá)cache訪問命中，有兩種情況：讀命中，不訪問主存；寫命中，更新cache和主存，訪問主存一次。訪問失效，有兩種情況：讀失效，將主存中的塊調(diào)入cache中，訪問主存兩次；寫失效，將要寫的塊調(diào)入cache，訪問主存兩次，再將修改的數(shù)據(jù)寫入cache和主存，訪問主存一次，共三次。上述分析如下表所示。訪問命中訪問類型頻率訪存次數(shù)y讀95%*75%=71.3%0y寫95%*25%=23.8%1n讀5%*75%=3.8%2n寫5%*25%=1.3%3一次訪存請求最后真正的平

15、均訪存次數(shù)=(71.3%*0)+(23.8%*1)+(3.8%*2)+(1.3%*3)0.35已用帶寬=0.35×109/10 9 =35.0%（2）寫回法cache訪問命中,有兩種情況：讀命中，不訪問主存；寫命中，不訪問主存。采用寫回法，只有當(dāng)修改的cache塊被換出時(shí)，才寫入主存；訪問失效,有一個(gè)塊將被換出，這也有兩種情況：如果被替換的塊沒有修改過，將主存中的塊調(diào)入cache塊中，訪問主存兩次；如果被替換的塊修改過，則首先將修改的塊寫入主存，需要訪問主存兩次；然后將主存中的塊調(diào)入cache塊中，需要訪問主存兩次，共四次訪問主存。訪問命中塊為臟頻率訪存次數(shù)yn95%*70%=66.

16、5%0yy95%*30%=28.5%0nn5%*70%=3.5%2ny5%*30%=1.5%4所以：一次訪存請求最后真正的平均訪存次數(shù)=66.5*028.5%*0+3.5%*2+1.5%*4=0.13已用帶寬0.13×10 9/10 913%5.11 偽相聯(lián)中，假設(shè)在直接映象位置沒有發(fā)現(xiàn)匹配，而在另一個(gè)位置才找到數(shù)據(jù)（偽命中）時(shí)，需要1個(gè)額外的周期，而且不交換兩個(gè)cache中的數(shù)據(jù)，失效開銷為50個(gè)時(shí)鐘周期。試求：（1） 推導(dǎo)出平均訪存的時(shí)間公式。（2） 利用（1）中得到的公式，對于2kbcache和128kbcache，重新計(jì)算偽相聯(lián)的平均訪存時(shí)間。請問哪一種偽相聯(lián)更快？假設(shè) 2k

17、b直接映象cache的總失效率為0.098，2路相聯(lián)的總失效率為0.076；128kb直接映象cache的總失效率為0.010，2路相聯(lián)的總失效率為0.007。解：不管作了何種改進(jìn)，失效開銷相同。不管是否交換內(nèi)容，在同一“偽相聯(lián)”組中的兩塊都是用同一個(gè)索引得到的，因此失效率相同，即：失效率偽相聯(lián)失效率2路。偽相聯(lián)cache的命中時(shí)間等于直接映象cache的命中時(shí)間加上偽相聯(lián)查找過程中的命中時(shí)間*該命中所需的額外開銷。命中時(shí)間偽相聯(lián)命中時(shí)間1路偽命中率偽相聯(lián)×1交換或不交換內(nèi)容，偽相聯(lián)的命中率都是由于在第一次失效時(shí)，將地址取反，再在第二次查找?guī)淼?。因?偽命中率偽相聯(lián)命中率2路命中率

18、1路（1失效率2路）（1失效率1路）失效率1路失效率2路。交換內(nèi)容需要增加偽相聯(lián)的額外開銷。平均訪存時(shí)間偽相聯(lián)命中時(shí)間1路（失效率1路失效率2路）×1失效率2路×失效開銷1路將題設(shè)中的數(shù)據(jù)帶入計(jì)算，得到：平均訪存時(shí)間2kb=1+(0.098-0.076)*1+(0.076 *50 ) =4.822平均訪存時(shí)間128kb=1+(0.010-0.007)*1+(0.007 *50 ) =1.353顯然是128kb的偽相聯(lián)cache要快一些。5.12 假設(shè)采用理想存儲器系統(tǒng)時(shí)的基本cpi是1.5，試?yán)帽?.5 ，分別對于下述三種cache計(jì)算cpi：(1) 16kb直接映象統(tǒng)一cache，采用寫回法；(2) 16kb兩路組相聯(lián)統(tǒng)一cache，采用寫