Cache的CPI是什么

CPI是指每条指令执行所需的时钟周期数，而Cache的CPI是指由于Cache缓存命中或未命中所导致的时钟周期数增加。当CPU需要访问内存时，如果数据在Cache中已经被缓存，则可以直接从Cache中读取，这样就可以避免从内存中读取数据所需的额外时钟周期，从而提高指令执行速度。但如果数据不在Cache中，就需要从内存中读取，这会导致额外的时钟周期数增加，也就是Cache的CPI增加。

相关问题

2、分层存储系统中包含两级Cache和主存，按照如下的方式进行存储 访问，首先访问L1 Cache，若L1Cache没有，访问L2 Cache，若L2 Cache没有，则一定在主存中。 已知命中率如下： 命中率 命中访问时间 L1 Cache 95% 2ns L2 Cache 80% 20ns main memory 100% 200ns 若该微处理器工作频率为1GMHz，程序只有25%的读存指令，其他指令平均 CPI为2，请问平均访存时间是多少？处理器的平均CPI是多少？

根据题目，该分层存储系统包含两级Cache和主存，并且访问方式是：首先访问L1 Cache，若L1 Cache没有，访问L2 Cache，若L2 Cache没有，则一定在主存中。已知命中率和命中时间如下：

- L1 Cache 命中率为95%，命中访问时间为2ns
- L2 Cache 命中率为80%，命中访问时间为20ns
- 主存命中率为100%，命中访问时间为200ns

由于程序只有25%的读存指令，因此有75%的指令不涉及访存，平均CPI为2。因此，总的平均CPI可以计算为：

平均CPI = 0.25 * CPI(读存指令) + 0.75 * CPI(非读存指令) = 0.25 * (2 + 访存周期数) + 0.75 * 2 = 1.5 + 0.5 * 访存周期数

接下来，我们需要计算访存周期数。根据访存的顺序，可以分为以下三种情况：

- L1 Cache命中：访存周期数为1（只有一个L1 Cache命中的访问）
- L1 Cache不命中，L2 Cache命中：访存周期数为2（一个L1 Cache不命中的访问和一个L2 Cache命中的访问）
- L1 Cache和L2 Cache都不命中：访存周期数为3（一个L1 Cache不命中的访问、一个L2 Cache不命中的访问和一个主存的访问）

因此，访存周期数的平均值可以计算为：

访存周期数的平均值 = 0.95 * 1 + 0.05 * (0.8 * 2 + 0.2 * 3) = 1.07

最后，我们可以计算平均访存时间：

平均访存时间 = 2ns + 0.05 * (20ns + 0.2 * 200ns + 0.8 * (2ns + 0.2 * 200ns)) + 0.95 * 0.8 * (2ns + 0.2 * 200ns) + 0.95 * 0.2 * (20ns + 0.2 * 200ns) = 6.94ns

因此，该分层存储系统的平均访存时间为6.94ns，平均CPI为2.5。

假设存在一个计算机， CPI是2（没有储存器停顿（Memory stalls））,仅有载入/储存指令进行数据访问，并且载入/储存的指令的占比是36%。假如缺失代价（Miss penalty）是 40个时钟周期，指令缓存缺失率（Instruction miss rate）是2%， 数据缓存缺失率（Data miss rate）是4%。 请计算平均内存访问时间、不使用cache技术的CPU的平均CPI，和使用了cache技术获得的加速比。

首先，我们需要计算出平均内存访问时间（Average Memory Access Time，AMAT）。根据AMAT的公式：

AMAT = 访问时间 + 缺失率 * 缺失代价

对于指令缓存，访问时间为1个时钟周期（假设命中时不需要任何等待），缺失率是2%，缺失代价是40个时钟周期，因此AMAT为：

AMAT（指令缓存）= 1 + 2% * 40 = 1.8 个时钟周期

对于数据缓存，访问时间也为1个时钟周期，缺失率是4%，缺失代价是40个时钟周期，因此AMAT为：

AMAT（数据缓存）= 1 + 4% * 40 = 2.6 个时钟周期

接下来，我们可以计算不使用cache技术的CPU的平均CPI。由于所有的数据访问都需要访问内存，所以平均CPI为：

平均CPI（无cache）= 1 + 0.36 * 2 = 1.72

最后，我们可以计算使用了cache技术获得的加速比（Speedup）。由于36%的指令不需要访问内存，所以这些指令的CPI不变，仍然是1。剩下的64%的指令的CPI变为：

CPI（有cache）= 1 * 0.36 + AMAT * 0.64 = 1.8 * 0.64 + 0.36 = 1.656

加速比为：

加速比 = 平均CPI（无cache）/ CPI（有cache）= 1.72 / 1.656 ≈ 1.04

因此，使用了cache技术后，CPU的性能提升了4%左右。