计算机体系结构课后习题课后答案.pdf

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1、第 4 章 指 令 级 并 行 4.1解 释 下 列 术 语 指 令 级 并 行：简 称 ILP。是 指 指 令 之 间 存 在 的 一 种 并 行 性，利 用 它，计 算 机 可 以 并 行 执 行 两 条 或 两 条 以 上 的 指 令。指 令 调 度：通 过 在 编 译 时 让 编 译 器 重 新 组 织 指 令 顺 序 或 通 过 硬 件 在 执 行 时 调 整 指 令 顺 序 来 消 除 冲 突。指 令 的 动 态 调 度：是 指 在 保 持 数 据 流 和 异 常 行 为 的 情 况 下，通 过 硬 件 对 指 令 执 行 顺 序 进 行 重 新 安 排，以 提 高 流 水 线 的

2、 利 用 率 且 减 少 停 顿 现 象。是 由 硬 件 在 程 序 实 际 运 行 时 实 施 的。指 令 的 静 态 调 度：是 指 依 靠 编 译 器 对 代 码 进 行 静 态 调 度，以 减 少 相 关 和 冲 突。它 不 是 在 程 序 执 行 的 过 程 中、而 是 在 编 译 期 间 进 行 代 码 调 度 和 优 化 的。保 留 站：在 采 用 Tomasulo算 法 的 M IPS处 理 器 浮 点 部 件 中，在 运 算 部 件 的 入 口 设 置 的 用 来 保 存 一 条 已 经 流 出 并 等 待 到 本 功 能 部 件 执 行 的 指 令（相 关 信 息）。CDB

3、：公 共 数 据 总 线。动 态 分 支 预 测 技 术：是 用 硬 件 动 态 地 进 行 分 支 处 理 的 方 法。在 程 序 运 行 时，根 据 分 支 指 令 过 去 的 表 现 来 预 测 其 将 来 的 行 为。如 果 分 支 行 为 发 生 了 变 化，预 测 结 果 也 跟 着 改 变。BHT：分 支 历 史 表。用 来 记 录 相 关 分 支 指 令 最 近 一 次 或 几 次 的 执 行 情 况 是 成 功 还 是 失 败，并 据 此 进 行 预 测。分 支 目 标 缓 冲：是 一 种 动 态 分 支 预 测 技 术。将 执 行 过 的 成 功 分 支 指 令 的 地 址

4、 以 及 预 测 的 分 支 目 标 地 址 记 录 在 一 张 硬 件 表 中。在 每 次 取 指 令 的 同 时，用 该 指 令 的 地 址 与 表 中 所 有 项 目 的 相 应 字 段 进 行 比 较，以 便 尽 早 知 道 分 支 是 否 成 功，尽 早 知 道 分 支 目 标 地 址，达 到 减 少 分 支 开 销 的 目 的。前 瞻 执 行：解 决 控 制 相 关 的 方 法，它 对 分 支 指 令 的 结 果 进 行 猜 测，然 后 按 这 个 猜 测 结 果 继 续 取 指、流 出 和 执 行 后 续 的 指 令。只 是 指 令 执 行 的 结 果 不 是 写 回 到 寄 存

5、 器 或 存 储 器，而 是 放 到 一 个 称 为 R O B的 缓 冲 器 中。等 到 相 应 的 指 令 得 到“确 认”（即 确 实 是 应 该 执 行 的）后，才 将 结 果 写 入 寄 存 器 或 存 储 器。ROB：ReOrder Buffer。前 瞻 执 行 缓 冲 器。超 标 量：一 种 多 指 令 流 出 技 术。它 在 每 个 时 钟 周 期 流 出 的 指 令 条 数 不 固 定，依 代 码 的 具 体 情 况 而 定，但 有 个 上 限。超 流 水：在 一 个 时 钟 周 期 内 分 时 流 出 多 条 指 令。超 长 指 令 字：一 种 多 指 令 流 出 技 术。

6、VLIW处 理 机 在 每 个 时 钟 周 期 流 出 的 指 令 条 数 是 固 定 的,这 些 指 令 构 成 一 条 长 指 令 或 者 一 个 指 令 包，在 这 个 指 令 包 中，指 令 之 间 的 并 行 性 是 通 过 指 令 显 式 地 表 示 出 来 的。循 环 展 开：是 一 种 增 加 指 令 间 并 行 性 最 简 单 和 最 常 用 的 方 法。它 将 循 环 展 开 若 干 遍 后，通 过 重 命 名 和 指 令 调 度 来 开 发 更 多 的 并 行 性。4.2 简 述 Tomasulo算 法 的 基 本 思 想。答：核 心 思 想 是：记 录 和 检 测 指

