题目

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（WriteThrough）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] = 2 * 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 最先开始的访问操作是读取主存单元 00010003H 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。

解析

本题考查 8 路组相联 Cache 的字段拆分、循环数组的命中率分析、Cache 缺失处理流程。

回顾本题 Cache 参数：

• 数据区 32KB，主存块 64B，8 路组相联 → 组数 = ；
• 直写策略 → 每次写都同步更新主存 → 不需要脏位 / 修改位；
• LRU 替换 → 8 路要 3 位 LRU 编号（）。

(1) Tag / LRU / 是否有修改位 [3 分]

字段宽度推导：

字段	位数	推导
块内偏移	6
Cache 组号	6
Tag	20
LRU（8 路）	3

修改位（脏位）：无。 直写策略下每次写都立刻同步主存，Cache 行从未"独自更新"过，没有"待写回"的状态，所以不需要脏位。

易错点： 修改位 / 脏位是 回写策略 才需要的；直写策略下省略不必要。LRU 位则与替换算法挂钩，只要不是随机替换或 FIFO 都需要。

(2) 数组 s 访问的数据 Cache 缺失次数 [4 分]

Step 1. 分析数组在内存中的布局。

s 的起始地址 008000C0H，二进制：

低 6 位（块内偏移）= 000000B = 0 → s 起始地址恰在主存块的边界。

Step 2. 算数组占多少个主存块。

数组大小 = ；每块 64B：

每块容纳 个数组元素。

Step 3. 数访问模式与缺失。

循环 s[k] = 2 * s[k] 对每个元素先读再写。按数组下标顺序遍历 → 同一主存块内的 16 个元素被连续访问。

• 块内第 1 个元素（如 s[0]、s[16]、...、s[1008]）：首读 miss → 调入整块；
• 块内之后的元素（15 个）：全部命中（直写策略下"写"也命中，不会再 miss）；

每块 1 次 miss，共 64 块：

易错点 1： 直写策略下"写命中"不算 miss，"写缺失"才算（先把块调入，再写）。本题循环每个元素先读再写，读已经把块带进 Cache，写一定命中。

易错点 2： 数组首地址刚好块对齐很关键。如果首地址不在 64B 边界上，第 0 块和最后一块可能多一次 miss（跨块），缺失数变 65。

(3) 读取主存 00010003H 指令的 Cache 访问过程 [3 分]

Step 1. 拆分主存地址。

按 [Tag 20 | 组号 6 | 块内偏移 6] 切：

字段	二进制	值
Tag	0000 0000 0000 0001 0000	00010H
组号	000000	0
块内偏移	000011	3

Step 2. 查 Cache 第 0 组。

Cache 初始为空，所有有效位 = 0 → 第 0 组全无有效内容 → 访问缺失。

Step 3. 缺失处理流程。

1. 从主存读出该块（地址区间 [00010000H, 00010040H)，64B）；
2. 找空行存入：第 0 组的 8 行任选一行（都还空着，无须 LRU 替换）；
3. 填字段：
   • Tag 字段 ← 00010H；
   • 有效位 ← 1；
   • LRU 位 ← 标记此行最新使用；
4. 从该行取出指令：按块内偏移 000011B = 3 → 取该 64B 块的第 3 字节作为指令字节。

编者注（生僻术语）： 直写策略下，"写"操作的 Cache miss 处理可能有两种细分：写分配（write-allocate） 与 非写分配（no-write-allocate）。前者把块先调入 Cache 再写，后者直接写主存不动 Cache。题目未指定，按常用约定取写分配。本题循环都是先读再写，无论哪种策略首读都已把块装入。