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”層次的主要區別是什么？ 存儲層次比較項目“Cache-主存”層次“主存-輔存”層次目的為了彌補主存速度的不足為了彌補主存容量的不足存儲管理的實現全部由專用硬件實現主要由軟件實現訪問速度的比值（第一級比第二級）幾比一幾萬比一典型的塊（頁）大小幾十個字節幾百

2、到幾千個字節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程4. 在存儲層次中應解決哪四個問題？ （1）映像規則：當把一個塊調入高一層存儲器時，可以放到哪些位置上。 （2）查找算法：當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：當發生失效時，應替換哪一塊。 （4）寫策略：當進行寫訪問時，應進行哪些操作。 5. 地址映像方法有哪幾種？它們各有什么優缺點？ （1）全相聯映像。實現查找的機制復雜，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。實現查找的機制簡單，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）組相聯映像。組相聯是直接映像和全相聯的一種折中。6. 組相聯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論：采用組相聯Cache一定能帶來性能上的提高？為什么？ 不一定。因為組相聯命中率的提高是以增加命中時間為代價的，組相聯需要增加多路選擇開關。7. Cache中，有哪兩種實現并行查找的方法？（1）用相聯存儲器實現。 （2）用單體多字存儲器和比較器來實現。8. 替換算法有哪幾種？它們各有什么優缺點？（1）隨機法：簡單、易于用硬件實現，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）先進先出法：容易實現。它雖然利用了同一組中各塊進入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比較復雜，硬件實現比較困難。9. 寫策略主要有哪兩種？它們各有什么優點？ (1) 寫直達法：易于實現，而且下一級存儲器中的數據總是最新的。(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Cache，不到達主存，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”標志。

5、即為Cache中的每一塊設置一個“污染位”（設在與該塊相應的目錄表項中），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，因為這時下一級存儲器中相應塊的內容與Cache中的一致。11. 當發生Cache寫失效時，是否調入相應的塊，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入Cache，然后再進行寫入。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的塊調入Cache。這種方法也稱為繞寫法。12. 按照Cache產生失效的原因不同，可以把失效分為哪三類？ 強制性失效、容量

6、失效、沖突失效。13. 3C失效與Cache的相聯度、容量有什么樣的關系？ 相聯度越高，沖突失效就越少。 強制性失效和容量失效不受相聯度的影響。 強制性失效不受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經驗規則：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，當塊大小增加時，失效率開始是下降，后來反而上升了。主要因為增加塊大小會產生雙重作用。一方面它減少了強制性失效；另一方面，可能會增加沖突失效。15偽相聯的基本思想是什么？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組中的對應塊。如果這一塊的標識匹配，則稱發生了偽命中。否則，就只好訪問下一級存儲器。16偽相聯的優點是什么？偽相聯既能獲得多路組相聯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、提高相聯度、增加Cache的容量、Victim Cache、偽相聯Cache、硬件預取技術、由編譯器控制的預取、

8、編譯器優化。18. 減少Cache失效開銷有哪些方法？(1) 讓讀失效優先于寫。 (2) 寫緩沖合并。(3) 請求字處理技術。 (4) 非阻塞Cache或非鎖定Cache技術。(5) 采用二級Cache。19. 減少Cache命中時間有哪些方法？容量小且結構簡單的Cache、虛擬Cache 、Trace Cache、Cache訪問流水化。20. 請求字處理技術有哪兩種具體的實現方法？ 盡早重啟動： 在請求字沒有到達時，CPU處于等待狀態。一旦請求字到達，就立即發送給CPU，讓等待的CPU盡早重啟動，繼續執行 請求字優先： 調塊時，首先向存儲器請求CPU所要的請求字。請求字一旦到達，就立刻送往C

9、PU，讓CPU繼續執行，同時從存儲器調入該塊的其余部分。請求字優先也稱為回繞讀取或關鍵字優先。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，從而降低實際失效開銷。22. 采用容量小且結構簡單的Cache有什么好處？（1）可以有效地提高Cache的訪問速度。因為硬件越簡單，速度就越快。小容量Cache可以實現快速標識檢測，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結構簡單可采用直接映像Cache。直接映像Cache的主要優點是可以讓標識檢測和數據傳送重疊進行，這樣可以有效地減少命中時間。23. “虛擬索引物理標識” Cache的基本思想是什么？ 直接用虛地址中的頁內位移（頁內位移在虛實地址的轉換中保持不變）作為訪問Cache的索引，但標識卻是物理地址。CPU發出訪存請求后，在進行虛實地址轉換的同時，可并行進行標識的讀取。在完成地址變換之后，再把得到的物理地址與標識進行比較。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，使其實現代價提高。（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健路徑上。主存寬度增加后，用戶擴充主存時的最小增量也增加了相應的倍數。在具有糾錯功能的存儲器中實現對一行(一次可并行讀出的數據)中部分數據的寫入比較復雜。26.簡述DRAM專用交叉結構優化的三種方式