7、令 相 关，操 作 数 一 旦 就 绪 就 立 即 执 行，把 发 生 RAW冲 突 的 可 能 性 减 小 到 最 少；通 过 寄 存 器 换 名 来 消 除 W AR冲 突 和 WAW冲 突。寄 存 器 换 名 是 通 过 保 留 站 来 实 现，它 保 存 等 待 流 出 和 正 在 流 出 指 令 所 需 要 的 操 作 数。基 本 思 想：只 要 操 作 数 有 效，就 将 其 取 到 保 留 站，避 免 指 令 流 出 时 才 到 寄 存 器 中 取 数 据,这 就 使 得 即 将 执 行 的 指 令 从 相 应 的 保 留 站 中 取 得 操 作 数，而 不 是 从 寄 存 器

8、中。指 令 的 执 行 结 果 也 是 直 接 送 到 等 待 数 据 的 其 它 保 留 站 中 去。因 而，对 于 连 续 的 寄 存 器 写，只 有 最 后 一 个 才 真 正 更 新 寄 存 器 中 的 内 容。一 条 指 令 流 出 时，存 放 操 作 数 的 寄 存 器 名 被 换 成 为 对 应 于 该 寄 存 器 保 留 站 的 名 称（编 号）。4.3 根 据 需 要 展 开 下 面 的 循 环 并 进 行 指 令 调 度，直 到 没 有 任 何 延 迟。指 令 的 延 迟 如 表 4.4。LOOP:L.DFO,O(R1)MUL.D F0,F0,F2L.D F4,0(R2)A

9、DD.D F0,F0,F4S.D F0,0(R2)DSUBI RI,RI,#8DSUBI R2,R2,#8BNEZ RI,LOOP解：将 循 环 展 开 两 次，进 行 指 令 调 度，即 可 以 消 除 延 迟，代 码 如 下 LOOP：L.D F0,0(R I)L.D F10,-8(R I)MUL.D F0,F0,F2MUL.D F10,F10,F2L.D F4,0(R2)L.D F14,-8(R2)ADD.D F0,F0,F4ADD.D F10,F10,F14DSUBI RI,R I,16S.D 0(R2),F0DSUBI R2,R2,16BNEZ RI,LOOPS.D 8(R2),F1

10、04.4 假 设 有 一 条 长 流 水 线，仅 仅 对 条 件 转 移 指 令 使 用 分 支 目 标 缓 冲。假 设 分 支 预 测 错 误 的 开 销 为 4 个 时 钟 周 期，缓 冲 不 命 中 的 开 销 为 3 个 时 钟 周 期。假 设：命 中 率 为 9 0%,预 测 精 度 为 9 0%,分 支 频 率 为 1 5%,没 有 分 支 的 基 本 C P I为 1。(I)求 程 序 执 行 的 CPI。(2)相 对 于 采 用 固 定 的 2 个 时 钟 周 期 延 迟 的 分 支 处 理,哪 种 方 法 程 序 执 行 速 度 更 快？解：(1)程 序 执 行 的 C P

11、I=没 有 分 支 的 基 本 CPI(1)+分 支 带 来 的 额 外 开 销 分 支 带 来 的 额 外 开 销 是 指 在 分 支 指 令 中，缓 冲 命 中 但 预 测 错 误 带 来 的 开 销 与 缓 冲 没 有 命 中 带 来 的 开 销 之 和。分 支 带 来 的 额 外 开 销=15%*(90%命 中 X 10%预 测 错 误 义 4+10%没 命 中 X 3)=0.099所 以，程 序 执 行 的 CPI=1+0.099=1.099(2)采 用 固 定 的 2 个 时 钟 周 期 延 迟 的 分 支 处 理 CPI=1+15%X2=1.3由(1)(2)可 知 分 支 目 标

12、 缓 冲 方 法 执 行 速 度 快。4.5 假 设 分 支 目 标 缓 冲 的 命 中 率 为 9 0%,程 序 中 无 条 件 转 移 指 令 的 比 例 为 5%,没 有 无 条 件 转 移 指 令 的 程 序 C P I值 为 1。假 设 分 支 目 标 缓 冲 中 包 含 分 支 目 标 指 令，允 许 无 条 件 转 移 指 令 进 入 分 支 目 标 缓 冲，则 程 序 的 C P I值 为 多 少？解：设 每 条 无 条 件 转 移 指 令 的 延 迟 为 X,则 有：l+5%X x=l.lx=2当 分 支 目 标 缓 冲 命 中 时，无 条 件 转 移 指 令 的 延 迟 为

