第6章存储系统设计（Cache 与虚存）- 专项练习

老师在录音里明确提到：第六章（存储系统设计）不布置大作业，但考试一定会考计算，且考点全在 PPT 的例题里！

他特别强调：程序访问的局部性原理、Cache 命中率 ( $H$ )、平均访问时间 ( $T_{a}$ )、访问效率 ( $e$ ) 的计算，以及三种地址映像方式（直接、全相联、组相联）的地址字段划分。

一、填空题（每空 1 分）

存储体系结构中，引入 Cache 的理论依据是程序访问的 _________ 原理，它包括 _________ 局部性和 _________ 局部性。

Cache 的命中率

H

等于访问 Cache 的次数除以 _________。

若 Cache 命中率为

H

，Cache 存取周期为

T_{c}

，主存存取周期为

T_{m}

，则平均访问时间 $T_a = $ _________________。

Cache 与主存之间的地址映像方式中，_________ 映射的块冲突概率最低，空间利用率最高。

在组相联映射中，若 Cache 共有

16

块，采用

2

路组相联，则共分为 _________ 组。

为了解决 Cache 与主存内容的一致性，_________ 法要求在写 Cache 的同时写主存。

在写回法（Write Back）中，Cache 的每一行需要增加一个 _________ 位，用来标识该块是否被修改过。

虚拟存储器中，_________（快表）用来存放页表中最活跃的少数副本，其存储介质通常是 _________。

虚存地址转换时，若在 _________ 中未发现对应的页表项，则会产生缺页异常。

10.

Cache 存储系统对 _________ 程序员和 _________ 程序员都是透明的。

二、单项选择题（每题 2 分）

（核心计算：命中率）老师 PPT 原题：某程序执行过程中访存 1000 次，其中访问 Cache 缺失 50 次，则 Cache 命中率是（）。

9.5%

95%

50%

（重点：局部性判断）指令流水线中，循环语句主要体现了程序访问的（）。

空间局部性

时间局部性

逻辑局部性

随机局部性

（地址划分计算）主存容量 1MB，Cache 容量 16KB，块大小为 512B。采用直接映射，则主存地址中的块内地址为（）位。

（替换算法辨析）能够正确反映程序局部性，且命中率最高（排除理想算法外）的常用替换算法是（）。

FIFO（先进先出）

RAND（随机）

LRU（近期最久未使用）

以上都不是

（组合考点：命中逻辑）老师强调不可能发生的情况。下列命中组合中，绝对不可能出现的是（）。

TLB 缺失，页表命中，Cache 命中

TLB 命中，页表命中，Cache 缺失

TLB 缺失，页表缺失，Cache 命中

TLB 命中，页表命中，Cache 命中

（性能指标：效率）若

T_{c} = 50 n s, T_{m} = 200 n s, H = 0.95

，则 Cache-主存系统的效率

e

约为（）。

25%

86.2%

75.3%

95%

（虚存概念）引入虚拟存储器的主要目的是解决（）。

主存速度不足

主存容量不足

缓存命中率低

外部设备连接繁琐

（组相联映射陷阱）老师强调组间直接，组内全相联。一个 4 路组相联映射的 Cache，主存第 13 块应映像到 Cache 的第（）组。

无法确定，取决于 Cache 总组数

（更新策略）在写操作时，只写入 Cache 而不立即写入主存，直到该块被替换时才写回的方法是（）。

写直达法

写回法

按写分配法

不按写分配法

10.

（页表存储）虚拟存储管理中，页表（慢表）存放在（）中。

CPU 寄存器

Cache

主存

硬盘

参考答案与解析

一、填空题

局部性、时间、空间
总访存次数
$H \cdot T_{c} + (1 - H) \cdot T_{m}$ （录音强调：这是平均访问时间的通用公式）
全相联（最自由，冲突最少）
8（组数 = 总块数 / 路数 = 16 / 2）
写直达（或写透）
脏（或修改、Dirty）
TLB、SRAM（快表比慢表快得多）
页表（或内页表）
应用程序、系统（Cache 由硬件自动调度，完全透明）

二、选择题

C - $(1000 - 50) / 1000 = 0.95$
B - 重复执行同一段代码
A - 块大小 $512 B = 2^{9}$ ，所以块内地址 9 位
C - LRU 是现实中最接近理想 OPT 效果的算法
C - 录音原话：缺页意味着信息不在主存，Cache 里绝不可能有副本
B - $T_{a} = 0.95 \times 50 + 0.05 \times 200 = 57.5$ ； $e = 50 / 57.5 \approx 86.9 %$
B - Cache 解决速度，虚存解决容量
B - 假设 Cache 共 4 组，则 $13 (\mod 4) = 1$ 。注：此题考查映射公式 $组号 = 块号 (\mod 组) 数$
B - 写回法只在替换时写回
C - 页表通常很大，只能放在主存里

重点提示

命中率计算：
- $H = \frac{命中次数}{总访存次数} = \frac{总访存次数 - 缺失次数}{总访存次数}$
平均访问时间：
- $T_{a} = H \cdot T_{c} + (1 - H) \cdot T_{m}$
- 这是考试必考公式
访问效率：
- $e = \frac{T_{c}}{T_{a}} = \frac{T_{c}}{H \cdot T_{c} + (1 - H) \cdot T_{m}}$
地址映像方式：
- 直接映射：组间直接，组内直接（1路组相联）
- 全相联映射：任意块映射到任意位置
- 组相联映射：组间直接，组内全相联
地址字段划分：
- 直接映射：标记位 + Cache块号 + 块内地址
- 全相联映射：标记位 + 块内地址
- 组相联映射：标记位 + 组号 + 块内地址
命中逻辑：
- 缺页意味着数据不在主存，Cache 中不可能有副本
- TLB 缺失可以查页表，页表缺失才会缺页
替换算法：
- LRU（近期最久未使用）最接近理想效果
- FIFO 不考虑局部性
- RAND 随机替换

第6章 存储系统设计（Cache 与虚存）- 专项练习 ​

一、填空题（每空 1 分） ​

二、单项选择题（每题 2 分） ​

参考答案与解析 ​

一、填空题 ​

二、选择题 ​