CPU访问内存的过程

CPU访存流程图

例题

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例题1：某机器M上有如下循环代码段：P: for(i=0; i

编号	地址	机器代码	汇编代码	注释
1	08048100H	00022080H	Loop:shl R4;R2,2	(R2<<2)→R4
2	08048104H	00083020H	Add R4;R4,R3	(R4)+(R3)→R4
3	08048108H	8C850000H	Load R5;0 (R4)	((R4)+0)→R5
4	0804810CH	00250820H	Add R1;R1,R5	(R1)+(R5)→R1
5	08048110H	2042000H	Addi R2;R2,1	(R2)+1→R2
6	08048114H	1446FFECH	Bne R2;R6,loop	If(R2)!=(R6)go to loop

假设M采用页式虚拟存储管理。P开始执行时，（R1）=（R2）=0，（R6）=1000，其机器代码已调入主存，但不在Cache中；数组A未调入主存，其所有数组元素在同一页，并存储在磁盘同一地区。请回答下列问题，并说明理由。
（1） M的存储器编址单位是什么？
（2）M的指令Cache和数据Cache分离，若指令Cache共有16行，Cache和主存交换的块大小为32字节，则其数据区的容量是多少？若仅考虑程序段P的执行，则指令Cache的命中率为多少？
（3）P在执行过程中，哪条指令的执行可能产生缺页异常？对于数组A的访问，需要读磁和TLB至少各多少次？

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解析
（1） 答案：M的存储器编址单位是字节
机器代码 由 8个十六进制数组成 ⇒ 一条机器代码占 8 × 4 = 32 bit
两个相邻的的地址差值 = 4 ⇒ 32bit ÷ 4 = 8 bit ⇒ 8 bit = 1B ⇒ 一个地址指向的空间存放一个字节 ⇒ M的存储器编址单位是字节

（2）答案：数据区的容量=$2^7$B；指令 Cache 的命中率=5999/6000
指令Cache共有16行，块大小为32字节 ⇒ 数据区容量 = 16 × 32B = $2^7$B
N = 1000，共有6条的代码 ⇒ 共需要运行6000条代码
由题干知：机器代码已调入主存，但不在 Cache 中 ⇒ 首次访问指令 Cache 时，未命中
由（1）知：一条机器代码占32bit(4字节)，共6条指令 ⇒ 整个指令占 4 × 6 = 24 字节
Cache 块大小为 32字节 ⇒ 32字节 > 24字节 ⇒ 只需要调入Cache一次
指令 Cache 的命中率 = (6000-1)/6000= 5999/6000

（3）答案：可能产生缺页异常的指令：指令3：Load R5;0 (R4)；读磁至少1次，读TLB至少1000次
由题干知：机器代码调入主存，数组未调入主存；只有当主存中没有，需要去磁盘中读写时才会发生缺页异常 ⇒ 只有在读取数组时才可能发生缺页异常 ⇒ 指令3：Load R5;0 (R4)
由于数组未调入主存 ⇒ 第一次访问数组需要访问磁盘
要求至少读磁和读TLB的次数 ⇒ 在只进行一次缺页替换的情况下读磁和读TLB最少 ⇒ 读磁至少1次，读TLB至少1000次

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例题2：某计算机存储器按字节编址，虚拟（逻辑）地址空间大小为16MB，主存（物理）地址空间大小为1MB，页面大小为4KB;Cache采用直接映射方式，共8行;主存与Cache之间交换的块大小为32B。系统运行到某一时刻时，页表的部分内容和Cache的部分内容分别如图a、图b所示，图中页框号及标记字段的内容为十六进制形式。

请回答下列问题。
（1）虚拟地址共有几位，哪几位表示虚页号?物理地址共有几位，哪几位表示页框号（物理页号）?
（2）使用物理地址访问 Cache 时，物理地址应划分成哪几个字段?要求说明每个字段的位数及在物理地址中的位置。
（3）虚拟地址001C60H 所在的页面是否在主存中?若在主存中，则该虚拟地址对应的物理地址是什么?访问该地址时是否Cache命中?要求说明理由。
（4）假定为该机配置一个4路组相联的TLB，该TLB共可存放8个页表项，若其当前内容（十六进制）如图c所示，则此时虚拟地址024BACH 所在的页面是否在主存中?要求说明理由。

