计算机系统结构-第三章练习-答案

第三章练习题（1）一、单项选择题在下面各题的4个备选答案中，只有一个答案是正确的，请把正确答案的标号（A~D）填入题后面的括号中。1．程序员编写程序时使用的访存地址是（）。A．物理地址B．有效地址C．逻辑地址D．主存地址2．虚拟存储器通常采用的地址映像是（D）。A．全相联、组相联和直接映像B．直接映像C．组相联映像D．全相联映像3．不属于堆栈型替换算法是（）。A．近期最少使用替换算法B．先进先出替换算法C．最优替换算法D．近期最久未使用替换算法4.确保提高虚拟存储器的主存命中率的途径是（）。A．采用LFU替换算法并增大页面数B．采用FIFO替换算法并增大页面C．采用FIFO替换算法并增大页面数D．采用LRU替换算法并增大页面5.虚拟存储器主要是为了解决（）问题。A．便于程序的“访存操作”B．扩大存储系统的容量和提高存储系统的速度C．提高存储系统的速度D．扩大存储系统的容量6.与虚拟存储器的等效访问速度无关的是（）。A．辅存的容量B．主存的容量C．页面替换算法D．访存页地址流二、填空题1．使二级存储系统的等效访问速度接近于第一级存储器访问速度的依据是程序的（局部性原理），它包括（时间局部性）和（空间局部性）两个方面。2．程序的空间局部性是指程序通常是（顺序）存储和执行的，程序使用的数据通常是（簇聚或集中）存储的。3．假设T1和T2分别是CPU访问到M1和M2中信息所需要的时间，H为命中M1的概率，则由M1和M2构成的二级存储系统的等效访问时间应当表示为（H*T1+(1-H)*T2）。4．存储器速度性能可以采用存储器的（频宽）衡量，它是存储器单位时间能够访问的信息量。5．虚拟存储器的存储管理方式有（页式）、（段式）和（段页式）三种。6．页式虚拟存储器把（程序“虚拟”）空间和（主存储器“物理实”）空间都分成相同大小的页。7．当两个虚拟空间的页面要求装入同一个主存页面的位置，称为（实页冲突或页面争用）。8．虚拟存储器发生页面失效时，需要进行外部地址变换，把虚地址变换为（辅存物理地址）。9．当发生页面失效，同时又发生（实页冲突）时，需要页面替换。10．当每次访存时都发生（调入页面（页面失效））时，称为“颠簸”，它将使命中率大大降低。11．页式虚拟存储器中，影响命中率的主要因素有：访存页地址流，（页面替换算法）和分配给该程序的（主存页面数）。12．在FIFO、OPT和LFU替换算法中，属于堆栈型算法的是（OPT）和（LFU）。13．只要是堆栈型替换算法，增大分配给程序的（主存页面数），主存的命中率就会（单调上升）。三、判断题判断下列各题的叙述是否正确，正确的叙述在括号内打“”；错误的叙述在括号内打“”；并简述错误的理由。1．并行主存系统的组织方式采用多体单字方式比采用单体多字方式能够获得较高的实际频宽。（）2．采用高位交叉访问方式的主要目的是用来提高存储器访问速度，而采用低位交叉访问存储器的主要目的是用来扩大存储器容量。（）采用低位交叉访问方式的主要目的是用来提高存储器访问速度，而采用高位交叉访问存储器的主要目的是用来扩大存储器容量。3．当访存发生页面失效时，就需要进行页面替换。（）当发生页面失效，同时又发生主存页面或主存空间完全被占用时，才需要页面替换。当发生主存页面冲突时，才需要进行页面替换。4．FIFO、LFU和OPT等替换算法都是根据虚页的过去使用情况来确定被替换页的。（）OPT是选择将来最久不被访问的页面作为替换页面，因此不是基于历史。FIFO和LFU是根据虚页的过去使用情况来确定被替换页的。OPT替换算法是根据“虚页”将来被使用的情况来确定被“替换页”的。5．存储系统的地址映像实际上就是地址变换。（）二者是不一样的：地址映像是把虚拟地址空间映像到主存地址空间，具体地说，就是把用户用虚拟地址编写的程序按照某种规则装入到主存储器中，并建立多用户虚地址与实存地址之间的对应关系；地址变换是在程序被装入主存后，在实际运行中，把多用户虚地址变换成主存实地址（内部地址变换）或磁盘存储器地址（外部地址变换）地址映像是虚拟、真实地址的对应关系或规则，地址变换是按照某种地址映像关系由虚拟地址找到真实地址的变换机构及其变换过程。四、应用题1．由3个访问速度、存储容量和每位价格都不相同的存储器构成一个存储系统。3个存储器M1、M2和M3的访问周期分别为T1、T2和T3，存储容量分别为S1、S2和S3，每位价格分别为C1、C2和C3，M1靠近CPU。（1）写出这个三级存储系统的等效访问时间T、等效存储容量S和等效每位价格C的表达式。