13、 0。所 以 程 序 的 CPI=1+2 X 5%x(l-9 0%)=1.014.6 下 面 的 一 段 M IPS汇 编 程 序 是 计 算 高 斯 消 去 法 中 的 关 键 一 步，用 于 完 成 下 面 公 式 的 计 算：Y=a x X+Y其 浮 点 指 令 延 迟 如 表 4.3所 示，整 数 指 令 均 为 1个 时 钟 周 期 完 成，浮 点 和 整 数 部 件 均 采 用 流 水。整 数 操 作 之 间 以 及 与 其 它 所 有 浮 点 操 作 之 间 的 延 迟 为 0,转 移 指 令 的 延 迟 为 0。X中 的 最 后 一 个 元 素 存 放 在 存 储 器 中 的

14、地 址 为 DONE。FOO:L.D F2,O(R1)MUT.D F4,F2,F0L.D F6,0(R2)ADD.D F6,F4,F6S.D F6,0R2DADDIU RI,RI,#8DADDIU R2,R2,#8DSUBIU R3,R1,#DONEBNEZ R3,FOO(1)对 于 标 准 的 M IPS单 流 水 线，上 述 循 环 计 算 一 个 Y 值 需 要 多 少 时 间？其 中 有 多 少 空 转 周 期？(2)对 于 标 准 的 M IP S单 流 水 线，将 上 述 循 环 顺 序 展 开 4 次，不 进 行 任 何 指 令 调 度，计 算 一 个 Y 值 平 均 需 要 多

15、 少 时 间？加 速 比 是 多 少？其 加 速 是 如 何 获 得 的？(3)对 于 标 准 的 M IP S单 流 水 线，将 上 述 循 环 顺 序 展 开 4 次，优 化 和 调 度 指 令，使 循 环 处 理 时 间 达 到 最 优，计 算 一 个 Y 值 平 均 需 要 多 少 时 间？加 速 比 是 多 少？(4)对 于 采 用 如 图 4.8前 瞻 执 行 机 制 的 M IPS处 理 器(只 有 一 个 整 数 部 件)。当 循 环 第 二 次 执 行 到 BNEZ R3.FOO时，写 出 前 面 所 有 指 令 的 状 态，包 括 指 令 使 用 的 保 留 站、指 令 起

16、 始 节 拍、执 行 节 拍 和写 结 果 节 拍，并 写 出 处 理 器 当 前 的 状 态。(5)对 于 2 路 超 标 量 的 M IPS流 水 线，设 有 两 个 指 令 流 出 部 件，可 以 流 出 任 意 组 合 的 指 令,系 统 中 的 功 能 部 件 数 量 不 受 限 制。将 上 述 循 环 展 开 4 次，优 化 和 调 度 指 令，使 循 环 处 理 时 间 达 到 最 优。计 算 一 个 Y 值 平 均 需 要 多 少 时 间？加 速 比 是 多 少？(6)对 于 如 图 4.13结 构 的 超 长 指 令 字 M IPS处 理 器，将 上 述 循 环 展 开 4

17、次，优 化 和 调 度 指 令，使 循 环 处 理 时 间 达 到 最 优。计 算 一 个 Y 值 平 均 需 要 多 少 时 间？加 速 比 是 多 少？解：(1)L.D F2,O(R1)1StallMUT.D F4,F2,F0 2L.D F6,0(R2)3StallStallADD.D F6,F4,F6 4StallStallS.D F6,0R2 5DADDIU R I,R I,#8 6DADDIU R2,R2,#8 7DSUBIU R3,R1,#DONE 8BNEZ R3,FOO 9所 以，共 有 1 4个 时 钟 周 期，其 中 有 5 个 空 转 周 期。(2)循 环 顺 序 展 开

18、 4 次，不 进 行 任 何 指 令 调 度，则 指 令 1 5 及 其 间 的 s ta ll都 是 必 要 的，只 是 指 令 6 9 只 需 执 行 一 次，因 此，共 有 10 X 4+4=4 4 个 时 钟 周 期，计 算 出 4 个 Y 值，所 以 计 算 一 个 Y 值 需 要 1 1个 时 钟 周 期，加 速 比 为：14/11=1.2 7。加 速 主 要 是 来 自 减 少 控 制 开 销，即 减 少 对 R I、R 2 的 整 数 操 作 以 及 比 较、分 支 指 令 而 来 的。(3)循 环 顺 序 展 开 4 次，优 化 和 调 度 指 令，如 下：L.D F2,O(

