作业2

体系结构

叶雨菲 2013011325 计32

7.4 / 7.8 / 7.10 / 7.14

设有一个“Cache-主存”层次，Cache为4块，主存为8块；试分别对于以下3种情况，画出映像关系示意图，并计算访存块地址为5时的索引（index）（1）全相联；（2）2路组相联；（3）直接映像

图见附件（不是会员无法上传本地图片/(ㄒoㄒ)/~~）

7.8
假设对指令Cache的指令访问占全部访问的75%，而对数据Cache的访问占全部访问的25%，Cache的命中时间为1个时钟周期，不命中开销为50个时钟周期，在混合Cache中一次load或store操作访问Cache的命中时间要增加一个时钟周期，32KB的指令Cache不命中率为0.39%，32KB数据Cache不命中率为4.82%，64KB的混合Cache不命中率为1.35%，采用写直达策略，一个写缓冲器，忽略写缓冲器的等待。
分离Cache和混合Cache相比哪种不命中率更低？两种情况下平均访存时间各是多少？

对于分离Cache，
$不命中率_{分离} = 75\% * 0.39\% + 25\%*4.82\% = 1.50\%$

混合cache
$不命中率_{混合}=1.35\%$

混合cache命中率更低

平均访存时间
$访存时间_{分离} = 75\%*(0.39\%*50+1)+25\%*(4.82\%*50+1)=1.749$
$访存时间_{混合} = 2 + 50*1.35\% = 2.675$

7.10
给定假设，试计算直接映像Cache和两路组相连Cache的平均访问时间以及CPU的性能
（1）理想Cache，CPI=2，时钟周期2ns，平均每条指令访存1.2次
（2）两者Cache容量均为64KB，块大小32B
（3）组相连Cache中的多路线择期是CPU的时钟周期增加了10%
（4）这两种Cache的不命中开销都是80ns
（5）命中时间为1个时钟周期
（6）直接映像不命中率1.4%，两路组相连1.0%

$平均访问时间_{map} = 2ns + 1.4\%*80ns=3.12ns$
$平均访问时间_{组相连}=2*1.1+1\%*80ns=3.0ns$
组相连的平均访问时间少

$平均指令执行时间_{map} = 2*2+ 1.2*(1.4\%*80ns)=5.34ns$
$平均指令执行时间_{组相连}=2*2.2+1.2*(1\%*80ns)=5.36ns$
直接映射的性能更好

对比
$平均访问时间：命中时间+不命中率*不命中开销$
$CPU时间：指令数量*（正常运行时间+访存阻塞时间）=指令数量*（CPI*周期+每条指令访存次数*不命中率*不命中开销）$

7.14
(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 10^9 字/s;
(4)25%的访存为写访问;
(5)存储器的最大流量为 10^9 字/s(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 采用按写分配法。
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。

(1)写直达Cache
$全部写指令+失效时写分配=10^9*25\%+10^9*5\%*2(1)/10^9 = 35\%$

(2)写回法
$失效时写分配=10^9*5\%*2(1+30\%)/10^9=13\%$