CPU访问内存的过程

CPU访存流程图

例题

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例题1：某机器M上有如下循环代码段：P: for(i=0; i<N; i++) sum += A[i]; 假设编译时变量sum和i分别分配在寄存器R1和R2中，常量N在寄存器R6中，数组A的首地址在寄存器R3中，程序段P起始地址为08048100H，对应的汇编代码和机器代码如图所示：

编号	地址	机器代码	汇编代码	注释
1	08048100H	00022080H	Loop:shl R4;R2,2	(R2<<2)→R4
2	08048104H	00083020H	Add R4;R4,R3	(R4)+(R3)→R4
3	08048108H	8C850000H	Load R5;0 (R4)	((R4)+0)→R5
4	0804810CH	00250820H	Add R1;R1,R5	(R1)+(R5)→R1
5	08048110H	2042000H	Addi R2;R2,1	(R2)+1→R2
6	08048114H	1446FFECH	Bne R2;R6,loop	If(R2)!=(R6)go to loop

假设M采用页式虚拟存储管理。P开始执行时，（R1）=（R2）=0，（R6）=1000，其机器代码已调入主存，但不在Cache中；数组A未调入主存，其所有数组元素在同一页，并存储在磁盘同一地区。请回答下列问题，并说明理由。
（1） M的存储器编址单位是什么？
（2）M的指令Cache和数据Cache分离，若指令Cache共有16行，Cache和主存交换的块大小为32字节，则其数据区的容量是多少？若仅考虑程序段P的执行，则指令Cache的命中率为多少？
（3）P在执行过程中，哪条指令的执行可能产生缺页异常？对于数组A的访问，需要读磁和TLB至少各多少次？

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解析
（1） 答案：M的存储器编址单位是字节
机器代码 由 8个十六进制数组成 ⇒ 一条机器代码占 8 × 4 = 32 bit
两个相邻的的地址差值 = 4 ⇒ 32bit ÷ 4 = 8 bit ⇒ 8 bit = 1B ⇒ 一个地址指向的空间存放一个字节 ⇒ M的存储器编址单位是字节

（2）答案：数据区的容量= 2 7 2^7 27B；指令 Cache 的命中率=5999/6000
指令Cache共有16行，块大小为32字节 ⇒ 数据区容量 = 16 × 32B = 2 7 2^7 27B
N = 1000，共有6条的代码 ⇒ 共需要运行6000条代码
由题干知：机器代码已调入主存，但不在 Cache 中 ⇒ 首次访问指令 Cache 时，未命中
由（1）知：一条机器代码占32bit(4字节)，共6条指令 ⇒ 整个指令占 4 × 6 = 24 字节
Cache 块大小为 32字节 ⇒ 32字节 > 24字节 ⇒ 只需要调入Cache一次
指令 Cache 的命中率 = (6000-1)/6000= 5999/6000

（3）答案：可能产生缺页异常的指令：指令3：Load R5;0 (R4)
由题干知：机器代码调入主存，数组未调入主存；只有当主存中没有，需要去磁盘中读写时才会发生缺页异常 ⇒ 只有在读取数组时才可能发生缺页异常 ⇒ 指令3：Load R5;0 (R4)
由于数组未调入主存 ⇒ 第一次访问数组需要访问磁盘

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例题2：某计算机存储器按字节编址，虚拟（逻辑）地址空间大小为16MB，主存（物理）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行;主存与Cache之间交换的块大小为32B。系统运行到某一时刻时，页表的部分内容和Cache的部分内容分别如图a、图b所示，图中页框号及标记字段的内容为十六进制形式。

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。
（3）虚拟地址001C60H 所在的页面是否在主存中?若在主存中，则该虚拟地址对应的物理地址是什么?访问该地址时是否Cache命中?要求说明理由。
（4）假定为该机配置一个4路组相联的TLB，该TLB共可存放8个页表项，若其当前内容（十六进制）如图c所示，则此时虚拟地址024BACH 所在的页面是否在主存中?要求说明理由。

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解析

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