计算机组成原理-第20-22讲(第6章)ppt课件.ppt

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1、第6章存储系统6．1存储系统的层次结构6．2高速缓冲存储器（cache)6．3虚拟存储器6．4相联存储器6．5存储保护1目前计算机中，一般用半导体存储器作为主存储器（简称主存或内存），存放当前正在执行的程序和数据。用硬盘、软盘、光盘、磁带作为外存储器或辅助存储器（简称外存或辅存），存放当前不在运行的大量程序和数据。第6章存储系统2半导体存储器一般为并行访问存储器。辅助存储器一般为串行访问存储器。串行存储器又可分成顺序存取存储器和直接存取存储器。例如，磁带机为顺序存取存储器。磁盘为直接存取存储器。第6章存储系统36．1存储系统的层次结构衡量存储器有三个指标：容量、速度和价格/位。讨论存储

2、系统的层次结构主要是寻找一种能有效解决增大存储系统的容量、提高存储系统的读写速度以及降低存储系统的每位价格的方法。4早期计算机主存容量很小，程序与数据从辅存调入主存是有程序员自己安排的。操作系统的形成和发展使得程序员摆脱了主、辅之间的地址人工定位问题，通过软硬件结合，把主存和辅存统一成了一个整体，形成了一个层次结构。从整体看，其速度接近于主存的速度，其容量则接近于辅存的容量，而每位平均价格也接近于廉价、慢速的辅存平均价格。这就是现在广泛使用的虚拟存储系统。6．1存储系统的层次结构5主-辅存层次结构满足了存储器的大容量和低成本的需求。在速度方面，计算机主存和CPU一直保持了大约一个数量级

3、的差距。显然这个差距限制了CPU速度潜力的发挥。为了解决这个问题，在CPU和主存之间设置高速缓冲存储器，构成高速缓存（cache)-主存层次,要求cache在速度上能跟得上CPU的要求。从CPU的角度看，cache-主存层次的速度接近于cache,容量与每位价格则接近于主存。因此，解决了速度与成本之间的矛盾。6．1存储系统的层次结构6现代大多数计算机以主存-辅存和cache-主存这两个层次为基础，构成了cache-主存-辅存三级存储层次结构。6．1存储系统的层次结构三层次存储系统76．2高速缓冲存储器（cache)6．2．1cache存储器工作原理对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此

4、范围以外的地址则访问甚少的现象就称为程序访问的局部性。8根据局部性原理，可以在主存和CPU之间设置一个高速的容量相对较小的存储器，这个存储器称作高速缓冲存储器(cache）。cache存储器介于CPU和主存之间，它的工作速度数倍于主存，全部功能由硬件实现，并且对程序员是透明的。6．2．1cache存储器工作原理9设主存地址为n位，主存分块，且主存的块数M=2m， 块内字节数B=2b，则n=m+b。cache地址码为（c+b）位。cache的块数为2c，块内字节数与主存相同(2b个字节)。6．2．1cache存储器工作原理1011块长命中率替换策略或替换算法写回法写直达法6．2．1cac

5、he存储器工作原理12为了说明标记是否有效，每个标记至少还应设置一个有效位，当机器刚加电启动时，总机的reset信号或执行程序将所有标记的有效位置“0”，使标记无效。在程序执行过程中，当cache不命中时逐步将指令块或数据块从主存调入cache中的某一块，并将这一块标记中的有效位置“1”，当再次用到这一块中的指令或数据时，肯定命中，可直接从cache中取指令或取数据。因此，系统刚加电时所有标记都为“0”，此时开始执行程序时，命中率较低。6．2．1cache存储器工作原理13另外cache的命中率还与程序本身有关，即不同的程序，其命中率可能不同。具有cache的存储器，其平均存取时间计算

6、如下：设cache的存取时间为tc，命中率为h，主存的存取时间为tM:则平均存取时间=h·tc+(1-h)(tc+tM)6．2．1cache存储器工作原理146．2．2cache存储器组织1．地址映像为了把信息放到cache存储器中，必须应用某种函数把主存地址映像到cache，称为地址映像。在信息按照这种映像关系装入cache后，执行程序时，应将主存地址变换成cache地址，这个变换过程叫做地址变换。地址的变换和映像是密切相关的。15几种基本地址映像方式：直接映像、全相联映像和组相联映像。假设主存储器空间被分成Mm(0),Mm(1)，…，Mm(i)，…，Mm(2m-1)，共2m个块，字

7、节大小为2b个字；cache存储器空间分为Mc(0),Mc(1)，…，Mc(i)，…，Mc(2c-1)，共2c个同样大小的块。6．2．2cache存储器组织16(1）直接映像直接映像函数可定义为：j=imod2c，其中，j是cache的字块号，i是主存的字块号。在这种映像方式中，主存的第0块，第2c块，第2c+1块，…，只能映像到cache的第0块。而主存的第1块，第2c+1块，第2c+1+1块，…，只能映像到cache的第1块。6．2．2ca