计算机组成原理第二版课后习题答案

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(2)Cache不占用外部总线就意味着外部总线可更多地支持I/O设备与主存的信息传输,增强了系统的整体效率。

(3)可提高存取速度。因为Cache与CPU之间的数据通路大大缩短,故存取速度得以提高。

将指令Cache和数据Cache分开有如下好处:

1)可支持超前控制和流水线控制,有利于这类控制方式下指令预取操作的完成。

2)指令Cache可用ROM实现,以提高指令存取的可靠性。 3)数据Cache对不同数据类型的支持更为灵活,既可支持整数(例32位),也可支持浮点数据(如64位)。 补充:

Cache结构改进的第三个措施是分级实现,如二级缓存结构,即在片内Cache(L1)和主存之间再设一个片外Cache(L2),片外缓存既可以弥补片内缓存容量不够大的缺点,又可在主存与片内缓存间起到平滑速度差的作用,加速片内缓存的调入调出速度。

28. 设主存容量为256K字,Cache容量为2K字,块长为4。 (1)设计Cache地址格式,Cache中可装入多少块数据? (2)在直接映射方式下,设计主存地址格式。 (3)在四路组相联映射方式下,设计主存地址格式。 (4)在全相联映射方式下,设计主存地址格式。

(5)若存储字长为32位,存储器按字节寻址,写出上述三种映

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射方式下主存的地址格式。

解:(1)Cache容量为2K字,块长为4,Cache共有2K/4=211/22=29=512块,

Cache字地址9位,字块内地址为2位

因此,Cache地址格式设计如下:

Cache字块地址(9位) 字块内地址(2位) (2)主存容量为256K字=218字,主存地址共18位,共分256K/4=216块,

主存字块标记为18-9-2=7位。

直接映射方式下主存地址格式如下:

主存字块标记(7位) Cache字块地址(9位) 字块内地址(2位) (3)根据四路组相联的条件,一组内共有4块,得Cache共分为512/4=128=27组,

主存字块标记为18-7-2=9位,主存地址格式设计如下: 主存字块标记(9位) 组地址(7位) 字块内地址(2位) (4)在全相联映射方式下,主存字块标记为18-2=16位,其地址格式如下:

主存字块标记(16位) 字块内地址(2可编辑

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位) (5)若存储字长为32位,存储器按字节寻址,则主存容量为256K*32/4=221B,

Cache容量为2K*32/4=214B,块长为4*32/4=32B=25B,字块

内地址为5位,

在直接映射方式下,主存字块标记为21-9-5=7位,主存地址

格式为:

主存字块标记(7位) Cache字块地址(9位) 字块内地址(5位) 在四路组相联映射方式下,主存字块标记为21-7-5=9位,主

存地址格式为:

主存字块标记(9位) 组地址(7位) 字块内地址(5位) 在全相联映射方式下,主存字块标记为21-5=16位,主存地

址格式为:

主存字块标记(16位) 字块内地址(5位)

29. 假设CPU执行某段程序时共访问Cache命中4800次,访问主存200次,已知Cache的存取周期为30ns,主存的存取周期为150ns,求Cache的命中率以及Cache-主存系统的平均访问时间和效率,试问该

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系统的性能提高了多少倍?

解:Cache被访问命中率为:4800/(4800+200)=24/25=96%

Cache-主存系统的平均访问时间为:

ta=0.96*30ns+(1-0.96)*150ns=34.8ns

Cache-主存系统的访问效率为:e=tc/ta*100%=30/34.8*100%=86.2% 性能为原来的150ns/34.8ns=4.31倍,即提高了3.31倍。

30. 一个组相连映射的CACHE由64块组成,每组内包含4块。主存包含4096块,每块由128字组成,访存地址为字地址。试问主存和高速存储器的地址各为几位?画出主存地址格式。

解:cache组数:64/4=16 ,Cache容量为:64*128=213字,cache地址13位

主存共分4096/16=256区,每区16块

主存容量为:4096*128=219字,主存地址19位,地址格式如下:

主存字块标记(8位)

31. 设主存容量为1MB,采用直接映射方式的Cache容量为16KB,块长为4,每字32位。试问主存地址为ABCDEH的存储单元在Cache中的什么位置?

解:主存和Cache按字节编址,

Cache容量16KB=214B,地址共格式为14位,分为

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组地址(4位) 字块内地址(7位) .

16KB/(4*32/8B)=210块,每块4*32/8=16B=24B,Cache地址格式为:

Cache字块地址(10位) 字块内地址(4位) 主存容量1MB=220B,地址共格式为20位,分为1MB/(4*32/8B)=216块,每块24B,采用直接映射方式,主存字块标记为20-14=6位,主存地址格式为:

主存字块标记(6位) Cache字块地址(10字块内地址(4位) 位) 主存地址为ABCDEH=1010 1011 1100 1101 1110B,主存字块标记为101010,Cache字块地址为11 1100 1101,字块内地址为1110,故该主存单元应映射到Cache的101010块的第1110字节,即第42块第14字节位置。或者在Cache的第11 1100 1101 1110=3CDEH字节位置。

32. 设某机主存容量为4MB,Cache容量为16KB,每字块有8个字,每字32位,设计一个四路组相联映射(即Cache每组内共有4个字块)的Cache组织。

(1)画出主存地址字段中各段的位数。

(2)设Cache的初态为空,CPU依次从主存第0,1,2,…,89号单元读出90个字(主存一次读出一个字),并重复按此次序读8次,问命中率是多少?

(3)若Cache的速度是主存的6倍,试问有Cache和无Cache相比,速度约提高多少倍?

解:(1)根据每字块有8个字,每字32位(4字节),得出主存地址

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