以下習(xí)題來(lái)自《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》第七章存儲(chǔ)體系

1、 以下習(xí)題來(lái)自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第七章 存儲(chǔ)體系。71解釋下列術(shù)語(yǔ)直接映像：每個(gè)主存地址映像到Cache中的一個(gè)指定地質(zhì)的方式稱為直接映像。全相聯(lián)映像：任何主存地址可映像到任何Cache地址的方式稱為全相聯(lián)映像。組相聯(lián)映像：組相聯(lián)映像指的是將存儲(chǔ)空間的頁(yè)面分成若干組，各組之間是直接映像，而組內(nèi)各塊之間是全相聯(lián)映像。全寫法：全寫法也稱直達(dá)法，即寫操作將數(shù)據(jù)同時(shí)寫入Cache和緩存。寫回法：寫Cache時(shí)不寫主存，僅當(dāng)被寫Cache數(shù)據(jù)塊要被替換出去時(shí)才寫回主存。虛擬存儲(chǔ)器：虛擬存儲(chǔ)器是主存的擴(kuò)展，當(dāng)主存的容量不能滿足要求時(shí)，數(shù)據(jù)可存放在外存中，在程序中仍然按地址訪問(wèn)外存空間。大小取決于計(jì)算機(jī)的訪存能

2、力。段式管理：把主存按段分配的存儲(chǔ)管理方式稱為段式管理。頁(yè)式管理：把虛擬存儲(chǔ)空間和實(shí)際存儲(chǔ)空間等分成固定大小的頁(yè)，各虛擬頁(yè)可裝入主存中不同的實(shí)際頁(yè)面位置。段頁(yè)式管理：段頁(yè)式管理式段式管理和頁(yè)式管理的結(jié)合，他將存儲(chǔ)空間按邏輯模塊分成段，每段又分成若干個(gè)頁(yè)，訪存通過(guò)一個(gè)段表和若干個(gè)頁(yè)表進(jìn)行。段的長(zhǎng)度必須是頁(yè)的長(zhǎng)度的整數(shù)倍，段的起點(diǎn)必須是某一頁(yè)的起點(diǎn)。 快表：為了提高頁(yè)表中常用項(xiàng)的訪問(wèn)速度，采用快速硬件構(gòu)成的比全表小的多的部分表格。慢表：存放在主存中的整個(gè)頁(yè)表。高速緩存：高速緩沖存儲(chǔ)器是位于CPU和主存之間的高層存儲(chǔ)子系統(tǒng)。時(shí)間局部性：如果一個(gè)存儲(chǔ)項(xiàng)被訪問(wèn)，則可能該項(xiàng)會(huì)很快再次被訪問(wèn)?？臻g局部性：如

3、果一個(gè)存儲(chǔ)項(xiàng)被訪問(wèn)，則該項(xiàng)及其鄰近的相也可能很快被訪問(wèn)。段表：在對(duì)虛擬內(nèi)存進(jìn)行管理時(shí)，系統(tǒng)中用于指明各段在主存中的位置的表，表中包括段名或段號(hào)、段起點(diǎn)、裝入位和段長(zhǎng)等。頁(yè)表：在對(duì)虛擬內(nèi)存進(jìn)行管理時(shí)，系統(tǒng)中用于指明各頁(yè)在主存中的位置的表，表中包括頁(yè)號(hào)、每頁(yè)在主存中的起始位置、表示該頁(yè)是否已裝入主存的裝入位等。塊表：存儲(chǔ)系統(tǒng)中的一個(gè)用于解決塊和頁(yè)的定位、標(biāo)志、和尋址問(wèn)題的表。7.2 有人認(rèn)為,隨著存儲(chǔ)器芯片集成度的提高，主存的容量將越來(lái)越大，虛擬存貯器將被淘汰，未來(lái)的計(jì)算機(jī)中將不采用虛擬存儲(chǔ)器。你是否同意這種觀點(diǎn)，為什么?答：我不同意這種觀點(diǎn)，盡管主存的容量越來(lái)越大，但是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展

