第7章存储系统综述.ppt

第7章 存储系统;本章学习目标;用途：存储器系统是计算机中 　 用于存储程序和数据的部件。 对其要求是： 　 尽可能快的读写速度 尽可能大的存储容量 尽可能低的成本费用 存储器的性能指标：容量、速度和价格／位。;怎样才能同时实现这些要求呢？ 用多级结构的存储器系统 把要用的程序和数据， 按其使用的急迫和频繁程度， 分块调入存储容量不同、 运行速度不同的存储器中， 并由硬软件来统一管理与调度。; ;层次之间应满足的原则;主—辅存层次:在操作系统的作用下,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的慢速的辅存平均价格。解决了容量与成本之间的矛盾。 高速缓存(cache)—主存层次:在硬件的作用下,其速度接近于cache，容量与每位价格则接近于主存。解决了速度与成本之间的矛盾。 ;7．2 高速缓冲存储器(cache);;; 高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器， 由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。 Cache的功能是用来存放那些近期需要运行的指令与数据。目的是提高CPU对存储器的访问速度。为此需要解决3个技术问题：一是主存地址与缓存地址的映象及转换； 二是按一定原则对Cache的内容进行替换；三是对Cache 的读出与写入。 ; 当CPU发出读请求时，将主存地址m位(或m位中的一部分)与cache某块的标记相比较，根据其比较结果是否相等而区分出两种情况：当比较结果相等时，说明需要的数已在cache中，即访问cache命中,直接访问cache就行了，在CPU与cache之间，通常一次传送一个字；当比较结果不相等时，即访问cache不命中. 把该数据所在的整个字块从主存一次调进来。 命中率:指CPU所要访问的信息在cache中的比率.受cache容量和块的大小的影响。;具有cache的存储器，其平均存取时间计算如下： 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)。 在从主存读出新的字块调入cache存储器时，如果遇到cache存储器中相应的位置已被其他字块占有，那么就必须去掉一个旧的字块，让位于一个新的字块。这种替换应该遵循一定的规则，最好能使被替换的字块是下一段时间内估计最少使用的。这些规则称为替换策略或替换算法，由替换部件加以实现。;一致性问题 读：不存在一致性问题 写：两种写入方式保证一致性： “写回法”:是暂时只向cache存储器写入，并用标志加以注明，直到经过修改的字块被从cache中替换出来时才一次写入主存；这种方式写操作速度快，但因在此以前，主存中的字块未经随时修改而可能失效。 写直达法：每次写入cache存储器时也同时写入主存，使cache和主存保持一致。这种方式实现简单，且能随时保持主存数据的正确性。但是，有可能要增加多次不必要的向主存的写入。;7．2．2 cache存储器组织;主存与cache的地址映射;第0块;8位;第0块;直接映像 直接映像函数:j=i mod 2c 其中，j是cache的字块号，i是主存的字块号。 优点：是实现简单。 只需利用主存地址按某些字段直接判断，即可确定所需字块是否已在cache存储器中。 缺点：不够灵活。 主存的2t个字块只能对应惟一的cache存储器字块，因此，即使cache存储器别的许多地址空着也不能占用。这使得cache存储空间得不到充分利用，并降低了命中率。;;举例：主存容量为1M， Cache的容量为32KB，每块的大小为16个字（或字节）。划出主、缓存的地址格式、目录表格式及其容量。 ;练习：;Cache全相联映射;Cache全相联映射;cache全相联映射地址变换;(2)全相联映像 它允许主存中的每一个字块映像到cache存储器的任何一个字块位置上，也允许从确实已被占满的cache存储器中替换出任何一个旧字块。 全相联映像方式是最灵活但成本最高的一种方式 问题: 1.不只是它的标记位数从t位增加到t+c位(与直接映像相比)，使cache标记容量加大. 2.在访问cache时，需要和cache的全部标记进行“比较”才能判断出所访主存地址的内容是否已在cache中。;;第0块;(3)组相联映像 把cache字块分为2c’组，每组包含2r个字块，于是有c=c’+r。主存字块Mm(i)(0≤i≤2m-1)可以用下列映像函数映像到cache字块Mc(j)(0≤j≤2c-1)上 j=(i mod 2c’) × 2