19、R1)L.D F8,8(R1)L.D F14,16(R1)L.D F20,24(R1)MUT.D F4,F2,F0MUT.D F10,F8,F0MUT.D F16,F14,F0MUT.D F22,F20,F0L.D F6,0(R2)L.D F12,8(R2)L.D F18,16(R2)L.D F24,24(R2)ADD.D F6,F4,F6ADD.D F12,F10,F12ADD.D F18,F16,F18ADD.D F24,F22,F24S.D F6,0R2S.D F12,8R2S.D Fl 8,16R2S.D F24,24R2DADDIU R1,R1,#32DADDIU R2,R2,#32

20、DSUBIU R3,R1,#DONEBNEZ R3,FOO共 用 了 2 4 个 时 钟 周 期，则 计 算 一 个 Y 值 平 均 需 要 24/4=6 个 时 钟 周 期,加 速 比：14/6=2.33(4)指 令 指 令 执 行 时 钟 流 出 执 行 写 结 果 确 认 L.D F2,0(R I)1 2 3 4MUL.D F4,F2,FO 2 4 5 6L.D F6,0(R2)3 4 6 7ADD.D F6,F4,F6 4 8 9 10S.D F6,0(R2)5 1 1 12 13DADDIU R I,R I,#8 6 7 8DADDIU R2,R2,#8 7 8 9DSUBIU R3

21、,R1,#DONE 8 9 10BNEZ R3,FOO 9 10L.D F2,0(R I)10 11 13 14MUL.D F4,F2,FO 11 13 14 15L.D F6,0(R2)12 13 15 16ADD.D F6,F4,F6 13 17 18 19S.D F6,0(R2)14 20 21 22DADDIU R I,R I,#8 15 16 17DADDIU R2,R2,#8 16 17 18DSUBIU R3,R1,#DONE 17 18 19BNEZ R3,FOO 18名 称 保 留 站 BusyOp VjVkQ iQk Dest AAddl yes ADD.D RcgsF4

22、RegsF6 Add2 noAdd3 noMulti yesMult2 no项 号 ROBBusy 指 令 状 态 目 的 ValueROBBusy 指 令 状 态 目 的 Value1 yes ADD.D F6,F4,F6 执 行 F6 RegsF4+RegsF62 yes S.D F6,0(R2)流 出 Mem0+RegsR2#2(5)字 段 浮 点 寄 存 器 状 态 FO F2 F4 F6 F8 F10 F30RO B项 编 号 1Busy yes整 数 指 令 浮 点 指 令 时 钟 周 期 数 L.D F2,O(R1)1L.D F8,8(R1)2L.D F14,16(R1)MUT.

23、D F4,F2,FO 3L.D F20,24(R1)MUT.D F10,F8,F0 4L.D F6,0(R2)MUT.D F16,F14,F0 5L.D Fl 2,8(R2)MUT.D F22,F20,FO 6L.D F18,16(R2)ADD.D F6,F4,F6 7L.D F24,24(R2)ADD.D F12,F10,F12 8DADDIUR1,RL#32 ADD.D F18,F16,F18 9S.D F6,0(R2)ADD.D F24,F22,F24 10S.D Fl 2,8(R2)11S.D F18,16(R2)12S.D F24,24(R2)13DADDIU R2,R2,#32 1

24、4DSUBIU R3,R1,#DONE 15BNEZ R3,FOO 16计 算 一 个 Y 值 需 要 16/4=4 个 时 钟 周 期，加 速 比=14/4=3.5(6)访 存 1 访 存 2 浮 点 指 令 1 浮 点 指 令 2 整 数 指 令 时 钟 周 期 L.DF2,0(R1)L.D F8,8(R1)1L.DF14,16(R1)L.DF20,24(R1)L.DF6,0(R2)L.DF12,8(R2)MUT.DF4,F2,FOMUT.DFIO,F8,FO3L.DF18,16(R2)L.DF24,24(R2)MUT.DF16,F14,FOMUT.DF22,F20,FO4ADD.DF6,

25、F4,F6ADD.DF12,F10,F125ADD.DF18,F16,F18ADD.DF24,F22,F24DADDIU RI,RI,#326DADDIU R2,R2,#32 7DSUBIUR3,RI,8计 算 一 个 Y 值 需 要 1 1/4个 时 钟 周 期,加 速 比=14/（11/4）=56/11#DONEBNEZ R3,FOO 9S.DF6,-32(R2)S.DF12,-24(R2)10S.DF18,-16(R2)S.DF24,-8(R2)114.7 对 于 两 路 超 标 量 处 理 器，从 存 储 器 取 数 据 有 两 拍 附 加 延 迟，其 它 操 作 均 有 1拍 附 加