4、，應(yīng)用程序所需要的存儲(chǔ)空間也會(huì)不斷地增大，而且由于計(jì)算機(jī)的成本等問(wèn)題，注定主存的容量不可能完全滿足應(yīng)用程序的所用需要，所以虛擬存儲(chǔ)器作為主存的一個(gè)重要補(bǔ)充，仍然將是計(jì)算機(jī)中不可或缺的一部分，不會(huì)被淘汰。7.3編譯程序怎樣利用系統(tǒng)中的Cache進(jìn)行代碼優(yōu)化以提高系統(tǒng)的性能？答：應(yīng)該將常用到的指令、變量盡量地存放在主存的相鄰單元，這樣可以使他們一次被讀入Cache，從而提高讀Cache的命中率來(lái)提高系統(tǒng)的性能。另外，應(yīng)該將對(duì)同一變量的操作盡可能地集中起來(lái)完成，以免該變量因?yàn)榉磸?fù)地被讀入和讀出而增加執(zhí)行額外的時(shí)間。7.4試寫出兩層和三層Cache的平均訪問(wèn)時(shí)間公式。解：（I）兩層Cache的情況：設(shè)

5、Cache的命中時(shí)間是TC，命中率是HC，失效時(shí)間為TM。則平均訪存時(shí)間TA=TC*HC+(1-HC)(HC*TC+(1-HC)*TM)（II）三層Cache的情況：TA=TC*HC+(1-HC)(HC*TC+(1-HC)(HC*TC+(1-HC)*TM)7.5 VAX-11/780在Cache命中時(shí)的指令平均執(zhí)行時(shí)間是8.5時(shí)鐘周期，Cache失效時(shí)間是6個(gè)時(shí)鐘周期，假設(shè)不命中率是11%，每條指令平均訪存3次。試計(jì)算在考慮了Cache的不命中時(shí)的指令平均執(zhí)行時(shí)間。它比Cache命中時(shí)的平均指令執(zhí)行周期延長(zhǎng)了百分之幾？解：由題設(shè)可知：考慮了Cache的不命中時(shí)的指令平均值執(zhí)行時(shí)間TA=89%*

6、8.5+11%*(8.5+6)=9.16(時(shí)鐘周期)，與Cache命中時(shí)的平均指令執(zhí)行周期延長(zhǎng)了（9.16-8.5）/8.5*100%=7.76%7.6上題中若CPU在Cache命中時(shí)的指令平均執(zhí)行時(shí)間是1.5個(gè)時(shí)鐘周期，如RISC計(jì)算機(jī)中的那樣，其它條件一樣，結(jié)果如何？從中可看出什么問(wèn)題?解： TA=89%*1.5+11%*(1.5+6)=2.16與Cache命中時(shí)的平均指令執(zhí)行周期延長(zhǎng)了(2.16-1.5)/1.5*100%=44%可以看出：當(dāng)CPU的速度較快時(shí)，Cache的速度將成為影響系統(tǒng)速度的主要因素，也就是成為速度的瓶頸。7.7有一個(gè)“Cache-主存”存儲(chǔ)層次。主存共分8個(gè)塊（0

7、7），Cache為4個(gè)塊（03），采用組相聯(lián)影像，組內(nèi)塊數(shù)為2塊，替換算法為近期最少使用法（LRU）。（1） 畫出主存、Cache空間塊的影像對(duì)應(yīng)關(guān)系的示意圖；（2） 對(duì)于如下主存塊地址流：1、2、4、1、3、7、0、1、2、5、4、6、4、7、2，如主存中內(nèi)容一開(kāi)始未裝入Cache中，請(qǐng)列出隨時(shí)間變化的Cache中各塊的使用狀況；（3） 對(duì)于（2），指出塊失效又發(fā)生塊爭(zhēng)用的時(shí)刻；（4） 對(duì)于（2），求出此期間Cache的命中率。解：（1） 主存、Cache空間塊的映象對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖如下： 0 1 I組 0 2 I組 1 3 II組 2 4 II組 3 5 I組 6 7 II組（2） 地址流入

8、體所示時(shí)，主存中內(nèi)容如下表：寄存器號(hào)12413701254647201111111111444441-44440005555552-222277777766623-33332222277（3） 在（2）中，時(shí)刻1、2、3、5、6、7、9、10、11、12、14、15發(fā)生塊失效， 時(shí)刻6、7、9、10、11、12、14、15發(fā)生塊爭(zhēng)用。（4） 此間，共有15個(gè)時(shí)刻，命中了4、 8、13這3個(gè)時(shí)刻，所以命中率為20%。7.8在頁(yè)式管理虛擬存儲(chǔ)器中，假定各頁(yè)面按以下的順序請(qǐng)求訪問(wèn)：12、14、2、34、56、23、14、56、12、12并且主存中只能容納4個(gè)頁(yè)面，列出使用下列各種算法時(shí)，每一個(gè)頁(yè)面調(diào)

