1、體系結(jié)構(gòu)概念體系結(jié)構(gòu)概念弗林分類法弗林分類法計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)CPU 性能及計(jì)算性能及計(jì)算計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及發(fā)展作業(yè) P23 1.12 1.14馮馮 諾依曼機(jī)的改進(jìn)：諾依曼機(jī)的改進(jìn)：運(yùn)算器為中心運(yùn)算器為中心存儲(chǔ)器為中心存儲(chǔ)器為中心目的：目的：存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所需要處理的程序與數(shù)據(jù)存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所需要處理的程序與數(shù)據(jù) 。主存儲(chǔ)器：主存儲(chǔ)器：用以存放正在運(yùn)行的程序與數(shù)據(jù)用以存放正在運(yùn)行的程序與數(shù)據(jù) 。輔助存儲(chǔ)器：輔助存儲(chǔ)器：存放等待運(yùn)行的程序與數(shù)據(jù)。存放等待運(yùn)行的程序與數(shù)據(jù)。通用寄存器組：通用寄存器組：是存放那些最經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)。是存放那些最經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)。存

2、儲(chǔ)系統(tǒng)：存儲(chǔ)系統(tǒng)：兩個(gè)或兩個(gè)以上的速度、容量、價(jià)格不同的存兩個(gè)或兩個(gè)以上的速度、容量、價(jià)格不同的存儲(chǔ)器采用硬件，軟件或軟、硬件結(jié)合的辦法聯(lián)接成一個(gè)系儲(chǔ)器采用硬件，軟件或軟、硬件結(jié)合的辦法聯(lián)接成一個(gè)系統(tǒng)。統(tǒng)。v存儲(chǔ)層次的概念和性能參數(shù)（命中率、平均訪存儲(chǔ)層次的概念和性能參數(shù)（命中率、平均訪問(wèn)時(shí)間、加速比）問(wèn)時(shí)間、加速比） v存儲(chǔ)層次的三個(gè)特性（局部性、一致性、包含存儲(chǔ)層次的三個(gè)特性（局部性、一致性、包含性）性）vCACHE引入目的、與虛擬存儲(chǔ)器比較的特點(diǎn)及引入目的、與虛擬存儲(chǔ)器比較的特點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題。需要解決的問(wèn)題。vCACHE-主存地址映象變換概念？幾種主要方主存地址映象變換概念？幾種主要

3、方式（全相聯(lián)、直接、組相聯(lián)）式（全相聯(lián)、直接、組相聯(lián)）v幾種替換算法分類；簡(jiǎn)述幾種替換算法分類；簡(jiǎn)述LRU替換算法替換算法vCACHE的寫(xiě)方法，的寫(xiě)方法，CACHE的性能分析討論的性能分析討論v存儲(chǔ)保護(hù)幾種方法存儲(chǔ)保護(hù)幾種方法作業(yè)：作業(yè)：P2-69 2.14 （1）（）（2）（）（3）（）（4）（）（6）（）（7）（）（8） P2-70 2.16 ( 1 ) ( 2 ) 以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 主主 存存 緩緩指指 存存令令 器器 緩緩讀存讀存 器器 緩緩寫(xiě)存寫(xiě)存 器器 I/O 部部 件件 I/O 部部 件件CPUv 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量S S：以字節(jié)數(shù)表示，單位為B

4、、KB、MB、GB、TB等。v 存儲(chǔ)器速度存儲(chǔ)器速度T T：存儲(chǔ)器訪問(wèn)周期，與命中率有關(guān)。v 存儲(chǔ)器價(jià)格存儲(chǔ)器價(jià)格C C：表示單位容量的平均價(jià)值單位為C/bit或C/KB。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)三個(gè)基本參數(shù)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)三個(gè)基本參數(shù)： 第一層第二層第三層第四層第五層存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)速速 度度 提提 高高容容 量量 增增 加加 通用寄存器通用寄存器M1高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器M2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器M3 脫機(jī)大容量存儲(chǔ)器脫機(jī)大容量存儲(chǔ)器M5 輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器M4 每級(jí)存儲(chǔ)器的性能參數(shù)可以表示為每級(jí)存儲(chǔ)器的性能參數(shù)可以表示為T(mén)iTi，SiSi，CiCi。存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能可表示為：

5、存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能可表示為：TiTi+1TiTi+1；SiSi+1SiCi+1CiCi+1。: baAB :BAM4M3M2段段 C段段 Dabv多個(gè)存儲(chǔ)器并行工作，并用并行訪問(wèn)和交叉訪多個(gè)存儲(chǔ)器并行工作，并用并行訪問(wèn)和交叉訪問(wèn)等方法；問(wèn)等方法；v設(shè)置各種緩沖存儲(chǔ)器；設(shè)置各種緩沖存儲(chǔ)器；v采用采用Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)。存儲(chǔ)系統(tǒng)。頻帶寬度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所能訪問(wèn)的數(shù)據(jù)量。頻帶寬度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所能訪問(wèn)的數(shù)據(jù)量。解決頻帶平衡的三種方法：解決頻帶平衡的三種方法：并行主存系統(tǒng)：一個(gè)主存周期內(nèi)能讀寫(xiě)多個(gè)字的主存系統(tǒng)。并行主存系統(tǒng)：一個(gè)主存周期內(nèi)能讀寫(xiě)多個(gè)字的主存系統(tǒng)。數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址