26、 延 迟，对 于 下 列 代 码，请 按 要 求 进 行 指 令 调 度。LW R4,(R5)LW R7,(R8)DADD R9,R4,R7LD R10,(Rll)DMUL R12,R13,R14DSUB R2,R3,R1SW R15,(R2)DMUL R21,R4,R7SW R23,(R22)SW R21,(R24)（1）假 设 两 路 功 能 部 件 中 同 时 最 多 只 有 一 路 可 以 是 访 问 存 储 器 的 操 作，同 时 也 最 多 只 有 一 路 可 以 是 运 算 操 作，指 令 顺 序 不 变。（2）假 设 两 路 功 能 部 件 均 可 以 执 行 任 何 操 作，

27、指 令 顺 序 不 变。（3）假 设 指 令 窗 口 足 够 大，指 令 可 以 乱 序（out-of-order）流 出，两 路 功 能 部 件 均 可 以 执 行 任 何 操 作。解：第 一 路 第 二 路 LW R4,(R5)LW R7,(R8)DADD R9,R4,R7 LD R10JR11)DMUL R12,R13,R14DSUB R2,R3,RI SW RI5,(R2)DMUL R21,R4,R7 SW R23,(R22)SW R21,(R24)(2)第 一 路 第 二 路 LW R4,(R5)LW R7,(R8)DADD R9,R4,R7 LD RI0JR11)DMUL R12,

28、R13,R14 DSUB R2,R3,RI(3)SW R15,(R2)DMUL R21,R4,R7SW R23,(R22)SW R21JR24)第 一 路 第 二 路 LW R4,(R5)LW R7,(R8)DSUB R2,R3,RI LD RIO,(R1I)SW R23,(R22)DMUL R12,R13,R14DADD R9,R4,R7 DMUL R21,R4,R7SW RI 5,(R2)SW R21JR24)4.8 对 于 例 4.5,在 相 同 的 条 件 下，如 果 展 开 7 遍 循 环，求:(1)每 遍 循 环 的 平 均 时 钟 周 期；(2)每 个 时 钟 周 期 流 出 指

29、 令 数；(3)操 作 槽(功 能 部 件)的 使 用 效 率；(4)如 果 展 开 10遍，会 出 现 哪 些 问 题？解：展 开 7 遍 循 环 访 存 指 令 1 访 存 指 令 2 浮 点 指 令 1 浮 点 指 令 2 整 数/转 移 指 令 L.D F0,0(R I)L.DF6.-8(R I)L.D Fl0,-16(R I)L.DFI4,-24(R I)L.D F l8,-32(R I)L.DF22,-40(R I)ADD.D F4,F0,F2 ADD.D F8,F6,F2L.D F26,-48(R I)ADD.DF12,F10,F2 ADD.D F16,F14,F2ADD.D F

30、20,F18,F2 ADD.D F24,F22,F2S.D F4,0(R I)S.DF8,-8(R I)ADD.D F28,F26,F2S.D F12,-16(R I)S.DF l6-24(R I)S.D F20,-32(R I)S.DF24,-40(R I)DADD1U RI,RI,#-56S.D F28,8(R I)BNE R1,Loop这 段 程 序 的 运 行 时 间 为 9 个 时 钟 周 期，每 遍 循 环 平 均 约 1.28个 时 钟 周 期。9 个 时 钟 周 期 内 流 出 了 2 3条 指 令，每 个 时 钟 周 期 2.5 5条。9 个 时 钟 周 期 共 有 操 作

31、槽 9x5=45个，有 效 槽 的 比 例 为 51.1%。4.9 设 指 令 流 水 线 由 取 指 令、分 析 指 令 和 执 行 指 令 3 个 部 件 构 成，每 个 部 件 经 过 的 时 间 为 口 连 续 流 入 12条 指 令。分 别 画 出 标 量 流 水 处 理 机 以 及 IL P均 为 4 的 超 标 量 处 理 机、超 长 指 令 字 处 理 机、超 流 水 处 理 机 的 时 空 图，并 分 别 计 算 它 们 相 对 于 标 量 流 水 处 理 机 的 加 速 比。解：标 量 流 水 处 理 机 的 时 空 图：执 行 完 12条 指 令 需 Ti=14ZXt。超

32、 标 量 流 水 处 理 机 与 超 长 指 令 字 处 理 机 的 时 空 图:5 时 间 超 标 量 处 理 机 时 空 图 5 时 间 超 长 指 令 字 处 理 机 时 空 图 超 标 量 流 水 处 理 机 中，每 一 个 时 钟 周 期 同 时 启 动 4 条 指 令。执 行 完 12条 指 令 需 T2=5 t,相 对 于 标 量 流 水 处 理 机 的 加 速 比 为：g=互 3=2.8超 长 指 令 字 处 理 机 中，每 4 条 指 令 组 成 一 条 长 指 令，共 形 成 3 条 长 指 令。执 行 完 12条 指 令 需 T3=5 A t,相 对 于 标 量 流 水

