计算机组成原理4-3.ppt

4.3 高速缓冲存储器一、概述1. 问题的提出避免 CPU “空等” 现象(调整CPU 和主存（DRAM）的速度差异)缓存CPU主存容量小 速度高容量大 速度低依据程序访问的局部性原理 以联想方式运行2. Cache 的工作原理 (1) 主存和缓存存储空间基本结构及地址格式主存和缓缓存按块组织块组织 块块的大小相同 B 为块长~~~~… …主存块号主存储器012m－1块 0块 1块 M－1主存块号块内地址m位b位n位M块B个字缓存块号块内地址c位b位C块B个字~~~~… …块 0块 1块 C－1012c－1标记Cache缓存块号e.g: 主存64个存储单元，缓存16个存储单元，快长4个 存储单元试分析主存和缓存空间结构~~~~… …主存块号主存储器块 0块 1块 15主存块号块内地址4位2位6位16块缓存块号块内地址2位2位4块~~~~… …块 0块 1块 3标记Cache缓存块号(2) 命中与未命中缓存共有 C 块主存共有 M 块M >> C主存块 调入 缓存主存块与缓存块 建立 了对应关系用 标记记录与某缓存块建立了对应关系的 主存块号命中未命中主存块与缓存块 未建立 对应关系主存块 未调入 缓存(3) Cache 的命中率CPU 欲访问的信息在 Cache 中的 比率命中率 与 Cache 的 容量 、 块长 、与主存 地址映射规则、替换策略有关 。

Cache容量、块长并非越大越好h = Nc / (Nc+Nm)Nc:访问Cache命中次数Nm：(未命中时)访问主存总次数(4) Cache –主存系统的效率效率 e 与 命中率 有关设 Cache 命中率 为 h，访问 Cache 的时间为 tc ，访问 主存 的时间为 tm则 e = × 100%tch × tc+ (1－h)× tm访问 Cache 的时间平均访问时间e = × 100%Cache—主存系统平均访问时间：ta=htc+(1-h)tm3. Cache 的基本结构Cache 替换机构Cache 存储体主存Cache 地址映射 变换机构由CPU完成4. Cache 的 读写 操作访问Cache 取出信息送CPU访问主存 取出信息送CPU将新的主存块 调入Cache中执行替换算法腾出空位结束命中？Cache满？CPU发出访问地址开始是否是否读Cache由CPU访问主存启动 Cache操作类型由CPU访问主存操作类型决定Cache 和主存的一致性 4. Cache 的 读写 操作写• 写直达法（Write – through） • 写回法（Write – back） 写操作时数据既写入Cache又写入主存 写操作时只把数据写入 Cache 而不写入主存 当 Cache 数据被替换出去时才写回主存 需增加标记：清、浊写操作时间就是访问主存的时间写操作时间就是访问 Cache 的时间减少访问主存次数，但有风险。

未命中时） 4. Cache 的 读写 操作写• 写分配法 • 非写分配法 写操作时数据写入主存 同时相应主存块调入Cache写操作时只把数据写入主存缓存CPU主存4. Cache 的 读写 操作字块字5. Cache 的改进(1) 增加 Cache 的级数片载（片内）Cache片外 Cache(2) 统一缓存和分立缓存指令 Cache数据 Cache与主存结构有关与指令执行的控制方式有关是否流水32K 指令 Cache 32K 数据 Cache……256KB 、 2×1MB、L1 L2 (L3)e.g: 主存64个存储单元，缓存16个存储单元，快长4个 存储单元试分析主存和缓存空间结构~~~~… …主存块号主存储器块 0块 1块 15主存块号块内地址4位2位6位16块缓存块号块内地址2位2位4块~~~~… …块 0块 1块 3标记Cache缓存块号Cache 读操作:访问Cache 取出信息送CPU访问主存 取出信息送CPU将新的主存块 调入Cache中执行替换算法腾出空位结束命中？Cache满？CPU发出访问地址开始是否是否Cache由CPU访问主存启动 Cache操作类型由CPU访问主存操作类型决定Cache命中率:CPU 欲访问的信息在 Cache 中的 比率命中率 与 Cache 的 容量 、 块长 、与主存 地址映射规则、替换策略有关 。

Cache容量、块长并非越大越好h = Nc / (Nc+Nm)Nc:访问Cache命中次数Nm：(未命中时)访问主存总次数Cache –主存系统效率:效率 e 与 命中率 有关设 Cache 命中率 为 h，访问 Cache 的时间为 tc ，访问 主存 的时间为 tm则 e = × 100%tch × tc+ (1－h)× tm访问 Cache 的时间平均访问时间e = × 100%Cache—主存系统平均访问时间：ta=htc+(1-h)tm二、替换算法1. 先进先出 （ FIFO ）算法 2. 近期最少使用（ LRU）算法3. 随机法三、Cache – 主存的地址映射地址映射： Cache – 主存存储空间设 计用某种函数或规则使主存地址与 Cache 地址具有某种逻辑对应关系地址变换：CPU存储器访问时，将主 存地址按映射规则换算成Cache 地址 的过程e.g: 主存64个存储单元，缓存16个存储单元，快长4 个存储单元。