6、總線地址寄存器地址寄存器體號(hào) WW1W2W3W4 m1 m2 m3 m4ba體內(nèi)地址優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、容易。簡(jiǎn)單、容易。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：訪問(wèn)的沖突大。訪問(wèn)的沖突大。主要沖突：主要沖突：取指令沖突（條件轉(zhuǎn)移時(shí)）取指令沖突（條件轉(zhuǎn)移時(shí)）讀操作數(shù)沖突（需要的多個(gè)操作數(shù)不一定都存放在讀操作數(shù)沖突（需要的多個(gè)操作數(shù)不一定都存放在同一個(gè)存儲(chǔ)字中）同一個(gè)存儲(chǔ)字中）寫(xiě)數(shù)據(jù)沖突（必須湊齊寫(xiě)數(shù)據(jù)沖突（必須湊齊n個(gè)數(shù)才一起寫(xiě)入存儲(chǔ)器）個(gè)數(shù)才一起寫(xiě)入存儲(chǔ)器）讀寫(xiě)沖突（要讀出的一個(gè)字和要寫(xiě)入的一個(gè)字處在讀寫(xiě)沖突（要讀出的一個(gè)字和要寫(xiě)入的一個(gè)字處在同一個(gè)存儲(chǔ)字內(nèi)時(shí)，無(wú)法在一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)完成）。同一個(gè)存儲(chǔ)字內(nèi)時(shí)，無(wú)法在一個(gè)存儲(chǔ)

7、周期內(nèi)完成）。 模模M主存儲(chǔ)器：主存儲(chǔ)器：分為分為M個(gè)存儲(chǔ)體的主存儲(chǔ)器。個(gè)存儲(chǔ)體的主存儲(chǔ)器。同時(shí)訪問(wèn)：同時(shí)訪問(wèn)：采取同時(shí)啟動(dòng)，完全并行工作的方式；采取同時(shí)啟動(dòng)，完全并行工作的方式；交叉訪問(wèn)：交叉訪問(wèn)：分時(shí)啟動(dòng)，互相錯(cuò)開(kāi)一個(gè)存儲(chǔ)體存儲(chǔ)周期的分時(shí)啟動(dòng)，互相錯(cuò)開(kāi)一個(gè)存儲(chǔ)體存儲(chǔ)周期的1/M，交叉進(jìn)行工作。，交叉進(jìn)行工作。四個(gè)存儲(chǔ)體交叉訪問(wèn)的時(shí)間關(guān)系四個(gè)存儲(chǔ)體交叉訪問(wèn)的時(shí)間關(guān)系m=4 分時(shí)啟動(dòng)時(shí)間圖分時(shí)啟動(dòng)時(shí)間圖主存周期主存周期主存周期主存周期啟動(dòng)啟動(dòng)0體體啟動(dòng)啟動(dòng)1體體啟動(dòng)啟動(dòng)2體體啟動(dòng)啟動(dòng)3體體低位部分：體內(nèi)地址低位部分：體內(nèi)地址 b=log2n高位部分：存儲(chǔ)體體號(hào)高位部分：存儲(chǔ)體體號(hào) a=log2

8、mm: 體數(shù)體數(shù)n：每個(gè)體的容量：每個(gè)體的容量數(shù)據(jù)總線地址總線 WMDR0 0 1 2 3 n-1MDR1 n n+1 n+2 n+3 2n-1MAR0MAR3MDRm-1n(m-1)n(m-1)+1n(m-1)+2n(m-1)+3 n(m-1)MARm-1譯碼譯碼 a b低位交叉存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)低位交叉存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 低位部分：存儲(chǔ)體體號(hào)低位部分：存儲(chǔ)體體號(hào) b=log2m高位部分：體內(nèi)地址高位部分：體內(nèi)地址 a=log2n W MDR0 0 m 2m 3m (n-1)m MDR1 1 m+1 2m+1 3m+1 (n-1)m+1MAR0MAR3 MDRm-1 m-1 2m-1 3m-1 4m-1 n

9、m-1 MARm-1譯碼譯碼 a b數(shù)據(jù)總線地址總線分時(shí)訪問(wèn)例如，例如，n=8 m=4多體并行低位交叉編址多體并行低位交叉編址 012345678910111213141516171819202122232425262728293031 b a09182712510304個(gè)體并行2個(gè)體并行 CPU與Cache主存的關(guān)系 CPUMMUCache MSD或或 ID或或 I存儲(chǔ)器管理部件存儲(chǔ)器管理部件 緩存地址緩存地址主存Cache 塊號(hào)塊號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 MS-Cache地址變換地址變換 塊號(hào)塊號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 Cache替換替換部件部件 ： ： ： ： ： ：主存地址主存地址替換塊替換塊裝入

