第7章存储系统.ppt

第7章 存储系统 7.1 存储系统的层次结构（识记） 7.2 高速缓冲存储器（掌握） 7.3 虚拟存储器（理解） 7.4 相联存储器（了解） 7.5 存储保护（了解） 层次之间应满足的原则 一致性原则： 处在不同层次存储器中的同一个信息应保持相同的值,是保证正确地使用数据的最基本的要求之一. 包含性原则： 存储在内层（靠近CPU）的信息一定被包含在其外层的存储介质中，反之则不成立。即内层存储器中的全部信息，都是其相邻外层存储器中一小部分信息的复制品 。 7．2 高速缓冲存储器(cache) 7．2．1 cache存储器工作原理 7．2．2 cache存储器组织 1．地址映像 为了把信息放到cache存储器中，必须应用某种函数把主存地址映像到cache，称作地址映像。在信息按照这种映像关系装入cache后，执行程序时，应将主存地址变换成cache地址，这个变换过程叫做地址变换。地址的映像和变换是密切相关的。 主存与cache的地址映射 Cache直接相联映射 Cache直接相联映射 Cache全相联映射 Cache全相联映射 cache全相联映射地址变换 Cache组相联映射 2．替换算法 引入原因：当新的主存字块需要调入cache存储器而它的可用位置又已被占满时，就产生替换算法问题。常用算法： FIFO算法总是把一组中最先调入cache存储器的字块替换出去。特点：实现容易，开销小。 LRU算法是把一组中近期最少使用的字块替换出去。需记录各个字块的使用情况，以便确定那个字块是近期最少使用的字块。特点：LRU替换算法的平均命中率比FIFO要高，并且当分组容量加大时，能提高LRU替换算法的命中率。 7．2．3 cache存储器举例 Intel 82385cache控制器： 与80386微处理器相匹配的主存一cache存储系统是由82385cache控制器来实现地址映像和变换的。可全部映像80386的32位地址提供的4G(千兆)字节的地址空间，使CPU几乎无任何等待地读出数据，命中率可高达99％。 82385片内只含有cache控制器，cache数据保存在片外的SRAM中。 7．2．4 多层次cache存储器 1．指令cache和数据cache 单一cache：将指令和数据存放在同一cache。 存取数据的操作经常会与取指令的操作发生冲突，从而延迟了指令的读取。 给定cache总量时，单一cache有较高的利用率. 将指令cache和数据cache分开:速度快. 7.3 虚拟存储器 7.3.1 虚拟存储器概述 7．3．2 页式虚拟存储器 在页式虚拟存储系统中，把虚拟空间分成页，主存空间也分成同样大小的页，称为实页或物理页，而把前者称为虚页或逻辑页。 特点：读一个数据至少要访问2次内存，速度慢。 解决方法：快表。 快表：由硬件组成，通常称为转换旁路缓冲器(translation lookaside buffer，简称TLB)。它比页表小得多，一般在16行～64行之间，快表只是慢表(指主存中的页表)的小小的副本。 7．3．3 段页式虚拟存储器 在段页式虚拟存储器中，把程序按逻辑结构分段以后，再把每段分成固定大小的页。程序对主存的调入调出是按页面进行的，但它又可以按段实现共享和保护。 优点：兼取页式和段式系统的优点。 缺点：在地址映像过程中需要多次查表。 如果有多个用户在机器上运行，称为多道程序，多道程序的每一道(每个用户)需要一个基号(用户标志号)，可由它指明该道程序的段表起点(存放在基址寄存器中)。 7．3．4 虚拟存储器工作的全过程 思考：寻址方式与虚拟存储器的关系？ 对虚拟存储器来说，程序员按虚存储空间编制程序，在直接寻址方式下由机器指令的地址码给出地址。这个地址码就是虚地址，可由虚页号及页内地址组成，如下所示： 7.3.5 Pentium处理机的虚拟存储器 Pentium的虚拟地址被称为逻辑地址，其长度为48位，有效的逻辑地址为46位(14位+32位)，虚拟空间为246。 7．3．6 存储管理部件(MMU) 现代计算机一般都有辅助存储器，但具有铺存的存储系统不一定是虚拟存储系统。虚拟存储系统有两大特点： (1)允许用户用比主存空间大得多的空间来访问主存。 (2)每次访存都要进行虚实地址的转换。 为了实现逻辑地址到物理地址的转换，并在页面失效时(即被访问的页面不在主存)进入操作系统环境，设置了由硬件实现的存储管理部件MMU，而整个虚拟存储