试分析主存和缓存的全相联映射关系~~~~… …主存块号主存储器块 0块 1块 15主存块号块内地址4位2位6位缓存 主存块标记缓存块号块内地址2位2位~~~~… …块 0块 1块 3标记Cache缓存块号1. 全相联映射主存 中的 任一块 可以映射到 缓存 中的 任一块块2m－1块2c－1块1字块0……块2c－1块1块0…标记标记标记主存块标记 字块内地址主存地址m 位b位m Cache 存储器主存储器块0块2m－1字块2c+1块2c+1－1块2c +1字块2c块2c－1块1字块0………主存储体块 1标记字块 0标记块 2c－1标记Cache存储体t位0 12c－1…块 字块地址主存块标记t 位c 位b 位主存地址比较器（t位） =≠不命中有效位=1？*m位Cache 内地址否是 命中2. 直接映射每个缓存块 i 可以和 若干 个 主存块 对应每个主存块 j 只能和 一 个 缓存块 对应i = j mod C块2c+1块2c块0块 0缓存块 号主存块 号缓存块 数e.g: 主存64个存储单元，缓存16个存储单元，快长4个 存储单元试分析主存和缓存的直接地址映射关系~~~~… …主存块号主存储器块 0块 1块 15缓存 主存块标记块内地址2位2位缓存块号块内地址2位2位~~~~… …块 0块 1块 3标记Cache缓存块号2位缓存块号块2m－1字块2c-r+1块2c-r + 1字块2c-r块2c-r －块1字块0………块 3标记字块 1标记块 2c－1标记块 2标记字块 0标记块 2c－2标记…………块内地址组地址 主存块标记s = t + r 位q = c－r 位b 位组012c-r－1主存地址Cache主存储器m 位共 Q 组，每组内两块（r = 1)1某一主存块 j 按模 Q 映射到 缓存 的第 i 组中的 任一块i = j mod Q直接映射全相联映射3. 组相联映射块0块 1 块 0块2c-r块2c-r+1e.g: 主存64个存储单元，缓存16个存储单元，分两组，快长4 个存储单元。

试分析主存和缓存的组相联映射关系~~~~… …主存块号主存储器块 0块 1块 15缓存 主存块标记块内地址3位2位6位组内块内地址1位2位组 地址013标记Cache块组0121位1位缓存组 地址两路组相联映射例4.8 (P120)例4.11 (P122)4.4 辅助存储器1. 辅存特点2. 辅存类型及发展趋势特点3. 辅存技术指标4. 硬磁盘寻址5. CRC码4.4 辅助存储器 一、概述1. 特点容量大、成本低、非易失性通过I/O接口与主机交换信息形成主存——辅存层次一、概述2. 类型(按存储介质)(1) 磁表面：(2) 光学介质(3) 半导体介质： 固态硬盘磁带、磁盘、磁盘阵列【4.4.7 光盘存储器盘片结构：印刷层、保护层、反射层(金、银)、记录层( 非磁性介质、磁性介质)、基板利用聚焦的激光束处理记录介质，存储和再生信息 光盘的存储原理：只读型和只写一次型可擦写光盘热作用（物理或化学变化）热磁效应 】3. 磁表面存储器的技术指标道密度 Dt位密度 DbC = n × k × s 格式化 非格式化寻道时间 + 等待时间(1) 记录密度(2) 存储容量(3) 平均寻址时间(4) 数据传输率(5) 误码率辅存的速度 ：平均寻址时间读写时间出错信息位数与读出信息的总位数之比传输时间4. 磁记录原理写局部磁化单元载磁体写线圈SNI局部磁化单元写线圈SN铁芯磁通磁层写入“0”写入“1”IN读线圈S读线圈SN铁芯磁通磁层运动方向运动方向ssttffee读出 “0”读出 “1”读磁表面存储器的记录方式电流波形：011100010数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期二、硬磁盘存储器1. 硬磁盘存储器的类型(1) 固定磁头和移动磁头(2) 可换盘和固定盘2. 硬磁盘存储器结构磁 盘 控 制 器磁 盘 驱 动 器盘 片主 机磁盘磁 盘 组主轴磁头音圈 电机位置检测 定位驱动模拟控制放大 闭环自动控制系统由磁盘控制 器送来的目 标磁道信号测速输 出读写臂传动机构主轴定位驱动数据控制(1) 磁盘驱动器(2) 磁盘控制器• 接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令• 实现主机和驱动器之间的数据格式转换• 控制磁盘驱动器读写通过总线对主机 对硬盘（设备）磁盘控制器 是主机与磁盘驱动器之间的 接口主机与设备标准接口：IDE SATA SCSI 光纤通道 ……3. 硬磁盘存储器发展动向提高磁盘记录密度 提高磁盘数据传输率及缩短平均存取时间 磁盘阵列（RAID） 半导体盘——存储卡 固态硬盘由硬质铝合金材料为基底附着磁性物质制成(3) 盘片4. 硬磁盘磁道记录格式---数据块在盘面分布规律（1） 定长记录格式 （2）不定长记录格式------根据需要决定记录块长度定长记录格式 ：磁盘寻址：定长记录格式：例4.12 (P135) 例4.13 (P136)（1）基于模2运算编码方法（不考虑进位 ） – 模2加减: 异或逻辑— 0⊕0=0; 0⊕1=1; 1⊕0=1; 1⊕1=0. – 模2乘: 模2除: 1 0 1 0 1 0 1/ 1 0 0 0 0× 1 0 1 1 0 11 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 01 0 1 0 。