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解析

（1）答案：虚拟地址共有24位，高12位表示虚页号；物理地址共有20位，高8位表示页框号
由题干知：虚拟（逻辑）地址空间大小为16MB ⇒ 16M = $2^4$ × $2^{20}$B = $2^{24}$B ⇒ 24位
由题干知：主存（物理）地址空间大小为1MB ⇒ 1M = $2^{20}$B ⇒ 20位
虚页号 = 虚拟地址空间位数 - 页面地址空间位数；页面大小为4K(4K=$2^{12}$) ⇒ 24 - 12 = 12位
页框号 = 物理地址空间位数 - 页面地址空间位数；页面大小为4K(4K=$2^{12}$) ⇒ 20 - 12 = 8位
（2）答案：物理地址划分为三个字段：Tag,index,offset；offset5位(0-4),index3位(5-7),Tag12位(8-19)
由题干知：主存与Cache之间交换的块大小为32B ⇒ 32B = $2^5$B ⇒ offset = 5位
由题干知：Cache采用直接映射方式，共8行 ⇒ 8 = $2^3$ ⇒ index = 3位
Tag = 物理地址空间位数 - offset位数 - index位数 = 20 - 5 - 3 = 12位 ⇒ Tag = 12位
（3）答案：页面在主存中；物理地址为04C60H；没命中Cache
虚拟地址001C60H；由（1）知：虚页号12位 ⇒ 将虚拟地址划分为两个部分：虚页号(001H)，偏移(C60H) ⇒ 将虚页号与页表对比(页表中虚页号为1时，有效位=1) ⇒ 页面在主存中
将对应的页框号(04H)拿出来，偏移地址(C60H)不变 ⇒ 物理地址：04C60H
物理地址：04C60H；由（1）知：页框号8位 ⇒ 将物理地址划分为三个部分：标记Tag(04CH)，索引index(011)，偏移offset(00000) 60H = 0110 0000 ⇒ 将索引index与Cache对比(行号为3时，有效位=1，标记=105) ⇒ 标记105 ≠ 物理地址标记04C ⇒ 没有命中Cache
（4）答案：虚拟地址所在的页面在主存中
虚拟地址024BACH；由（1）知：虚页号(Tag+index)12位；TLB中只有两组(index=1位) ⇒ 将虚拟地址划分为三个部分：(024H=0000 0010 0100) 标记Tag(0000 0010 010)，索引index(0)，偏移offset(BACH) ⇒ 将虚页号与TLB对比(页表中虚页号为1时，有效位=1) ⇒ 将索引index与TLB对比(组号为0、有效位为1时，标记为012) ⇒ 标记12H = 虚拟地址标记12H ⇒ 虚拟地址所在的页面在主存中

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例题3：请求分页管理系统中，假设某进程的页表内容如下表所示。

页号	页框号	有效位
0	101H	1
1	-	0
2	254H	1

页面大小为4KB，一次内存的访问时间是100ns，一次快表(TLB)的访问时间是10ns，处理一次缺页的平均时间为108ns(已含更新TLB和页表的时间)，进程的驻留集大小固定为2，采用最近最少使用置换算法(LRU)和局部淘汰策略。假设①TLB初始为空；②地址转换时先访问TLB，若TLB未命中，再访问页表(忽略访问页表之后的TLB更新时间)；③有效位为0表示页面不在内存，产生缺页中断，缺页中断处理后，返回到产生缺页中断的指令处重新执行。设有虚地址访问序列2362H、1565H、25A5H，请问：
（1）依次访问上述三个虚地址，各需多少时间？给出计算过程。
（2）基于上述访问序列，虚地址1565H的物理地址是什么？请说明理由。

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解析
（1）答案：210ns；328ns；110ns
页面大小 4K = $2^2$ × $2^{10}$ = $2^{12}$ ⇒ offset = 12位 ；TLB初始为空
虚拟地址 2362H ⇒ 虚页号(2H) ；TLB为空(TLB miss) ⇒ 在页表中，页号为2的有效位为1 ⇒ 页表 hit ⇒ MEM
访问时间 = TLB(miss) $\to$ 页表(hit) $\to$ MEM = 10ns + 100ns +100ns = 210ns
虚拟地址 1565H ⇒ 虚页号(1H)；TLB(虚页号=2，miss) ⇒ 在页表中，页号为2=1的有效位为0 ⇒ 页表(miss) ⇒ 缺页(更新TLB和页表) ⇒ TLB(hit) ⇒ MEM
访问时间 = TLB(miss) $\to$ 页表(miss) $\to$ 处理缺页(更新TLB和页表) $\to$ TLB(hit) $\to$ MEM = 10ns + 100ns + 108ns + 10ns +100ns = 328ns
虚拟地址 25A5H ⇒ 虚页号(2H)；TLB(虚页号=2,1 hit) ⇒ MEM
访问时间 = 10ns + 100ns = 110ns
（2）答案：物理地址(101565H)
由题干知：采用最近最少使用置换算法(LRU)和局部淘汰策略；进程的驻留集大小固定为2；基于上述访问序列 ⇒ 当访问虚地址1565H时，替换页号为0的空间
虚地址1565H ⇒ 偏移(565H)；对应的页框号(101H) ⇒ 物理地址：101565H

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虚拟地址转换物理地址

首先访问快表
快表结构：

组号	有效位	标记	页框号

虚拟地址划分为：

Tag	index	偏移

① 用虚拟地址的index与快表中的组号比较(快表有效位=1)
② 虚拟地址的Tag = 快表中的标记 hit ⇒ 物理地址 = 快表页框号 + 虚拟地址偏移
若快表miss，访问页表
页表结构：

虚页号	有效位	页框号	…

虚拟地址划分为：

虚页号	偏移

① 用虚拟地址的虚页号与页表的虚页号比较(页表有效位 = 1) hit
② 物理地址 = 页表页框号 + 虚拟地址偏移
若页表miss，发生缺页异常
访问磁盘，从磁盘中读出（替换出）一页到主存

使用物理地址访存

首先访问Cache表
Cache表结构：

行号	有效位	标记	…

物理地址划分为：

Tag	index	offset

① 用物理地址的index与Cache表的行号比较(index = 行号，index = 1)
② 物理地址Tag= Cache表标记 hit
若Cache表miss，访问主存
直接用物理地址访问主存