33、处 理 机 的 加 速 比 为：治=人=咄=2.8Q 5%超 流 水 处 理 机 的 时 空 图:超 流 水 处 理 机 中，每 1/4个 时 钟 周 期 启 动 一 条 指 令。执 行 完 1 2条 指 令 需 T 4=5.75t,相 对 于 标 量 流 水 处 理 机 的 加 速 比 为：$4T 14ArT4-5.75A/=2.435第 5 章 存 储 层 次 5.1解 释 下 列 术 语 多 级 存 储 层 次：采 用 不 同 的 技 术 实 现 的 存 储 器，处 在 离 C P U不 同 距 离 的 层 次 上，各 存 储 器 之 间 一 般 满 足 包 容 关 系，即 任 何 一

34、层 存 储 器 中 的 内 容 都 是 其 下 一 层（离 C P U更 远 的 一 层）存 储 器 中 内 容 的 子 集。目 标 是 达 到 离 C PU最 近 的 存 储 器 的 速 度，最 远 的 存 储 器 的 容 量。全 相 联 映 象：主 存 中 的 任 一 块 可 以 被 放 置 到 C ache中 任 意 一 个 地 方。直 接 映 象：主 存 中 的 每 一 块 只 能 被 放 置 到 Cache中 唯 一 的 一 个 地 方。组 相 联 映 象：主 存 中 的 每 一 块 可 以 放 置 到 Cache中 唯 一 的 一 组 中 任 何 一 个 地 方（Cache分 成

35、若 干 组，每 组 由 若 干 块 构 成）。替 换 算 法：由 于 主 存 中 的 块 比 C ache中 的 块 多，所 以 当 要 从 主 存 中 调 一 个 块 到 C ache中 时，会 出 现 该 块 所 映 象 到 的 一 组（或 一 个）Cache块 已 全 部 被 占 用 的 情 况。这 时，需 要 被 迫 腾 出 其 中 的 某 一 块，以 接 纳 新 调 入 的 块。LRU：选 择 最 近 最 少 被 访 问 的 块 作 为 被 替 换 的 块。实 际 实 现 都 是 选 择 最 久 没 有 被 访 问 的 块 作 为 被 替 换 的 块。写 直 达 法：在 执 行 写

36、操 作 时，不 仅 把 信 息 写 入 C ache中 相 应 的 块，而 且 也 写 入 下 一 级 存 储 器 中 相 应 的 块。写 回 法：只 把 信 息 写 入 C ache中 相 应 块，该 块 只 有 被 替 换 时，才 被 写 回 主 存。按 写 分 配 法：写 失 效 时，先 把 所 写 单 元 所 在 的 块 调 入 C a c h e,然 后 再 进 行 写 入。不 按 写 分 配 法：写 失 效 时，直 接 写 入 下 一 级 存 储 器 中，而 不 把 相 应 的 块 调 入 Cache。命 中 时 间：访 问 Cache命 中 时 所 用 的 时 间。失 效 率：C

37、 PU访 存 时，在 一 级 存 储 器 中 找 不 到 所 需 信 息 的 概 率。失 效 开 销：C P U向 二 级 存 储 器 发 出 访 问 请 求 到 把 这 个 数 据 调 入 一 级 存 储 器 所 需 的 时 间。强 制 性 失 效:当 第 一 次 访 问 一 个 块 时，该 块 不 在 Cache中，需 要 从 下 一 级 存 储 器 中 调 入 Cache,这 就 是 强 制 性 失 效。容 量 失 效：如 果 程 序 在 执 行 时，所 需 要 的 块 不 能 全 部 调 入 C ache中，则 当 某 些 块 被 替 换 后 又 重 新 被 访 问，就 会 产 生 失

38、 效，这 种 失 效 就 称 作 容 量 失 效.冲 突 失 效：在 组 相 联 或 直 接 映 象 C ache中，若 太 多 的 块 映 象 到 同 一 组（块）中，则 会 出 现 该 组 中 某 个 块 被 别 的 块 替 换（即 使 别 的 组 或 块 有 空 闲 位 置），然 后 又 被 重 新 访 问 的 情 况。2：1 Cache经 验 规 则：大 小 为 N 的 直 接 映 象 C ache的 失 效 率 约 等 于 大 小 为 N/2 的 两 路 组 相 联 Cache的 实 效 率。相 联 度：在 组 相 联 中，每 组 Cache中 的 块 数。Victim Cache：

