高速缓冲存储器和虚拟存储器课件.ppt

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1、第8章高速缓冲存储器和虚拟存储器本章主要内容高速缓冲存储器（Cache）高速缓存的基本运行原理高速缓存的3种映像方式高速缓存使用中的几个问题虚拟存储器虚拟存储器概述段式存储管理页式存储管理2高速缓冲存储器（Cache）用途：设置在CPU和主存储器之间，完成高速与CPU交换信息，尽量避免CPU不必要地多次直接访问慢速的主存储器，从而提高计算机系统的运行效率。实现：这是一个存储容量很小，但读写速度更快的，以关联存储器方式运行、用静态存储器芯片实现的存储器系统。要求：有足够高的命中率，即：当CPU需用主存中的数据时，多数情况可以直接从CACHE中得到

2、，称二者之比为命中率。3Cache的基本运行原理Cache存储单元的组成部分数据字段：保存从主存单元复制过来的数据标记字段：保存相应主存单元的地址信息有效位字段：标识数据字段和标记字段是否有效译码选一单元标记(1)数据(1)标记(2)数据(2)…数据总线CacheCPU比较选一行地址总线主存地址有规则排列在保存数据时无须保存地址地址无规则排列在保存数据时还要保存其地址4Cache映像与地址变换地址映像：把一主存单元的数据复制到Cache中时，还要把该主存单元的地址，经过某种函数关系处理后写进Cache的标记字段，这一过程被称为Cache的地址映

3、像。地址变换：在程序执行时，要把主存地址变换为访问Cache的地址，这一过程被叫做Cache的地址变换。5如果：Cache的标记字段存储该单元在主存的地址（如16位），而数据字段存储数据（如8位），那么一个Cache单元将至少为1(有效位)+16+8=25位。减少比较次数!!减少比较位数!!数据8位10000000010010003F最简单的映射后果：根据主存地址查找该数是否已经搬到cache，可能要比较cache的全部内容，而且每次都要比较一个16位数。而硬件比较是按位比较的。标记16位100010000100000058…...…有效标志1

4、位10…6三种常用的Cache映像方式映像之前先做些处理：Cache和主存之间交换数据不以字节为单位，而以若干字节（称为块）为单位，故先将主存和Cache分块，再以块号来寻址。三种常用映像方式全相联映像直接映像多路组相联映像7全相联映像方式允许主存任意块存放到Cache的任意块。若CPU访问的某个主存字不在Cache，就将该字所在块整个存放到Cache。例如：Cache有128个块，每块16字；主存214个字（地址14位），则：主存共有214/16=210块，为了标识主存块，Cache的标志字段应至少10位。Cache01…126127主存8全

5、相联硬件实现举例10位比较电路10位比较电路10位比较电路128个44-16译码假设CPU要访问0358H00001101011000特点：Cache利用率高，方式灵活。成本高，主存：2m块→m位比较电路Cache：n块→n个比较电路块号块号块号9直接映像方式主存以Cache为单位分为若干区，则每区的块数和Cache块数一样多；任何一个区内的第n块只能放在Cache的第n块中。128块(每块16字)Cache128块→主存划分成1024/128=8个区，则主存地址划分为：块号7位块内字号4位区号3位对0358H主存单元：000011010110

6、00只能放在Cache的011101块，则标记字段存放区号000即可主存1024块10直接映像硬件实现举例44-16译码7-128译码命中数据3位比较电路比1次00001101011000访问主存地址0358H访问数据过程：根据CPU发出的主存地址找出地址中的块号，根据块号找到Cache中对应块，再用这块的Cache标记和地址的区号比较。特点：成本省，但Cache利用率低区号11多路组相联映像方式多路组相联映像方式：先Cache分成同等容量的多个组；再主存分为若干区，每区大小和Cache的组大小相同；主存任何区内的第n块可以放Cache任何组中

7、的第n块。多路组相联映像方式特点：折衷方案。组间为全相连，组内为直接映像。集中了两个方式的优点。成本也不太高。最常用的CACHE映像方式12主存按每区32块进行划分，则内存地址划分为：多路组相联映像方式示例前例主存和Cache：主存1024块，Cache128块，每块16字；将Cache分成4组，则Cache每组：128/4=32块，块号5位块内字号4位区号5位0358H存储单元：00001101011000只能存放在Cache的4组中任意组中的10101号块中，对应标记字段存放区号00001。访问数据过程：根据CPU送出的主存地址，找出地址中

8、的块号，用块号找到Cache各组对应的块，再将这4块的标记和地址中的区号比较，标记匹配的块中的数据即为所需。13多路组相联硬件实现举例比较次数：与CA