Cache中
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 4 4 4 4
块分配情况 操作状态
- - 4 4 4 4 0 0 0 5 5 5 5 5 5 - 2 2 2 2 7 7 7 7 7 7 6 6 6 2 - - - - 3 3 3 3 2 2 2 2 2 7 7 调调调命调替替命替替替替命替替进 进 进 中 进 换 换 中 换 换 换 换 中 换 换
(3)在第14和15次访问块时产生块失效又发生块争用现象。 2分 (4)命中率：Hc=3/15=20% 2分
10、评分细则：10分/小题，评分细则分布在答案内容中。
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1、试题序号：603 2、题型：计算题 3、难度级别：3
4、知识点：五、存储层次 5、分值：10
6、所需时间：15分钟
7、试题关键字：平均访存时间 8、试题内容：
假设Cache的命中时间为1个时钟周期，失效开销为50 个时钟周期，在混合Cache中一次load或store操作访问Cache的命中时间都要增加一个时钟周期(因为混合Cache只有一个端口，无法同时满足两个请求，混合Cache会导致结构冲突)，根据下表所列的失效率，试问指令Cache和数据Cache容量均为16KB的分离Cache和容量为32KB的混合Cache相比，哪种Cache的失效率更低？又假设采用写直达策略，且有一个写缓冲器，并且忽略写缓冲器引起的等待。请问上述两种情况下平均访存时间各是多少？
表1 指令Cache、数据Cache和混合Cache失效率的比较 容 量 指令 Cache 数据 Cache 混合 Cache 1 KB 3.06% 24.61% 13.34% 2 KB 2.26% 20.57% 9.78% 4 KB 1.78% 15.94% 7.24% 8 KB 1.10% 10.19% 4.57% 16 KB 0.64% 6.47% 2.87% 32 KB 0.39% 4.82% 1.99% 64 KB 0.15% 3.77% 1.36% 128 KB 0.02% 2.88% 0.95% 9、答案内容： 解：
如前所述，约75%的访存为取指令。因此，分离Cache的总体失效率为： (75%×0.64%)＋(25%×6.47%)＝2.10% 2分
根据表1容量为32KB的混合Cache的失效率略低一些，只有1.99%。 1
分
平均访存时间公式可以分为指令访问和数据访问两部分：
平均访存时间＝指令所占的百分比× (指令命中时间＋指令失效率×失效开销)＋数据所占的百分比× (数据命中时间＋数据失效率×失效开销) 2分 所以，两种结构的平均访存时间分别为：
平均访存时间分离＝75%×(1＋0.64%×50)＋25%×(1＋6.47%×50)
＝(75%×1.32)＋(25%×4.325)＝0.990＋1.059＝2.05 2分
平均访存时间混合＝75%×(1＋1.99%×50)＋25%×(1＋1＋1.99%×50)
＝(75%×1.995)＋(25%×2.995)＝1.496＋0.749＝2.24 2分 故，尽管分离Cache的实际失效率比混合Cache的高，但其平均访存时间反而较低。 1分
10、评分细则：10分/小题，评分细则分布在答案内容中。
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1、试题序号：604 2、题型：计算题 3、难度级别：4
4、知识点：五、存储层次 5、分值：10
6、所需时间：15分钟
7、试题关键字：Cache失效开销 8、试题内容：
假设Cache失效开销为50个时钟周期，当不考虑存储器停顿时，所有指令的执行时间都是2.0个时钟周期， Cache的失效率为2%，平均每条指令访存1.33次。试分析Cache对性能的影响。 9、答案内容：
解：CPU 时间＝IC×(CPIexe＋存储器停顿周期数/指令数)×时钟周期时间 2分
考虑Cache的失效后，性能为：
CPU 时间有cache＝IC×(2.0＋(1.33×2%×50))×时钟周期时间 ＝IC×3.33×时钟周期时间 4分 实际CPI ：3.33
3.33/2.0 = 1.67(倍) 2分
CPU时间也增加为原来的1.67倍。但若不采用Cache,则： CPI＝2.0+50×1.33＝68.5 2分
10、评分细则：10分/小题，评分细则分布在答案内容中。
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1、试题序号：605 2、题型：计算题 3、难度级别：4
4、知识点：五、存储层次
5、分值：10
6、所需时间：15分钟 7、试题关键字：CPU性能 8、试题内容：
考虑两种不同组织结构的Cache：直接映象Cache和两路组相联Cache，试问它们对CPU的性能有何影响？先求平均访存时间，然后再计算CPU性能。分析时请用以下假设：
⑴理想Cache(命中率为100％)情况下的CPI为2.0，时钟周期为2ns，平均每条指令访存1.3次。
⑵两种Cache容量均为64KB，块大小都是32字节。 ⑶在两路组相联Cache中，我们必须增加一个多路选择器，用于根据标识匹配结果从相应组的块中选择所需的数据。因为CPU的速度直接与Cache命中的速度紧密相关,所以对于组相联Cache，由于多路选择器的存在而使CPU的时钟周期增加到原来的1.10倍。
⑷这两种结构Cache的失效开销都是70ns。在实际应用中，应取整为整数个时钟周期。
⑸命中时间为1个时钟周期，64KB直接映象Cache的失效率为1.4%，相同容量的两路组相联Cache的失效率为1.0%。 9、答案内容： 解：由:
平均访存时间＝命中时间＋失效率×失效开销 1分 得: 平均访存时间1路＝2.0＋(0.014×70)＝2.98ns
平均访存时间2路＝2.0×1.10＋(0.010×70)＝2.90ns 2分 两路级相联Cache的平均访存时间比较低。 1分 由: CPU 时间＝IC×(CPIexe＋每条指令的平均存储器停顿周期数)×时钟周期时间 ＝IC ×(CPIexe×时钟周期时间＋每条指令的平均存储器停顿时间) 3分 得：
CPU时间1路＝IC×(2.0×2＋(1.3×0.014×70))＝5.27×IC
CPU时间2路＝IC×(2.0×2×1.10＋(1.3×0.010×70))＝5.31×IC 2分 相对性能比为：
CPU时间2路/CPU时间1路=5.31×IC/5.27×IC=1.01 1分 10、评分细则：10分/小题，评分细则分布在答案内容中。
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1、试题序号：606 2、题型：计算题 3、难度级别：3
4、知识点：五、存储层次 5、分值：10
6、所需时间：15分钟
7、试题关键字：存储器性能 8、试题内容：
给定以下的假设，试计算直接映象Cache和两路组相联Cache的平均访问时间以及CPU的性能。由计算结果能得出什么结论？
（1） 理想Cache情况下的CPI为2.0，时钟周期为2ns，平均每条指令访存
1.2次；
（2） 两者Cache容量均为64KB，块大小都是32字节；
（3） 组相联Cache中的多路选择器使CPU的时钟周期增加了10％； （4） 这两种Cache的失效开销都是80ns； （5） 命中时间为1个时钟周期；
（6） 64KB直接映象Cache的失效率为1.4％，64KB两路组相联Cache的失
效率为10％。 9、答案内容：
解： 平均访问时间＝命中时间＋失效率×失效开销 1分
平均访问时间1-路=2.0+1.4% *80=3.12ns
平均访问时间2-路=2.0*(1+10%)+1.0% *80=3.0ns 两路组相联的平均访问时间比较低。 3分 CPUtime=（CPU执行+存储等待周期）*时钟周期
CPU time=IC（CPI执行+总失效次数/指令总数*失效开销） *时钟周期 =IC（（CPI执行*时钟周期）+（每条指令的访存次数*失效率*失效开销*时钟周期）） 2分
CPU time 1-way=IC(2.0*2+1.2*0.014*80)＝5.344IC
CPU time 2-way=IC(2.2*2+1.2*0.01*80)＝5.36IC 2分
相对性能比：
CPUtime?2wayCPUtime?1way?5.36/5.344=1.003 1分
直接映象cache的访问速度比两路组相联cache要快1.04倍，而两路组相联Cache的平均性能比直接映象cache要高1.003倍。因此这里选择两路组相联。 1分
10、评分细则：10分/小题，评分细则分布在答案内容中。
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1、试题序号：607 2、题型：计算题 3、难度级别：3
4、知识点：五、存储层次 5、分值：10
6、所需时间：15分钟
7、试题关键字：cache性能 8、试题内容：
假设一台计算机具有以下特性： （1） 95％的访存在Cache中命中；
（2） 块大小为两个字，且失效时整个块被调入； （3） CPU发出访存请求的速率为109字/秒； （4） 25％的访存为写访问；
（5） 存储器的最大流量为109字/秒（包括读和写）；
（6） 主存每次只能读或写一个字；
（7） 在任何时候，Cache中 有30％的块被修改过； （8） 写失效时，Cache采用写分配法。
现欲给计算机增添一台外设，为此想先知道主存的频带已经使用了多少。试对于以下两种情况计算主存频带的平均使用比例。 （1） 写直达Cache； （2） 写回法Cache。 9、答案内容： 解：采用按写分配
（1）写直达cache访问命中，有两种情况：
读命中，不访问主存；
写命中，更新cache和主存，访问主存一次。 访问失效，有两种情况：
读失效，将主存中的块调入cache中，访问主存两次；
写失效，将要写的块调入cache，访问主存两次，再将修改的数据写入cache和主存，访问主存一次，共三次。上述分析如下表所示。3分
访问命中 Y Y N N 访问类型 读 写 读 写 频 率 95%*75%=71.3% 95%*25%=23.8% 5%*75%=3.8% 5%*25%=1.3% 访存次数 0 1 2 3 一次访存请求最后真正的平均访存次数
=(71.3%*0)+(23.8%*1)+(3.8%*2)+(1.3%*3)＝0.35
已用带宽=0.35×109/10 9 =35.0% 2分
（2）写回法cache访问命中,有两种情况：
读命中，不访问主存；
写命中，不访问主存。采用写回法，只有当修改的cache块被换出时，才写入主存；
访问失效,有一个块将被换出，这也有两种情况：
如果被替换的块没有修改过，将主存中的块调入cache块中，访问主存两次； 如果被替换的块修改过，则首先将修改的块写入主存，需要访问主存两次；然后将主存中的块调入cache块中，需要访问主存两次，共四次访问主存。3分
访问命中 Y Y N N
所以：
一次访存请求最后真正的平均访存次数 =66.5％*0＋28.5%*0+3.5%*2+1.5%*4=0.13
块为脏 N Y N Y 频 率 95%*70%=66.5% 95%*30%=28.5% 5%*70%=3.5% 5%*30%=1.5% 访存次数 0 0 2 4