第5章存儲層次

1、第5章 存儲層次1. 單級存儲器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法來解決？ 主要矛盾：(1) 速度越快，每位價格就越高。 (2) 容量越大，每位價格就越低。 (3) 容量越大，速度越慢。采取多級存儲層次方法來解決。2. 評價存儲層次的主要參數(shù)有哪些？存儲層次的平均每位價格、命中率或失效率、平均訪問時間。3. “Cache-主存”和“主存-輔存”層次的主要區(qū)別是什么？ 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的實(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）幾比一幾萬比一典型的塊（頁）大小幾十個字節(jié)幾百

2、到幾千個字節(jié)CPU對第二級的訪問方式可直接訪問均通過第一級不命中時CPU是否切換不切換切換到其他進(jìn)程4. 在存儲層次中應(yīng)解決哪四個問題？ （1）映像規(guī)則：當(dāng)把一個塊調(diào)入高一層存儲器時，可以放到哪些位置上。 （2）查找算法：當(dāng)所要訪問的塊在高一層存儲器中時，如何找到該塊。 （3）替換算法：當(dāng)發(fā)生失效時，應(yīng)替換哪一塊。 （4）寫策略：當(dāng)進(jìn)行寫訪問時，應(yīng)進(jìn)行哪些操作。 5. 地址映像方法有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ （1）全相聯(lián)映像。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制復(fù)雜，代價高，速度慢。Cache空間的利用率較高，塊沖突概率較低，因而Cache的失效率也低。（2）直接映像。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制簡單，速度快。Cache空間

3、的利用率較低，塊沖突概率較高，因而Cache的失效率也高。（3）組相聯(lián)映像。組相聯(lián)是直接映像和全相聯(lián)的一種折中。6. 組相聯(lián)Cache比相同容量的直接映像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？ 不一定。因?yàn)榻M相聯(lián)命中率的提高是以增加命中時間為代價的，組相聯(lián)需要增加多路選擇開關(guān)。7. Cache中，有哪兩種實(shí)現(xiàn)并行查找的方法？（1）用相聯(lián)存儲器實(shí)現(xiàn)。 （2）用單體多字存儲器和比較器來實(shí)現(xiàn)。8. 替換算法有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？（1）隨機(jī)法：簡單、易于用硬件實(shí)現(xiàn)，但這種方法沒有考慮Cache塊過去被使用的情況，反映不了程序的局部性，所

4、以其失效率比LRU的高。（2）先進(jìn)先出法：容易實(shí)現(xiàn)。它雖然利用了同一組中各塊進(jìn)入Cache的順序這一“歷史”信息，但還是不能正確地反映程序的局部性。（3）最近最少使用法LRU：失效率最低。但是LRU比較復(fù)雜，硬件實(shí)現(xiàn)比較困難。9. 寫策略主要有哪兩種？它們各有什么優(yōu)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：速度快，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寫最后只需一次寫回下一級存儲器，有些“寫”只到達(dá)Cache，不到達(dá)主存，因而所使用的存儲器頻帶較低。10. 在寫回法中，可采用什么方法減少在替換時塊的寫回？ 常采用“污染位”標(biāo)志。

5、即為Cache中的每一塊設(shè)置一個“污染位”（設(shè)在與該塊相應(yīng)的目錄表項(xiàng)中），用于指出該塊是“臟”的（被修改過）還是干凈的（沒被修改過）。替換時，若被替換的塊是干凈的，則不必寫回下一級存儲器，因?yàn)檫@時下一級存儲器中相應(yīng)塊的內(nèi)容與Cache中的一致。11. 當(dāng)發(fā)生Cache寫失效時，是否調(diào)入相應(yīng)的塊，有哪兩種選擇？（1）按寫分配法：寫失效時，先把所寫單元所在的塊調(diào)入Cache，然后再進(jìn)行寫入。這種方法也稱為寫時取方法。（2）不按寫分配法：寫失效時，直接寫入下一級存儲器而不將相應(yīng)的塊調(diào)入Cache。這種方法也稱為繞寫法。12. 按照Cache產(chǎn)生失效的原因不同，可以把失效分為哪三類？ 強(qiáng)制性失效、容量

6、失效、沖突失效。13. 3C失效與Cache的相聯(lián)度、容量有什么樣的關(guān)系？ 相聯(lián)度越高，沖突失效就越少。 強(qiáng)制性失效和容量失效不受相聯(lián)度的影響。 強(qiáng)制性失效不受Cache容量的影響，但容量失效卻隨著容量的增加而減少。 2:1的Cache經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：大小為N的直接映像Cache的失效率約等于大小為N/2的兩路組相聯(lián)Cache的失效率。14. 增加Cache塊大小一定會降低失效率嗎？不一定。對于給定的Cache容量，當(dāng)塊大小增加時，失效率開始是下降，后來反而上升了。主要因?yàn)樵黾訅K大小會產(chǎn)生雙重作用。一方面它減少了強(qiáng)制性失效；另一方面，可能會增加沖突失效。15偽相聯(lián)的基本思想是什么？采用這種方法時，在

