计算机组成原理-第十二课范例课件.ppt

计算机组成原理计算机组成原理唐朔飞第版高等教育出版社高等教育电子音像出版社【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织1）画出主存地址字段中各段的位数（2）设Cache初态为空，CPU依次从主存第0,1,2,99号单元读出100个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读10次，问命中率是多少？（3）若Cache的速度是主存速度的5倍，试问有Cache和无Cache相比，速度提高多少倍？（4）系统的效率为多少？【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织1）画出主存地址字段中各段的位数解：（1）组相联映射方式下，主存地址格式如图所示每个字块8个字，每个字32位，则字块容量为832=32B，字块内地址b为2b=32，得b=5Cache容量为8KB，则一共含有8KB/32B=256块四路组映射，则一共分成256/4=64组，因而组地址q满足2q=64，得q=6又由于主存容量为16MB=224B，因而主存地址线为24，24-b-q=13，得主存字块标记为13主存字块标记组地址字块内地址1365【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB。

每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织2）设Cache初态为空，CPU依次从主存第0,1,2,99号单元读出100个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读10次，问命中率是多少？解：（2）每个字块有8个字，初态Cache 为空，因此CPU读第0号单元时，未命中，必须访问内存，同时将该字所在的主存块调入Cache的第0组中的任何一块内，接着CPU读1-7号单元时均命中同理，CPU读第8，16，96号单元时均未命中可见CPU在连续100个字中共有13次未命中，而后9次循环读100个字全部命中，命中率为10010-1310010= 0.987【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织3）若Cache的速度是主存速度的5倍，试问有Cache和无Cache相比，速度提高多少倍？解：（3）设Cache的存取周期为t，主存的存取周期为5t，命中率为0.987，则加入Cache后的系统平均访问时间ta为ta=0.987t+（1-0.987）5t=1.052t则有Cache和没有Cache相比，速度提高的倍率为3.75倍加入Cache后，速度是原来的5t/1.052t = 4.75倍【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB。

每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织4）系统的效率为多少？解：则系统的效率e为（4）Cache的存取周期tc=t，系统平均访问时间ta=1.052te = tc/ta100% = t/1.052t100% = 95%三、替换算法1. 先进先出 （ FIFO ）算法 2. 近期最少使用（ LRU）算法：一般采用简化方法，只记录每个块最近一次使用的时间小结某一 主存块 只能固定 映射到 某一 缓存块直接全相联组相联某一 主存块 能 映射到 任一 缓存块某一 主存块 只能 映射到 某一 缓存 组 中的 任一块不灵活成本高4.34.34.4 4.4 辅助存储器辅助存储器一、概述1. 特点不直接与 CPU 交换信息2. 磁表面存储器的技术指标道密度 Dt位密度 DbC = n k s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) 误码率辅存的速度寻址时间磁头读写时间Dr = Db V出错信息位数与读出信息的总位数之比二、磁记录原理和记录方式1. 磁记录原理写4.44.4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”4.44.4读1. 磁记录原理2. 磁表面存储器的记录方式011100010数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期4.44.4例 NRZ1 的读出代码波形0110010数据序列驱动电流磁通变化感应电势同步脉冲读出代码4.44.4三、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4.44.4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4.44.4(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(3) 盘片对主机对硬盘（设备）磁盘控制器 是主机与磁盘驱动器之间的 接口由硬质铝合金材料制成4.44.4P135 例4.12 例4.14四、软磁盘存储器1. 概述速度磁头盘片价格环境硬盘软盘高低固定、活动活动固定盘、盘组大部分不可换可换盘片苛刻浮动接触盘片高低4.44.42. 软盘片由聚酯薄膜制成保护套主轴孔实际的软盘片写保护口读/写磁头访问槽衬里/清洁材料4.44.44.4.6 循环冗余校验码（CRC）基于模2运算而建立编码规编码规 律的校验码验码【模2四则则运算】 模2加法(按位加，不考虑进虑进 位)：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0 (mod 2)； 模2减法（按位减，不考虑虑借位）：0-0=0，1-0=1，0-1=1，1-1=0 (mod 2)； 模2乘法：按二进进制乘法求出部分积积，再用模2加法求部分积积之和，不考虑进虑进 位。

模2除法：按模2减法求部分余数，不借位 上商规则规则 ：余数最高位为为1，商为为1，余数最高位为为0，商为为0； 余数位数少于除数位数即为为最后余数 模2加法和模2减法的结结果是相同的，即：模2减法可用模2加法代替两个相同数的模2和恒为为0【例】 (1)已知 x=1010，y=101，求xy(mod 2) (2) x=10000，y=101，求xy（mod 2）【解】101010110100000101010001010000101101101010000100101011. CRC码码的编码编码 方式设设待编编的信息码组为码组为 Dn-1Dn-2D2D1D0，共n位，可用多项项式M(x)表示：M(x)=Dn-1xn-1 + Dn-2xn-2 + + D1x1 + D0 x0将信息码组左移k位，得M(x)xk，即成n+k位信息组Dn-1+kDn-2+kD2+kD1+kD0+k00000k位空出的k位用来接k位校验位CRC校验码就是用多项式M(x)xk除以生成多项式G(x)（即产生校验码的多项式），所得余数作为校验位为了得到k位余数（校验位），G(x)必须是k+1位设所得余数为R(x)，商为Q(x)，则有M(x)xk= Q(x)G(x)+R(x)将余数拼接在左移了位后的信息位后面，就构成了这个有效信息的CRC码。

这个CRC码用多项式表示为M(x)xk + R(x) = Q(x)G(x) + R(x) + R(x) = Q(x)G(x) + R(x)+R(x) = Q(x)G(x) （模2和）CRC码是一个可被生成多项式G(x)除尽的数码若CRC码在传输过程中不出错，其余数必为0；若出错，则余数不为0，由该余数指出哪一位出错，即可纠正【例4.15】 已知有效信息为1100，试用生成多项式G(x)=1011将其编成CRC码解：有效信息M(x)=1100，得n=4G(x)=1011，得k+1=4，从而k=3，即需加3位校验位有效信息左移3位后再被G(x)模2除，即有效信息M(x)x3=1100000M(x)x3/G(x)=1100000/1011=1110+010/1011 （模2除）所以M(x)x3+R(x)=1100000+010=1100010为CRC校验码R(x)总的信息位为7位，有效信息位为4位，故上述1100010码又称为（7，4）码2. 循环码环码 的纠错纠错 原理【以G(x)=1011为为例】若接收到的循环环校验码验码 V(x)能被G(x)整除，则则无错错，余数非0则则出错错,余数为为101时时是左起第一位出错错；余数非0又非101时时，继续继续 做模2除，若除p次后得余数101，则则左起p+1位出错错，将出错错位变变反得到正确数据码码。

解：解： 【例】设设G(x)=1011，判断校验码验码 V(x)=1101010时时是否出错错，若出错则纠错则纠 正 又除了又除了3 3次，即左起第次，即左起第4 4位出位出错错错错，正确，正确码码码码：V(x)=1100010 V(x)=1100010 五、光盘存储器1. 概述采用光存储技术采用非磁性介质采用磁性介质第一代光存储技术第二代光存储技术不可擦写可擦写2. 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4.44.4利用激光写入和读出。