计算机组成原理--cache存储器的直接映像与变换.doc

Cache 存储器的直接映像与变换 1. 直接映像的映像规则在 Cache 存储器的直接映像中, Cache 的块内地址就是主存地址格式中的块内地址, Cache 的块号等于主存块号除以 Cache 的总块数取余。设主存块号为 i, Cache 块号为 j, Cache 块号的位数为 x位, 则主存的第 i 块将映像到 Cache 中第 i mod 2x 块的位置,即 j=i mod 2x。 2. 直接映像的主存地址、 Cache 地址格式及设计方法主存地址格式为: Cache 地址格式为: Cache 地址格式中各段位数的确定方法: 在采用 Cache 存储器的存储系统中, 主存采用多模块交叉存储器, 块的大小等于多模块交叉存储器中模块的个数,即若主存有 2x 个模块,则块内地址占 x 位;块号的位数等于 Cache 地址的位数减去块内地址的位数。主存地址格式中各段位数的确定方法: 主存地址格式中块号的位数、块内地址的位数分别与 Cache 地址格式中块号的位数、块内地址的位数相同;区号的位数等于主存地址的位数减去块号的位数和块内地址的位数。 3. 举例[例 1] 有一个“ Cache- 主存”存储层次。主存共分为 8 个块(0~7), Cache 为4 个块(0~ 3 ),采用直接映象方式。(1) 对于如下主存块地址流: 1,2,4,1,3,7,0,1,2,5,4,6,4,7,2 ,如主存中内容一开始未装入 Cache ,请列出每次访问后 Cache 中各块的分配情况; (2) 对于(1) ,指出既发生块失效又发生块争用的时刻; (3) 对于(1) ,求出此期间的 Cache 命中率。解: (1) 随时间变化 Cache 中各块的使用状况如下图所示: (2) 既发生块失效又发生块争用的时刻依次为 6、7、 10 、 11 、 12 、 15 。(3)Cache 的命中率为 。[例 2] 某计算机的主存地址空间大小为 256MB , 按字节编址, 指令 Cache 和数据 Cach e 分离,均有 8个 Cache 行,每个 Cache 行大小为 64B 。数据 Cache 采用直接映射方式, 现有两个功能相同的程序 A和B ,其伪代码如下所示: 假定 int 类型数据用 32 位补码表示,程序编译时 i、j、 sum 均分配在寄存器中,数组 a 按行优先方式存放, 其首地址为 320 ( 十进制数)。请回答下列问题, 要求说明理由或给出计算过程。(1) 若不考虑 Cache 一致性维护和替换算法的控制位,则数据 Cache 的总容量为多少? (2) 数组元素 a[0][31] 和 a[1][1] 各自所在的主存块对应的 Cache 行号分别是多少( Cach e 行号从 0 开始)? (3) 程序 A和B 的数据访问命中率各是多少?哪个程序的执行时间更短? 解: (1) 主存地址格式为: Cache 地址格式为: 若不考虑用于 Cache 一致性维护和替换算法的控制位,则每个 Cache 行要占用 1 位的有效位、 19 位的行标记和 64B (即 512 位)的数据位,因此数据 Cache 的总容量为: 8× (1+19+512)=4256 位=532