7、命中情況下，訪問Cache的過程和直接映像Cache中的情況相同；而發(fā)生失效時，在訪問下一級存儲器之前，會先檢查Cache另一個位置（塊），看是否匹配。確定這個另一塊的一種簡單的方法是將索引字段的最高位取反，然后按照新索引去尋找偽相聯(lián)組中的對應(yīng)塊。如果這一塊的標(biāo)識匹配，則稱發(fā)生了偽命中。否則，就只好訪問下一級存儲器。16偽相聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是什么？偽相聯(lián)既能獲得多路組相聯(lián)Cache的低失效率又能保持直接映像Cache的命中速度。17. 降低Cache失效率有哪些方法？ 增加Cache塊大小、提高相聯(lián)度、增加Cache的容量、Victim Cache、偽相聯(lián)Cache、硬件預(yù)取技術(shù)、由編譯器控制的預(yù)取、

8、編譯器優(yōu)化。18. 減少Cache失效開銷有哪些方法？(1) 讓讀失效優(yōu)先于寫。 (2) 寫緩沖合并。(3) 請求字處理技術(shù)。 (4) 非阻塞Cache或非鎖定Cache技術(shù)。(5) 采用二級Cache。19. 減少Cache命中時間有哪些方法？容量小且結(jié)構(gòu)簡單的Cache、虛擬Cache 、Trace Cache、Cache訪問流水化。20. 請求字處理技術(shù)有哪兩種具體的實(shí)現(xiàn)方法？ 盡早重啟動： 在請求字沒有到達(dá)時，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 請求字優(yōu)先： 調(diào)塊時，首先向存儲器請求CPU所要的請求字。請求字一旦到達(dá)，就立刻送往C

9、PU，讓CPU繼續(xù)執(zhí)行，同時從存儲器調(diào)入該塊的其余部分。請求字優(yōu)先也稱為回繞讀取或關(guān)鍵字優(yōu)先。21.采用二級Cache的基本思想是什么？ 通過在原有Cache和存儲器之間增加另一級Cache，構(gòu)成兩級Cache。把第一級Cache做得足夠小，使其速度和快速CPU的時鐘周期相匹配，而把第二級Cache做得足夠大，使它能捕獲更多本來需要到主存去的訪問，從而降低實(shí)際失效開銷。22. 采用容量小且結(jié)構(gòu)簡單的Cache有什么好處？（1）可以有效地提高Cache的訪問速度。因?yàn)橛布胶唵?，速度就越快。小容量Cache可以實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)識檢測，對減少命中時間有益。（2）Cache足夠小，可以與處理器做在同一芯片

10、上，以避免因芯片外訪問而增加時間開銷。 （3）保持Cache結(jié)構(gòu)簡單可采用直接映像Cache。直接映像Cache的主要優(yōu)點(diǎn)是可以讓標(biāo)識檢測和數(shù)據(jù)傳送重疊進(jìn)行，這樣可以有效地減少命中時間。23. “虛擬索引物理標(biāo)識” Cache的基本思想是什么？ 直接用虛地址中的頁內(nèi)位移（頁內(nèi)位移在虛實(shí)地址的轉(zhuǎn)換中保持不變）作為訪問Cache的索引，但標(biāo)識卻是物理地址。CPU發(fā)出訪存請求后，在進(jìn)行虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換的同時，可并行進(jìn)行標(biāo)識的讀取。在完成地址變換之后，再把得到的物理地址與標(biāo)識進(jìn)行比較。24.可采用什么方法提高存儲器帶寬？（1）增加存儲器的寬度。（2） 采用簡單的多體交叉存儲器。（3）獨(dú)立存儲體。（4）避免存儲體沖突。25.增加存儲器的寬度有什么不足之處？ （1）它會增加CPU和存儲器之間的連接通路(通常稱為存儲器總線)的寬度，使其實(shí)現(xiàn)代價提高。（2）由于CPU訪問Cache仍然是每次訪問一個字，所以CPU和Cache之間需要有一個多路選擇器，而且這個多路選擇器可能會處在關(guān)健路徑上。主存寬度增加后，用戶擴(kuò)充主存時的最小增量也增加了相應(yīng)的倍數(shù)。在具有糾錯功能的存儲器中實(shí)現(xiàn)對一行(一次可并行讀出的數(shù)據(jù))中部分?jǐn)?shù)據(jù)的寫入比較復(fù)雜。26.簡述DRAM專用交叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化的三種方式