计算机系统组成 习题
Cache原理
- 目的：为了解决CPU与主存速度不匹配的问题
- 逻辑位置：在CPU与主存之间设置的一个高速度小容量存储器
- 工作基础：程序访问的局部性原理 单位时间片内，处理器对存储器的访问总是局限在整个存储器的一小部分中。它包含3个方面的含义：时间局部性，最近访问的地址将会被再次访问（替换算法）；空间局部性，最近访问的地址附近的地址很可能在将来被访问（一次调入多于需要数据）；指令执行顺序方面：指令顺序执行比转移执行的可能性要大
- 工作原理：在Cache存储系统中，把Cache和主存分别分块，块尺寸相同，数目不同。高速缓存中保存读取频度最高的主存内容。CPU访存时，先在Cache中查找，若命中则使用该值不再访问主存，只有未命中时才访问主存，同时把包括被访问地址在内的一（整）块数据装入Cache以备使用。只要Cache有足够内容，就可极大降低平均访问时间。
- 性能：命中率、平均存取时间、访问效率、加速比
- Cache-主存映射方式
- 直接映射：主存的块以Cache块数为模映射到Cache的固定位置。因此主存地址格式为区号+块号+块内地址。优点：标志位较短，访问Cache时仅需比较一次，比较电路成本低。缺点：易产生冲突，利用率和命中率低。
- 全相联映射：主存中的一个块能够映射到Cache中任意一块的位置。优点：利用率高，存取灵活，不易冲突。缺点：标志位较长，比较电路复杂，使用成本太高。
- 组相联映射：每个主存块可以映射到Cache的固定组的任意位置。1）主存按Cache大小分区；主存和Cache区内分组；组内分块。主存的组到Cache组之间采用直接映射，对应组内各块之间采用全相联映射。（用得少）2）主存按Cache组数分区，每个区的块与Cache的对应组直接映射，组内相联映射。即，主存的块以Cache组数为模映射到Cache的固定组的任意块。
第二章小测
1、对于有6个子过程，时钟周期为4ns的指令流水线，则其指令时延和处理器带宽是（C）
A.24ns，0.25MIPS B.24ns，25MIPS
C.24ns，250MIPS D.12ns，250MIPS
2、机器字长32位，其存储容量为4MB，若按字编址，它的寻址范围及需要的地址位数是（A）
A.0——1MW-1,20位 B.0——1MB-1,20位
C.0——4MW-1,22位 D.0——4MB-1,21位
3.CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为1900次，主存完成存取的次数为100次，则cache的命中率是（D）
A.92% B.85% C. D.95%
4.一个组相联映射cache由32块组成，每组4块，主存包含2048块，每块32个字节。主存地址中标志、组号和块内地址的位数分别是（）
A.8,3,5 B.7,4,5 C.9,2,5 D.8,4,4
5.一个彩色显示器的分辨率为1024*1024，如需显示一全屏、真彩色的图像及全动画图像（每秒至少显示25帧），视频RAM和总的数据传输率需要（）
A.1MB，75MB/s B.2MB，75MB/s C.3MB，75MB/s D.24MB，600MB/s
6.波特率B和位率的关系式（）（K为相位的编码数）
A.位率=B B.位率与B无关 C.B=K位率 D.位率=KB
7.假设某指令流水线分为取指（IF）、指令译码（ID）、取操作数（FO）、执行（EX）和存结果（WB）五个子过程，现共有7条指令连续输入流水线
1）假设时钟周期为100ns，求流水线的实际吞吐率（单位时间执行完毕的指令数）
2）该流水线的加速比是多少？
8.由于电源线的尖峰电压干扰，4个数据位加3个校验位的汉（海）明码变成1101011，给出出错位（采用偶校验）和被校验的数据位
9.如果cache的访问时间是50ns，主存的访问时间是200ns，平均访问时间是90ns，请问cache的命中率是多少？
10.某磁盘由4片盘组成，每个记录面共有1024个磁道，每个磁道有64个扇区，每个扇区512字节，磁盘转速6000转/分，平均寻道时间12ms，计算磁盘容量、数据传输率（每秒字节数）及读写一个扇区的平均访问时间
11.某计算机存储器按字节编址，虚拟地址空间大小为16MB，主存地址空间大小为1MB，页面大小为4KB，cache采用直接映射方式，共8块，主存与cache之间交换的块大小为32B。问虚拟地址共有几位？哪几位表示表示虚页号？物理地址共有几位？哪几位表示表示物理页号？
使用物理地址访问cache时，物理地址应分为哪几个字段？并给出各字段的位数及位置。
12.某计算机存储器按字节编址，虚拟(逻辑)地址空间大小为16 MB，主存(物理)地址空间大小为1 MB，页面大小为4 KB;Cache采用直接映射方式，共8行;主存与Cache之间交换的块大小为32 B。系统运行到某一时刻时，页表的部分内容和Cache的部分内容分别如题44-a图、题44-b图所示，图中页框号及标记字段的内容为十六进制形式。
虚页号有效位页框号… 行号有效位标记…
0106… 01020…
1104… 10-…
2115… 2101D…
3102… 31105…
40-… 41064…
512B… 5114D…
60–… 60-…
7132… 7127A…
请回答下列问题。
(1)虚拟地址共有几位，哪几位表示虚页号?物理地址共有几位，哪几位表示页框号(物理页号)?
(2)使用物理地址访问Cache时，物理地址应划分成哪几个字段?要求说明每个字段的位数及在物理地址中的位置。
(1)由于虚拟地址空间大小为16MB，且按字节编址，所以虚拟地址共有24位(224=16M)。由于页面大小为4KB(212=4K)，所以虚页号为前12位。由于主存(物理)地址空间大小为1MB，所以物理地址共有20位(220=1M)。由于页内地址12位，所以20-12=8，即前8位为页框号。
(2)由于Cache采用直接映射方式，所以物理地址应划分成3个字段，如下：
12位 3位 5位
主存字块标记Cache字块标记字块内地址
分析：由于块大小为32B，所以字块内地址占5位。Cache共8行，故字块标记占3位，所以主存字块标记占20-5-3=12位。
（来源：Tianjin University 2015 侵删）