39、位 于 Cache和 存 储 器 之 间 的 又 一 级 C a c h e,容 量 小，采 用 全 相 联 策 略。用 于 存 放 由 于 失 效 而 被 丢 弃（替 换）的 那 些 块。每 当 失 效 发 生 时，在 访 问 下 一 级 存 储 器 之 前，先 检 查 Victim C ache中 是 否 含 有 所 需 块。故 障 性 预 取：在 预 取 时，若 出 现 虚 地 址 故 障 或 违 反 保 护 权 限，就 会 发 生 异 常。非 故 障 性 预 取：在 预 取 时，若 出 现 虚 地 址 故 障 或 违 反 保 护 权 限，不 发 生 异 常。非 阻 塞 Cache：Ca

40、che在 等 待 预 取 数 据 返 回 时，还 能 继 续 提 供 指 令 和 数 据。尽 早 重 启 动：在 请 求 字 没 有 到 达 时，C P U处 于 等 待 状 态。一 旦 请 求 字 到 达，就 立 即 发 送 给 C P U,让 等 待 的 C PU尽 早 重 启 动，继 续 执 行。请 求 字 优 先：调 块 时，首 先 向 存 储 器 请 求 C P U所 要 的 请 求 字。请 求 字 一 旦 到 达，就 立 即 送 往 C P U,让 C PU继 续 执 行，同 时 从 存 储 器 调 入 该 块 的 其 余 部 分。虚 拟 Cache：地 址 使 用 虚 地 址 的

41、 Cache1 1多 体 交 叉 存 储 器：具 有 多 个 存 储 体，各 体 之 间 按 字 交 叉 的 存 储 技 术。存 储 体 冲 突：多 个 请 求 要 访 问 同 一 个 体。TLB：一 个 专 用 高 速 存 储 器，用 于 存 放 近 期 经 常 使 用 的 页 表 项，其 内 容 是 页 表 部 分 内 容 的 一 个 副 本。5.2 简 述“Cache主 存”层 次 与“主 存 一 辅 存”层 次 的 区 另 八 答：储 层 次“Cache主 存”层 次“主 存 一 辅 存”层 次 目 的 为 了 弥 补 主 存 速 度 的 不 足 为 了 弥 补 主 存 容 量 的 不

42、 足 存 储 管 理 的 实 现 全 部 由 专 用 硬 件 实 现 主 要 由 软 件 实 现 访 问 速 度 的 比 值（第 一 级 比 第 二 级）几 比 一 几 万 比 一 典 型 的 块（页）大 小 几 十 个 字 节 几 百 到 几 千 个 字 节 CPU对 第 二 级 的 访 问 方 式 可 直 接 访 问 均 通 过 第 一 级 不 命 中 时 CPU是 否 切 换 不 切 换 切 换 到 其 它 进 程 5.3 地 址 映 象 方 法 有 哪 儿 种？它 们 各 有 什 么 优 缺 点？答：（1）全 相 联 映 象。实 现 查 找 的 机 制 复 杂，代 价 高，速 度 慢。

43、C ache空 间 的 利 用 率 较 高，块 冲 突 概 率 较 低，因 而 Cache的 失 效 率 也 低。（2）直 接 映 象。实 现 查 找 的 机 制 简 单，速 度 快。Cache空 间 的 利 用 率 较 低，块 冲 突 概 率 较 高，因 而 Cache的 失 效 率 也 高。（3）组 相 联 映 象。组 相 联 是 直 接 映 象 和 全 相 联 的 一 种 折 衷。5.4 降 低 Cache失 效 率 有 哪 几 种 方 法？简 述 其 基 本 思 想。答：常 用 的 降 低 Cache失 效 率 的 方 法 有 下 面 几 种：（1）增 加 Cache块 大 小。增 加

44、 块 大 小 利 用 了 程 序 的 空 间 局 部 性。（2）增 加 C ache的 容 量。（3）提 高 相 联 度，降 低 冲 突 失 效。（4）伪 相 联 C a c h e,降 低 冲 突 失 效。当 对 伪 相 联 Cache进 行 访 问 时，首 先 是 按 与 直 接 映 象 相 同 的 方 式 进 行 访 问。如 果 命 中，则 从 相 应 的 块 中 取 出 所 访 问 的 数 据，送 给 C P U,访 问 结 束。如 果 不 命 中，就 将 索 引 字 段 的 最 高 位 取 反，然 后 按 照 新 索 引 去 寻 找“伪 相 联 组 中 的 对 应 块。如 果 这 一

