第6章存储系统概要.ppt

存储系统的层次结构 衡量存储器有三个指标:容量、速度和价格/位. 单一的存储器很难同时满足三个指标. 因为存取时间越短,每位的价格就越高;容量越大,每位的价格就越低;容量越大,存取时间就越长. 存储系统实现： 存储系统不是硬件的简单堆积，是硬软件相结合的方法连接而成的系统。 这个系统对应用程序员透明。 这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器, 存储器容量与容量最大的那个存储器相等或接近, 单位容量的价格接近最便宜的那个存储器. 存储系统的层次结构 3. Cache-CPU-主存之间的关系 关系 1. cache 基本结构 2. Cache工作原理 3. Cache的设计要素 Cache容量 映射功能 直接映射 组相联映射 全相联映射 替换算法 最近最少使用（LRU） 先进先出（FIFO） 最不经常使用（LFU） 随机 写策略 写通过(write through) 回写(write back) 写一次 块大小 Cache数目 一级或二级 统一或分离 块长：块的大小，块长一般取一个主存周期所能调出的信息长度。Pentium为32个字节。 cache的容量和块的大小是影响cache的效率的重要因素。通常用“命中率”来测量cache的效率。 命中率：指CPU所要访问的信息在cache中的比率。 失效率：将所要访问的信息不在cache中的比率。 cache的存储容量比主存的容量小得多；太小会使命中率太低；过大不仅会增加成本，且当容量超过一定位后，命中率随容量的增加将不会有明显地增长。 6.2.3 cache存储器组织 主存的地址和cache地址间建立一种确定的逻辑关系，必须应用某种函数把主存地址映像到cache，这样的逻辑关系称作地址映像。 在信息按照这种映像关系装入cache后，执行程序时，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。 地址映像方式：直接映像、全相联映像、组相联映像 设主存储器空间被分为Mm(0), Mm(1), …, Mm i), …, Mm(2m－1)，共2m块,字块大小为2b个字; 设Cache存储空间被分为Mc(0), Mc(1), …, Mc(j), …, Mc(2c－1，共2c个同样大小的块. 6.2.3 cache存储器组织 直接映像：一个主存块只能映像到cache中的唯一一个指定块的地址映像方式。若这个位置已有内容，则产生块冲突，原来的块将无条件到被替换出去。 直接相联是一种最强的约束关系，它规定每个虚页只对应唯一的实页。地址映像方法一般是将主存块地址对cache的块数取模得到cache中的块地址，这相当于将主存的空间按cache的尺寸分区，每区内相同的块号映像到cache中相同的位置。 在这种映像方式中，主存的第0块，第2c块，第2c+1块，…，只能映像到cache的第0块，而主存的第1块，第2c+1块，第2c+1+1块，…，只能映像到cache的第1块。以此类推。 6.2.3 cache存储器组织 （1）直接映像 cache组织 6.2.3cache存储器组织 主存地址分成三段：区号、块号和块内地址。 区号(组号)作为标志存放在地址映象表中，用于判断命中与否。 块号直接用于查地址映象表; 块内地址用于块内寻址。 在访存操作时，根据主存地址中的块号读出块表中的区号，并与当前地址的区号进行比较，结果相同表cache命中，访问可对cache 进行；不相同则表示不命中，访问需对主存进行。 6.2.3 cache存储器组织 CPU送来的主存地址和读／写命令后，只需根据中间c位字段找到cache存储器字块，然后,看其标记是否与主存地址高t位符合: 如果符合且有效位为“1”，则可根据b位块内地址，从cache中取得所需指令或数据； 如果不符合或有效位为“0”，就从主存读入新的字块来替换旧的字块，并将CPU所需数据送往CPU，同时修改cache标记。假如原来有效位为“0”，还要将有效位改置成“1”。 直接映像方式的缺点是不够灵活，即主存的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。 【例1】设一个cache的容量为2KB，每个块为16B，求： ① 该cache可容纳多少个块？ ② 如果主存容量是256KB，则主存有多少个块？ ③ 主存的地址有多少位？ cache地址有多少位？ ④进行地址映象时，存储器的地址分成哪几段？各段分别有多少位？ 6.2.3 ca