设命中率分别为H1,H2,1-H1-H2等效访问时间T=H1*T1+H2*T2+(1-H1-H2)*T3等效存储容量S=S1+S2+S3等效单位价格C=(C1*S1+C2*S2+C3*S3)/(S1+S2+S3)（2）在什么条件下，整个存储系统的平均每位价格接近C3？当S3S1且S3S2时，C接近C33323133223113213322111231CSSSSCSSCSSCSSSSCSCSCCSSS2．假设二级虚拟存储器的T1=10-5s，T2=10-2s，为了使存储器的访问效率e达到最大值的80%，命中率H要求达到多少？T=H*T1+(1-H)*T2e=T1/T=T1/[H*T1+(1-H)*T2]=1/[H+(1-H)*T2/T1]=H=0.9997实际上，这样高的命中率是很难达到的。提高二级存储器的访问速度（即减小等效访问时间T）有两个途径，一个是减小第一级存储器的访问周期T1（即采用速度更快的第一级存储器）；另一个是提高访问效率e。访问效率e又与命中率H以及两级的访问速度比T2/T1有关。如果两级存储器的访问周期T1和T2不变，那么二级虚拟存储器的等效速度将依赖于命中率H。影响H的主要因素有：“访存地址流”、替换算法、分配给程序的主存页面数等。3．假设有一个二级虚拟存储器，CPU访问主存M1和辅助存储器M2的平均访问时间分别为T1=1s和T2=1ms。经过实际测量，此虚拟存储器平均访问时间为T=100s。试提出使虚拟存储器平均访问时间下降到10s的几种方法。由T=H·T1+(1-H)·T2得命中率H=(T-T2)/(T1-T2)=(100-1000)/(1-1000)=0.901（1）当H=0.901时，提高主存速度，极限情况使T1=0，此时，T=H·T1+(1-H)·T2=(1-0.901)·1ms≈99us10us，因此不能用这种方式。（2）当T1与T2一定时，提高命中率H。设T=10us,则H=(T-T2)/(T1-T2)=(10-1000)/(1-1000)=0.991为此，须从改进替换算法和调度策略，调整页面大小，提高主存容量等多方面综合采取措施。其中，替换算法和调度策略主要是在软件上增加代价，调整页面大小可能会增加辅助硬件的代价，而提高主存容量主要是增加硬件的代价，辅助硬件的代价也可能会略有增加。解：二级虚拟存储器的平均访问周期：21)1(THTHT一般的情况有T1T2，因此，降低T的途径有两种，一种是提高命中率H；另一种是减小M1和M2的平均访问时间T1和T2。即采用速度更高的主存和辅助存储器。根据实际测量得到的T=100s和题目给出的T1=1s和T2=1ms。代入上面公式可以得到主存的命中率为：901.0111001122smssmsTTTTH在主存命中率H=0.901的情况下，改用更高速度的主存器件，即使能够做到T1=0，得到的虚拟存储器的平均访问时间为：smsTHT991)901.01()1(2仍然远远大于要求的10s。因此，单纯的提高主存器件的工作速度是达不到要求的。sssHTHTT9.91901.011901.010112所以：采用平均访问时间为T2=91.9s的辅助存储器可以达到题目的要求。即：将辅助存储器的平均访问时间由T2=1ms降低为T2=91.9s就可以使得虚拟存储器的平均访问时间为T=10s。另外考虑：如果要达到T=10s，在主存和辅助存储器的参数不变情况下，则要求主存的命中率要达到：991.011101122smssmsTTTTH由上面分析可以知道，提高虚拟存储器的等效访问速度的途径有两种：第一种是提高辅助存储器的访问速度；第二种是提高主存命中率。提高主存命中率需要从改进替换算法、主存页面调度分配、页面大小的调整以及提高主存容量等方面综合采取措施。4．假设主存每个存储体的存取周期为2s，存储字长为4B，采用m个存储体低位地址交叉编址。由于各种原因，主存实际频宽只能够达到最大频宽的0.6倍，现在要求主存实际频宽为4MB/s，问主存储器的存储体的分体数应当取多少？Bm=W*m/TM其中,Bm为最大频宽：存储器连续访问时的频宽W为存储体的字长m为并行工作的存储体数TM（存储周期）为连续启动一个存储体所需要的间隔时间，它一般总比TA（访问时间）大。所以：最大频宽=4/0.6=6.6mb/s4/1024/1024*m/2/1000/1000=4/0.6因此：m=4SBm24单个存储体频宽分存储体数存储器的最大频宽sMBsBm4246.06.0最大频宽实际的频宽