9、度操作后在主存中的頁(yè)面：（1） 先進(jìn)先出替換算法；（2） 最近最少使用替換算法；（3） LRU的計(jì)數(shù)法替換算法。并指出什么時(shí)刻發(fā)生頁(yè)面失效。解：（1）主存中的內(nèi)容如下圖所示：12142345623145612120121212125656565656561-1414141423232323232-2222141414143-34343434341212時(shí)刻12345678910在時(shí)刻1、2、3、4、5、6、7、9發(fā)生頁(yè)面失效。（2） 存中的內(nèi)容如下圖所示：12142345623145612120121212125656565656561-1414141423232323231-22221414

10、14143-34343434341212時(shí)刻12345678910在時(shí)刻1、2、3、4、5、6、7、9發(fā)生頁(yè)面失效。（3）主存中的內(nèi)容如下圖所示：121423456231456121201212 12 12 56 56 56 56 56561-14 14 14 14 23 23 23 23231-2 2 2 2 14 14 14143-34 34 3434 34 1212時(shí)刻12345678910在時(shí)刻1、2、3、4、5、6、7、9發(fā)生頁(yè)面失效。7.10當(dāng)訪問(wèn)頁(yè)面已知時(shí)，怎樣實(shí)現(xiàn)最佳替換算法，請(qǐng)?zhí)岢瞿愕慕ㄗh。答：我認(rèn)為應(yīng)該將訪問(wèn)序列中訪問(wèn)較多的塊在主存種分配以固定的位置，不調(diào)出主存。其余那些在

11、整個(gè)訪問(wèn)過(guò)程中只被訪問(wèn)一兩次的塊才進(jìn)行替換。這樣可使訪問(wèn)的命中率有顯著提高。7.12 Cache C1是直接映射的，有16個(gè)長(zhǎng)度為1字的快；Cache C2是直接映射的，有4個(gè)長(zhǎng)度為4的塊，假設(shè)C1的不命中的訪問(wèn)時(shí)間為8個(gè)時(shí)鐘周期；C2的不命中的訪問(wèn)時(shí)間11個(gè)時(shí)鐘周期，初始時(shí)Cache為空，舉出一種使C2命中率較高，但訪問(wèn)周期較長(zhǎng)的字地址序列。解：序列1、5、9、2、3、4、6、7、8、10、11、12、17、25、18、19、20、33、26、27、28、34、35、36滿足上述條件，因?yàn)椋珻2在訪問(wèn)2、3、4、6、7、8、10、11、12、18、19、20、26、27、28、34、35、3

12、6時(shí)不必從主存中調(diào)入。7.14對(duì)于以下三種Cache組織：Cache1：直接映射，塊長(zhǎng)為1字Cache2：直接映射，塊長(zhǎng)為4字Cache3：兩路組相聯(lián)映射，塊長(zhǎng)位4字假設(shè)一下失效率：Cache1：指令失效率4%，數(shù)據(jù)失效率為8%Cache2：指令失效率2%，數(shù)據(jù)失效率為5%Cache3：指令失效率2%，數(shù)據(jù)失效率為4%對(duì)于這幾種機(jī)器，一般的指令包含一個(gè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)。假定Cache不命中訪問(wèn)時(shí)間為6加上塊的字節(jié)數(shù)，指出哪一種機(jī)器在Cache失效上花費(fèi)的時(shí)間最多？解：對(duì)于Cache1失效一次花費(fèi)時(shí)間為6+1=7； 對(duì)于Cache2和Cache3失效一次花費(fèi)時(shí)間為6+4=10；又因?yàn)樗鼈兊氖蕿?：4

13、：5，所以它們的失效花費(fèi)時(shí)間為（4+2*8%）*7；（2+1*5%）*10；（2+1*4%）*10，花費(fèi)時(shí)間比為29.12：20.05：20.04，可見(jiàn)第一種機(jī)器在Cache失效花費(fèi)時(shí)間最多。7.15假設(shè)機(jī)器的時(shí)鐘周期位10豪微秒，Cache失效時(shí)的訪存時(shí)間為20個(gè)時(shí)鐘周期（1） 設(shè)失效率為0。05，忽略寫操作時(shí)的其它延遲，求機(jī)器的平均訪存時(shí)間（2） 假設(shè)通過(guò)增加Cache的容量一倍而使時(shí)效率降低到0.03，但使得Cache命中時(shí)的訪問(wèn)時(shí)間增到了1.2時(shí)鐘周期，指出這樣的改動(dòng)設(shè)計(jì)是否合適。（3） 如果時(shí)鐘周期取決于Cache的訪問(wèn)時(shí)間（也就是用延長(zhǎng)時(shí)鐘周期的方法），上述改動(dòng)設(shè)計(jì)是否合理解：（1