45、 块 的 标 识 匹 配，则 称 发 生 了“伪 命 中”。否 则，就 访 问 下 一 级 存 储 器。（5）硬 件 预 取 技 术。在 处 理 器 提 出 访 问 请 求 前 预 取 指 令 和 数 据。（6）由 编 译 器 控 制 的 预 取，硬 件 预 取 的 替 代 方 法，在 编 译 时 加 入 预 取 的 指 令，在 数 据 被 用 到 之 前 发 出 预 取 请 求。（7）编 译 器 优 化，通 过 对 软 件 的 优 化 来 降 低 失 效 率。（8）“牺 牲 Cache。在 C ache和 其 下 一 级 存 储 器 的 数 据 通 路 之 间 增 设 一 个 全 相 联 的

46、 小 C a c h e,存 放 因 冲 突 而 被 替 换 出 去 的 那 些 块。每 当 发 生 不 命 中 时，在 访 问 下 一 级 存 储 器 之 前，先 检 查“牺 牲”C ache中 是 否 含 有 所 需 的 块。如 果 有，就 将 该 块 与 C ache中 某 个 块 做 交 换，把 所 需 的 块 从“牺 牲 C ac h e调 入 Cache。5.5 简 述 减 小 Cache失 效 开 销 的 几 种 方 法。答：让 读 失 效 优 先 于 写、写 缓 冲 合 并、请 求 字 处 理 技 术、非 阻 塞 Cache或 非 锁 定 Cache技 术、采 用 二 级 Ca

47、che。5.6 通 过 编 译 器 对 程 序 优 化 来 改 进 Cache性 能 的 方 法 有 哪 几 种？简 述 其 基 本 思 想。答：（1）数 组 合 并。通 过 提 高 空 间 局 部 性 来 减 少 失 效 次 数。有 些 程 序 同 时 用 相 同 的 索 引 来 访 问 若 干 个 数 组 的 同 一 维，这 些 访 问 可 能 会 相 互 干 扰，导 致 冲 突 失 效，可 以 将 这 些 相 互 独 立 的 数 组 合 并 成 一 个 复 合 数 组，使 得 一 个 Cache块 中 能 包 含 全 部 所 需 元 素。（2）内 外 循 环 交 换。循 环 嵌 套 时，

48、程 序 没 有 按 数 据 在 存 储 器 中 的 顺 序 访 问。只 要 简 单 地 交 换 内 外 循 环，就 能 使 程 序 按 数 据 在 存 储 器 中 的 存 储 顺 序 进 行 访 问。（3）循 环 融 合。有 些 程 序 含 有 几 部 分 独 立 的 程 序 段，它 们 用 相 同 的 循 环 访 问 同 样 的 数 组，对 相 同 的 数 据 作 不 同 的 运 算。通 过 将 它 们 融 合 成 一 个 单 一 循 环，能 使 读 入 Cache的 数 据 被 替 换 出 去 之 前 得 到 反 复 的 使 用。（4）分 块。通 过 改 进 时 间 局 部 性 来 减 少

49、 失 效。分 块 不 是 对 数 组 的 整 行 或 整 列 进 行 访 问，而 是 对 子 矩 阵 或 块 进 行 操 作。5.7 在“Cache主 存”层 次 中，主 存 的 更 新 算 法 有 哪 两 种？它 们 各 有 什 么 特 点？答：（1）写 直 达 法。易 于 实 现，而 且 下 一 级 存 储 器 中 的 数 据 总 是 最 新 的。（2）写 回 法。速 度 快，“写”操 作 能 以 Cache存 储 器 的 速 度 进 行。而 且 对 于 同 一 单 元 的 多 个 写 最 后 只 需 一 次 写 回 下 一 级 存 储 器，有 些“写”只 到 达 C a c h e,不

50、到 达 主 存，因 而 所 使 用 的 存 储 器 频 带 较 低。5.8 组 相 联 Cache的 失 效 率 比 相 同 容 量 直 接 映 象 Cache的 失 效 率 低。由 此 能 否 得 出 结 论:采 用 组 相 联 一 定 能 带 来 性 能 上 的 提 高？为 什 么？答：不 一 定。因 为 组 相 联 命 中 率 的 提 高 是 以 增 加 命 中 时 间 为 代 价 的，组 相 联 需 要 增 加 多 路 选 择 开 关。5.9 写 出 三 级 Cache的 平 均 访 问 时 间 的 公 式。解：平 均 访 存 时 间=命 中 时 间+失 效 率 X失 效 开 销 只