青岛科技大学计算机组成与系统结构Chapter 3.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 例 3.2 当c-r=3，r=1时，问主存字块15可映射到Cache中的哪一块？ 解：j=(i mod 2c-r)×2r+k =(15 mod 23)×21+k =7×2+k=14+k 因为0≤k≤2r-1=2-1=1，所以k=0或1。 j=14(k=0)或j=15(k=1)。 即主存字块15可映射到Cache的第14或15字块中，在第7组。 课后题14 设某机主存容量为4MB，Cache容量为16KB，每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映象（即Cache每组内共有4个字块）的Cache组织，要求： （1）画出主存地址字段中各段的位数； （2）设Cache的初态为空，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），并重复按此次序读8次，问命中率是多少？ （3）若Cache的速度是主存的6倍，试问有Cache和无Cache相比，速度提高多少倍？ ？ 解（1）r=2，cache行数：16KB/(8*4B)= 29 ，c=9 n=22，内存块数：4MB/(8*4B)=217 ，m=17，t=m-c=8 所以内存三段地址为(t+r):(c-r):b=10:7:3 (2) 命中率 h=（100*8-13） (3) 提高 6/[h*1+(1-h)*6]=5.3 倍 3.7.4 Cache中主存块的替换算法 当新的一块数据需要装入Cache时，原来存储的一个Cache行必须被替换掉。 常用的有先进先出(FIFO)算法和最近最少使用(LRU)算法。 1．先进先出算法 在发生替换时，先进先出算法把最先调入的Cache行替换出去。FIFO算法用循环或唤醒缓冲技术很容易实现，但是一般来说，采用先进先出算法也不能得到很高的Cache命中率。 2．最近最少使用算法 最近最少使用(LRU)算法是把一组中近期最少使用的字块替换出去。 这种替换算法需随时记录Cache存储器中各个字块的使用情况，以便确定哪个字块是近期最少使用的字块。实际情况证明，最近最少使用算法是一个比较好的替换算法，采用这种替换算法能够得到较高的Cache命中率。 另外还有一种随机替换(RAND)算法，这种算法不考虑使用情况，在组内随机选择一块来替换。其性能比根据使用情况的替换算法要差些。 3.7.5 Cache写策略 由于Cache的内容只是主存部分内容的副本，它应当与主存内容保持一致。而CPU对Cache的写入更改了Cache的内容。为了与主存内容保持一致，可以选用不同的写策略。 常用的写策略通常有写贯穿和写回两种。 写贯穿策略 定义如下：当CPU写Cache命中时，所有写操作既对Cache也对主存进行；当CPU写Cache不命中时，直接写主存，然后有两种做法： 其一，不将该数据所在的块拷贝到Cache行，称为WTNWA法； 其二，将该数据所在块拷贝到Cache的某行，称为WTWA法。 写贯穿策略保证了主存数据总是有效。但可能引起瓶颈问题。降低了Cache的功效。 写回策略 当CPU写Cache命中时，写操作只是对Cache进行，而不修改主存的相应内容，仅当此Cache行被换出时，相应的主存内容才被修改；当CPU写Cache不命中时，先将该数据所在块拷贝到Cache的某行，余下操作与Cache写命中时相同。 为了区别Cache行是否被改写过，应为每个Cache行设置一个修改位，CPU修改Cache行时，标记其修改位，当此Cache行被换出时，判别此Cache行的修改位，决定是否将Cache行数据写回主存相应单元。 写回策略主张写Cache和写主存异步进行,减少了对低速的主存写的次数,使Cache在CPU和主存之间读/写两方面都起到了高速缓存的作用,但其控制复杂,最大的弊端是存在导致Cache和主存数据不一致的隐患。 3.8 虚拟存储器 虚拟存储器由主存储器和联机工作的辅助存储器（通常为磁盘存储器）共同组成，这两个存储器在硬件和系统软件的共同管理下工作，对于应用程序员，可以把它们看作是一个单一的存储器。 3.8.1 虚拟存储器的基本概念 虚拟存储器将主存或辅存的地址空间统一编址，形成一个庞大的存储空间。