14、）機(jī)器的平均訪存時(shí)間為10*（1*0.95+20*0.05）=19.5毫微秒；（2）改動(dòng)以后機(jī)器的平均訪存時(shí)間為10*（1.2*0.97+20*0.03）=17.64毫微秒，可見(jiàn)改動(dòng)是合理的。（3）如果采用延長(zhǎng)時(shí)鐘周期的方法，平均訪存時(shí)間為10*1.2*(1*0.97+20*0.03)=18.84毫微秒。也是合理的。7.16假設(shè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)采用50MHZ時(shí)鐘，存儲(chǔ)器以每周其一個(gè)字的速率，傳輸8個(gè)字的訪問(wèn)請(qǐng)求，以支持塊長(zhǎng)為8個(gè)字的Cache，對(duì)于讀操作，訪問(wèn)順序是：1個(gè)周期接收地址3個(gè)周期延遲8個(gè)周期用于傳輸8個(gè)字對(duì)于寫操作，訪問(wèn)順序是：1個(gè)周期接收地址2個(gè)周期延遲8個(gè)周期用于傳輸8個(gè)字對(duì)于以下訪

15、問(wèn)模式：全部訪問(wèn)為讀操作全部訪問(wèn)為寫操作65%的訪問(wèn)為讀操作，35%的訪問(wèn)為寫操作求出該存儲(chǔ)器的最大帶寬（以每秒字節(jié)數(shù)表示）。解：假如訪問(wèn)模式為全讀操作：每秒可進(jìn)行50M/12=次操作。傳輸字節(jié)數(shù)為，最大帶寬為字節(jié)/秒。假如訪問(wèn)模式為全寫操作：每秒可進(jìn)行50M/11=次操作。傳輸字節(jié)數(shù)為，最大帶寬為字節(jié)/秒。假如訪問(wèn)模式為65%讀操作和35%寫操作。每秒進(jìn)行次讀操作和次寫操作，傳輸字節(jié)數(shù)為，最大帶寬為字節(jié)/秒。以下習(xí)題來(lái)自計(jì)算機(jī)組成原理教程第3章 存儲(chǔ)體系。 3.1試說(shuō)明存儲(chǔ)器的存取時(shí)間與存取周期的區(qū)別。答：存取時(shí)間分為讀出時(shí)間和寫入時(shí)間，讀出時(shí)間是從開(kāi)始送入地址到這個(gè)存儲(chǔ)器產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)輸出所

16、花費(fèi)的時(shí)間；寫入時(shí)間是從送入地址開(kāi)始并把有效數(shù)據(jù)保持一定時(shí)間所花費(fèi)的時(shí)間。存取周期是指先讀出一個(gè)單元的數(shù)據(jù)，隨后又將一個(gè)數(shù)據(jù)寫入該存儲(chǔ)地址單元操作所需的最小時(shí)間。 3.2存儲(chǔ)器的帶寬有何物理意義？設(shè)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線寬度為32位，存取周期為250ns，這個(gè)存儲(chǔ)器的帶寬是多少？解：存儲(chǔ)器的帶寬是指每秒中訪問(wèn)的二進(jìn)制的位的數(shù)目。題中的存儲(chǔ)器每秒可訪問(wèn)的二進(jìn)制數(shù)為32（250）bps。 3.3存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)可以解決什么問(wèn)題？實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的先決條件是什么？如何度量？答：層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器可以解決價(jià)格、容量、速度這三者之間的矛盾。上層存儲(chǔ)器的速度快但是價(jià)格高，容量?。幌聦哟鎯?chǔ)器的速度相對(duì)較

17、慢，但是成本低，容量大。而層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度接近于最上層，容量及其成本卻是接近于最下層的。實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的先決條件是平均存取時(shí)間應(yīng)該能滿足程序的需要，可以根據(jù)上、下層存儲(chǔ)器的存取時(shí)間和上層存儲(chǔ)器的命中率計(jì)算出平均存取時(shí)間來(lái)進(jìn)行度量。3.5設(shè)計(jì)一個(gè)用64K1位的芯片構(gòu)成256K16位的存儲(chǔ)器，畫出組織結(jié)構(gòu)圖。解：如下圖所示：先用64K1位的芯片構(gòu)成64K16位的存儲(chǔ)器，再用64K16位的存儲(chǔ)器構(gòu)成256K16位的存儲(chǔ)器。地址總線 CS 。 R/W 數(shù)據(jù)總線上圖為16K16的存儲(chǔ)器框圖。 A17 片選譯碼器 A16 A0A15 地址總線 CS CS CS CS CPU 64K16 64

