计算机组成原理第06章.pptVIP

1、主存储器（内存） 主存储器是能由CPU直接访问的存储器，用来存放正在执行的程序极其相关数据。 主存储器用半导体存储器构成。 主存储器采取随机存取方式：可按地址随机地直接访问任一存储单元；访问任一存储单元所需的读/写时间相同，与地址无关。 从物理寻址的角度，主存容量受地址位数的制约。如32位机80386/80486，可提供32位地址，直接寻址空间可达4G，但实际系统一般并未配置这么大的主存，而是从实际需要、成本、速度等方面综合考虑，决定系统的设计规模。 2、外存储器（辅助存储器、后援存储器） 用来存放暂时不执行的程序和数据，起支援主存的作用，主要解决了主存容量的不足。 此层次在操作系统的管理下，构成一虚拟存贮器 ––– 速度近似于主存速度，容量等于辅存容量。 信息的组织采取文件、数据块的结构，采用顺序存取方式：顺序存取存储器SAM（磁带）；直接存取存储器DAM（磁盘：直接定位磁道，顺序读写信息）。 特点：大容量，价格/位低，非易失性，可靠性低。 3、高速缓存（Cache） 高速缓冲存储器位于主存与CPU之间，为了提高主存的工作速度，使之与CPU速度匹配。 高速缓存用来存放最近要使用的程序和数据，它是主存中当前信息的副本。 设置Cache的理论基础是程序执行的局部性原理。 由高速SRAM芯片组成，随机存取，可读可写。 CPU访问主存时，同时将地址送主存与Cache。 二、高速缓存（ Cache） 1、主存与Cache的地址映射 Cache与主存的数据交换是以块为单位，为了把主存块放到Cache中，必须应用某种方法把主存地址定位到Cache中，称为地址映射。“映射”一词的物理含义是确定位置的对应关系，并用硬件来实现。当CPU访问存储器时，它所给出的内存地址会自动变换成Cache的地址，速度相当快，软件人员丝毫未感觉到Cache的存在——Cache的透明性。 需将主存与Cache的存储空间划分为若干大小相同的页（块）。 如：主存 1MB：2048页，512B/页； Cache 8KB：16页，512B/页。 下面以此为例介绍三种基本的地址映射方法。 1）、直接映射方法 即主存中每一个页只能复制到某一固定的Cache页中。 映射规律：将主存的2048页按顺序分为128组，每组16页，分别与Cache的16页直接映射，即以16为模的重复映射关系。可同时复制16页。 主存第0、16、32等共128页只能映射到Cache第0页。主存第1、17、33等只能映射到Cache第1页…… 实现方法如图示： 主存地址20位：高11位为主存页号，指示211即2048页；低9位为页内地址，指示29即512B 主存页号分为：主存标记，高7位，指示27即128组中的某一组； Cache页号，低4位，指示24即组内16页中的某一页。 这样，20位主存地址中的低13位也就是转换后的Cache地址（213即8KB）。 在Cache方面，为每一页设立一个Cache标记，7位，对应主存的第0～127共128组。 因此在访存时，只需比较主存地址中高7位的标 记段与对应Cache页的7位标记，若二者相同， 表明所需访问主存页的内容在对应的Cache页中 该方式容易实现，但不够灵活，有可能使Cache的存储空间得不到充分利用。 如需将主存第0页与第16页同时复制到Cache中，由于它们都只能复制到Cache的第0页，即使Cache其它页空闲，也将有一个主存页不能写入Cache。 2）、全相联映射方法 即主存的每一页可映射到Cache的任一页。如图示。 该方式映射关系比较灵活，但速度很慢，失掉高速缓存作用，不太实用。 此方式不能直接从主存地址码中提取Cache页号，需将主存页标记与Cache各页的标记逐个比较，直到找到标记符合的页为止（访问Cache命中），或是全部比较完后仍无符合的标记（访问Cache失败）。 3）、组相联映射方法 此方式为一种折衷方案：主存与Cache都分组，主存中一个组内的页数与Cache中的分组数相同。对本例，如果Cache只有一组，就是全相联映射方式；若Cache分为16组，每组只有1页，就是直接映射方式。 映射规律：主存中的各页与Cache的组号间有固定的映射关系，但可自由映射到对应的Cache组中的任何一页。 如图，主存分为256组，每组8页； Cache分为8组，每组2页。则主存第0、8、16等共256页，均映射于Cache的第0组，但可映射于该组的第0或1页……