第9章_存储器层次设计--CACHE和虚拟存储器ppt课件.ppt

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1、第9章存储器层次设计--CACHE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微电子技术发展趋势CPU与DRAM性能比较3程序的局部性原理程序在一定时间段内通常只访问较小的地址空间两种局部性：时间局部性和空间局部性时间局部性：最近被访问的信息很可能还要被访问。将最近被访问的信息项装入到Cache中。空间局部性：最近被访问的信息临近的信息也可能被访问。将最近被访问的信息项临近的信息一起装入到Cache中。地址空间访问概率4高速缓冲存储器（Cache）用途：设置在CP

2、U和主存储器之间，实现与CPU之间的高速信息交换，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，称二者之比为命中率。5CACHE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志字段：保存相应主存单元的地址信息有效位字段：标识数据字段和标志字段是否有效提高Cache性能，降低成本Cache单元的大小：块，cachelinesize（

3、几个主存字，减少标志位位数，减少Cache总容量）Cache与主存交换数据的单位：块，cachelinesize（充分利用空间局部性）Cache单元与主存单元的对应关系，例如：完全随意对应、一对多硬性对应和多对多有限随意对应Cache的容量、分层组织、接入方式等方面6CACHE的基本运行原理MEMORYCACHECONTROL数据总线译码选一单元比较选一行读过程为例地址总线ADDRDATACACHECPU7CACHE的3种映像方式地址映像：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的标志字段，这一过程被称为CACHE的地址映像。地

4、址变换：在程序执行时，还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。CACHE存储器通常使用3种映像方式，它们是全相联映像方式、直接映像方式、多路组相联映像方式，3种映像方式有各自的优缺点。8全相联映像方式全相联映像方式：是指主存的任何一个字块可以映像到整个CACHE的任何一个字块中。全相联映像方式特点：主存的字块可以和Cache的任何字块对应，利用率高，方式灵活。标志位较长，比较电路的成本太高。如果主存空间有2m块，则标志位要有m位。同时，如果Cache有n块，则需要有n个比较电路。使用成本太高9全相联映像方式CPU数据主存字块标记有效位主存储器CACH

5、E比较译码标志数据主存字块标记块内地址主存地址10全相联硬件实现举例11直接映像方式直接映像方式：是指主存的一个字块只能映像到CACHE的一个确定的字块中。设j是cache的字块号，i是主存的字块号，cache共有2c个字块，则j=imod2c直接映像方式特点：主存的字块只可以和固定的Cache字块对应，方式直接，利用率低。标志位较短，比较电路的成本低。如果主存空间有2m块，Cache中字块有2c块，则标志位只要有m-c位。且仅需要比较一次。利用率低，命中率低，效率较低12直接映像方式CPU数据有效位主存储器CACHE比较译码译码cache字块地址主存字块标记标志数据主存字块标记块内地址

6、主存地址cache字块地址13直接映像硬件实现举例14多路组相联映像方式多路组相联映像方式：是介于全相联映像和直接映像之间的一种折衷的处理方案。既不在主存和CACHE之间实现字块的完全随意对应，也不在主存和CACHE之间实现字块的多对一的硬性对应，而是实现一种有限度的随意对应。即将CACHE分为若干组，每组包括多个字块，主存中的任何一个字块只能映射到一个特定的组，但可以映射到该组的任何一个字块。设j是cache的字块号，i是主存的字块号，cache共分为2c个组，每组有2r个字块，则j=(imod2c)*2r+k，0≤k≤2r-1多路组相联映像方式的特点：折衷方案。组间为直接映像，组内为

7、全相连映像。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15组地址两路组相联映像方式CPU数据有效位主存储器CACHE译码比较比较译码译码标志数据主存地址主存字块标记块内地址组地址主存字块标记0组1组2组3组16多路组相联硬件实现举例17三种映像方式比较全相联映射主存中的一块可以映射到Cache中任何一个位置直接映像主存中的一块只能映射到Cache中唯一的一个位置定位时，不需要判断，只需替换多路组相联映射主存中的一