18、K16 64K16 64K16 R/W R/W R/W R/W RD 控制總線 雙向數(shù)據(jù)總線上圖是256K16位的存儲(chǔ)器框圖。 3.11 在8體交叉主存系統(tǒng)中，若每體并行讀出兩個(gè)字，每字長(zhǎng)兩字節(jié)，主存周期為T，求改該存儲(chǔ)器的最大帶寬。解：最大帶寬為：288T=128/T（比特/秒）。3.13主存儲(chǔ)器容量為4MB，虛擬存儲(chǔ)器容量為1GB，則虛擬地址和物理地址各為多少位？根據(jù)尋址方式計(jì)算出來(lái)的有效地址實(shí)虛擬地址該是物理地址？解：虛擬地址為30位，物理地址為22位，根據(jù)尋址方式計(jì)算出來(lái)的是物理地址。3.14假設(shè)可供用戶程序使用的主存容量為100KB，而某用戶的程序和數(shù)據(jù)所占的主存容量超過(guò)100KB，

19、但小于邏輯地址所表示的范圍，請(qǐng)問(wèn)具有虛擬存儲(chǔ)器與不具有虛擬存儲(chǔ)器對(duì)用戶有何影響？答：如果用戶具有虛擬存儲(chǔ)器，則該用戶仍然可以使用這個(gè)程序，否則由于存儲(chǔ)器的容量不夠，用戶將無(wú)法使用該程序。3.15在上題中如果頁(yè)面大小為4KB，頁(yè)表長(zhǎng)為多少？解：頁(yè)表長(zhǎng)度為：100425字節(jié)。3.16術(shù)語(yǔ)：存儲(chǔ)元、存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)體、存儲(chǔ)單元地址，有何區(qū)別與聯(lián)系？答：存儲(chǔ)元指的是存儲(chǔ)器中用于存儲(chǔ)信息的一個(gè)一個(gè)的小磁環(huán)，它是一個(gè)物理范疇中的概念；存儲(chǔ)單元指的是存儲(chǔ)器中被當(dāng)作一個(gè)整體對(duì)待的一些存儲(chǔ)元；存儲(chǔ)體指的是整個(gè)存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)單元地址則指的是在存儲(chǔ)體中用于尋找存儲(chǔ)單元的信息。3.17在虛擬存儲(chǔ)器中，術(shù)語(yǔ)物理空間、邏輯空

20、間有何區(qū)別與聯(lián)系？答：在采用虛擬存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)中，在訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)都不是直接根據(jù)程序員制定的地址進(jìn)行的。CPU根據(jù)程序指令生成的地址是虛擬地址有成邏輯地址，它指向的空間稱為邏輯空間，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的地址是實(shí)際地址，指向的是實(shí)際物理空間；虛擬地址空間是程序員所看到的地址空間，實(shí)際地址空間則是程序虛擬地址空間在存儲(chǔ)器中的實(shí)際物理映射。以下習(xí)題來(lái)自計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第3章 存儲(chǔ)體系。 1一臺(tái)計(jì)算機(jī)的主存容量為1MB，字長(zhǎng)為32位，cache的容量為512字。確定下列情況下的地址格式。（1） 直接映像的cache，塊長(zhǎng)為1字；（2） 直接映像的cache，塊長(zhǎng)為8字；（3） 組相聯(lián)映像的cache，塊長(zhǎng)為1字，組內(nèi)4塊。解：（1）cache地址如下：塊號(hào)因?yàn)閴K長(zhǎng)為1字，所以不需要塊內(nèi)地址。 主存地址如下：塊號(hào) （2）cache地址如下：主存塊號(hào)塊內(nèi)地址 Cache中有16個(gè)塊，所以塊號(hào)為4位，塊內(nèi)地址為3位，指出是8塊中的哪一塊。 主存地址如下：主存塊號(hào)塊內(nèi)地址 （3）cache地址如下：組號(hào)塊號(hào) 因?yàn)閴K長(zhǎng)為1字，所以不需要塊內(nèi)地址只需有組號(hào)和塊號(hào)就足夠了，共有128個(gè)組，所以組號(hào)為7位，塊號(hào)有2位 主存地址如下：區(qū)號(hào)組號(hào)主存塊號(hào)4.一個(gè)組相連映象cache由64個(gè)存儲(chǔ)塊構(gòu)成，每組包含4個(gè)存儲(chǔ)塊。主存包含4096個(gè)存儲(chǔ)塊，每塊有128字組成。訪存地址為字地址。（1） 求一個(gè)主存地