408存储系统大题笔记

咸鱼25计组强化课P2的笔记，有点简陋。
课后需要把第三章的课后大题（真题做一下）

Cache类题目

做题要注意的点!!

PA的位数=Cache地址总位数
Cache总行数
Cache块大小
第2和第3相乘得Cache数据区总大小（!=Cache总大小）
映射方式
一致性问题：写策略（直写/回写）
替换算法
CPU先把VA翻译成PA，再用PA去访问Cache

求地址结构

先根据映射方式确定行号/组号和块内地址的位数，剩下的是Tag

映射方式

直接映射
Cache地址拆分为 Tag+行号+块内地址。
直接映射相当于1行1组
行号位数与总行数关系：$n = log_2{lines}$
组相联映射
Cache地址拆分为 Tag+组号+块内地址。
n路组相联，1组有n行
组数为总行数除以路数：$z=\frac{lines}{n}$
全相联映射
Cache地址拆分为 Tag+块内地址。
只有1组

一致性问题

直写法：Cache中数据块只要修改过，就同步修改主存中的数据，因此不需要脏位。
回写法：Cache修改过的数据块先在1 bit 脏位标记，直到这个块即将被淘汰时写回主存。

替换算法

要替换时选择淘汰哪一个？

随机替换：不需要替换信息位，因为随机，不需要关心优先级和顺序。
- 直接映射也不需要替换位，因为1行1组，根据地址只能找到对应的1行/组
其他：n选1替换，需要$log_2 n$ 位
- FIFO：先进先出，替换位需要记录进入顺序。
- LRU：最近最少使用
- 组相联需要替换位 $log_2 n$ bits，n为路数
- 全相联需要替换位 $log_2 lines$ bits

例题

2020真题

(10分)假定主存地址为32位，按字节编址，指令Cache和数据Cache与主存之间均采用8路组相联映射方式，直写(Write Through)写策略和LRU替换算法，主存块大小为64B,数据区容量各为32KB。开始时Cache均为空。请回答下列问题。
(1)Cache每一行中标记(Tag)、LRU位各占几位？是否有修改位？
(2)有如下C语言程序段：

for(k = 0; k <1024; ++k)
    s[k] = * s[k];

若数组s及其变量k均为int型，int型数据占4B,变量k分配在寄存器中，数组s在主存中的起始地址为008000C0H,则该程序段执行过程中，访问数组s的数据Cache缺失次数为多少？
(3)若CPU最先开始的坊问操作是读取主存单元0001003H中的指令，简要说明从Cache中访问该指令的过程，包括Cache缺失处理过程。

分析(非答案)：
(1).
抓重点

主存地址32位->PA 32位
8路组相联
直写
LRU
主存块大小64B->块内地址占 6 bits
数据区32KB->行数=32KB/64B->组号=行数/路数

Tag(20 bits) + 组号(6 bits) + 块内地址(6 bits) = 32 bits

(2).
s[0] - 008000C0H
s[1] - 008000C4H
s[2] - 008000C8H
.......
同一Cache块内的不同元素，只有最后6 bits不一样
访问这些元素只有第一次会Cache缺失
这些元素总共填64块Cache块，会发生64此确实
(3).
根据地址找Cache
判断有效位->缺失
把64B的块读到Cache中
更新有效位、LRU替换位、Tag标记位

TLB类题目

用于VA->PA过程中，加快查询速度。原理与Cache类似
VA结构：页号+页内地址