大连理工大学计算机组成与多核计算课件第七章 存储系统.ppt

第七章 存储系统 存储层次 高速缓冲存储器 虚拟存储器 相联存储器 存储保护 主存 / 辅存层次 存储空间的分配 人工定位 ——人工-操作系统 容量、成本因素 虚拟存储系统 虚地址、逻辑地址，虚存容量、虚拟存储空间 实地址、物理地址，实存容量、实际存储空间 分块调入 地址映射 主存 / 缓存层次 速度 – Cache 速度因素 三层存储体系 地址映射举例 7.2 高速缓冲存储器Cache 1. Cache的工作原理 程序的局部性原理 时间局部性、空间局部性、指令、数据 功能 解决CPU和主存之间速度不匹配问题，它的工作速度数倍于主存，全部功能由硬件实现，并且对程序员是透明的。 发展 结构：块、标记 工作过程 cache的命中率 定义 CPU所要访问的信息在cache中的比率 表达式 命中率 h 失效率 平均存取时间 t a 　???????? cache的命中率 定义 CPU所要访问的信息在cache中的比率 表达式 命中率 h 失效率 平均存取时间 t a 　???????? 命中率相关因素 程序行为, Cache容量, 块大小, 组织方式 Cache 和主存的一致性 写回法：标志交换(flag-swap) 直达法: 通过式写(write-through) 替换策略，有效位，dirty位 2. cache存储器组织 地址映像 定义: 应用某种方法把主存地址定位到cache中 方式: 直接映象、全相联映象和组相联映象 地址变换：执行程序时，将内存地址变换为 cache地址，这个过程称作地址变换。 直接映象 映射函数 j = i mod 2c j：cache块号 i：主存块号 2c：cache的块数 直接映象Cache组织 全相联映射方式 映射关系: 主存块可存于Cache任意行 原理 全相联映射方式 优点: 存取灵活，不易发生块冲突 缺点: 相联比较器电路难于设计和实现 组相联映射方式 映射关系: 组间直接映像 组内全相联映像 j=( i mod 2c’)* 2r +k ( 0≤k ≤ 2r-1 ) 原理 替换策略 FIFO算法 – First In First Out LRU算法 – Least Recently Used 随机替换 – RAND 3.7 虚拟存储器 1.基本概念 虚拟存储器 ( Virtual Memory ) 虚拟存储器指的是“主存—辅存”层次，它能使计算机具有辅存的容量，接近于主存的速度和辅存的每位成本。使得程序员可以按比主存大得多的空间来编制程序，即按虚存空间编址。 虚拟地址 vs 物理地址 主存-辅存 vs 主存-Cache 段式管理 页式管理 2.页式虚拟存储器 虚页(逻辑页)与实页(物理页) 虚地址 实地址 快表与慢表实现内部地址变换 使用快表和慢表实现虚实地址变换 3.段式存储器 虚拟地址 段表 虚存地址向实存地址的变换 4.段页式存储器 段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的结合 段表 页表 虚地址 地址变换过程 段页式存储举例 段页式存储举例 段页式虚拟存储的地址变换 替换算法 　　　　　　　　　　　 VM的页面替换 vs Cache中的行替换 缺页使系统损失要比cache未命中大得多 页面替换是由操作系统软件实现的 页面替换的选择余地很大 替换策略 随即替换算法 LRU算法：最近最少使用 LFU算法：最久未使用 FIFO算法： OPT算法：最优算法 5.虚拟存储器实例 奔腾PC的虚地址模式 存储管理部件MMU：分段部件SU和分页部件PU 分段不分页模式 分段分页模式 不分段分页模式 多用户虚拟存储器工作过程 3.8 相联存储器 基本原理 特征: 非地址访问,内容访问 原理: 把存储单元所存内容的某一部分作为检项，去检索该存储器 格式: Key + Date 组成结构 比较数寄存器、屏蔽寄存器、查找结果寄存器、字选择寄存器、存储体、比较线路、控制线路等组成 相联存储器框图 3.9 存储保护 存储区域保护 页表保护和段表保护 虚拟内存形成主存地址前的保护方式：形成不存在的页、段越界 键保护方式 对地址变换出错的保护方式 锁－钥匙 环保护方式 对正在执行的程序本身的关键部分的保护方式 分环－保护级 环保护方式 访问方式保护