10、塊裝入塊不命中不命中數(shù)據(jù)或指令數(shù)據(jù)或指令是指某一數(shù)據(jù)在主存中的地址與在緩存中的地址兩者之間的關(guān)系。 ： B：每塊大小：每塊大小C：Cache容量容量M：主存容量：主存容量 塊塊0 塊塊1 ： 塊塊i：塊塊M/B-1 塊塊0 塊塊1 ：塊塊C/B-1Cache主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器優(yōu)點(diǎn)：命中率較高，Cache的存儲(chǔ)空間利用率高；缺點(diǎn)：線路復(fù)雜，成本高，速度低。 塊號(hào) 塊內(nèi)地址主存地址 塊號(hào) 塊內(nèi)地址Cache地址 Bi bi 1 主存塊號(hào)B Cache塊號(hào)b 有效位 假設(shè)在某個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中Cache容量為32K字節(jié)，數(shù)據(jù)塊大小是16個(gè)字節(jié)，主存容量是1M，地址映象為全相聯(lián)方式。（1）主存地址多少位？如

11、何分配？（2）Cache地址多少位？如何分配？（3）目錄表的格式和容量？ b=A mod C/B其中b： Cache的塊號(hào)A：主存的塊號(hào)C/B：Cache的塊數(shù)主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 塊塊0 塊塊1 : : 塊塊C/B-1C/B-1 塊塊C/BC/B 塊塊C/B+1C/B+1 : :塊塊2C/B-1 : : 塊塊M/B-C/BM/B-C/B 塊塊M/B-C/B+1M/B-C/B+1 : : 塊塊M/B-1M/B-1區(qū)區(qū)0區(qū)區(qū)1區(qū)區(qū)M/C-1 塊塊0 塊塊1 : : 塊塊C/B-1cache優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：命中率低。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：命中率低。目錄表存儲(chǔ)器目錄表存儲(chǔ)器塊失效塊失效相等比較相等比較區(qū)號(hào)

12、區(qū)號(hào)Ei 塊號(hào)塊號(hào)i 塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址塊號(hào)塊號(hào)i 塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 主存地址主存地址Cache地址地址相等相等 Ei 1 區(qū)號(hào)（按地址訪問(wèn)）區(qū)號(hào)（按地址訪問(wèn)） 有效位有效位訪問(wèn)訪問(wèn)Cache 假設(shè)在某個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中Cache容量為64K字節(jié)，數(shù)據(jù)塊大小是16個(gè)字節(jié)，主存容量是4M，地址映象為直接相聯(lián)方式。（1）主存地址多少位？如何分配？（2）Cache地址多少位？如何分配？（3）目錄表的格式和容量？主存地址格式：主存地址格式： 區(qū)號(hào)區(qū)號(hào)區(qū)內(nèi)塊號(hào)區(qū)內(nèi)塊號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址21 16 15 4 3 0 緩存地址格式：緩存地址格式： 塊塊 號(hào)號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址15 4 3 0 目錄表的格式：目錄表的格

13、式： 主存區(qū)號(hào)主存區(qū)號(hào)有效位有效位6 1 0 解：解： 容量：應(yīng)與緩存塊數(shù)量相同即容量：應(yīng)與緩存塊數(shù)量相同即212=4096 思考題：思考題： 當(dāng)組相聯(lián)映象的組內(nèi)塊數(shù)大到等于當(dāng)組相聯(lián)映象的組內(nèi)塊數(shù)大到等于Cache時(shí)，就變成什時(shí)，就變成什么映象？而當(dāng)塊數(shù)小到只有一塊時(shí)就變成了什么映象？么映象？而當(dāng)塊數(shù)小到只有一塊時(shí)就變成了什么映象？區(qū)區(qū)0區(qū)區(qū)Me1組組1組組0組組C/B1 塊塊0 塊塊B1 塊塊B 塊塊2B1 Cache塊塊0塊塊B1 塊塊B 塊塊2B1組組1組組C/B1組組0組組C/B(Me1)組組C/BMeC/B+1組組C/BMe1優(yōu)點(diǎn)：速度快，命中率高；優(yōu)點(diǎn)：速度快，命中率高；相等相等不

14、等不等Cache地址地址區(qū)號(hào)區(qū)號(hào) 組號(hào)組號(hào) 組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào) 塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址主存地址主存地址 組號(hào)組號(hào) 組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào) 塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址相聯(lián)比較相聯(lián)比較區(qū)號(hào)區(qū)號(hào)E 組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào) 組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào) EiBi bi塊表塊表請(qǐng)寫(xiě)出：請(qǐng)寫(xiě)出： （1）主存與）主存與Cache的格式；的格式； （2）相關(guān)存儲(chǔ)器的格式與容量）相關(guān)存儲(chǔ)器的格式與容量解：解：主存地址：主存地址： 區(qū)號(hào)區(qū)號(hào)組號(hào)組號(hào)塊號(hào)塊號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址19 15 14 8 7 6 5 0 緩存地址：緩存地址： 組號(hào)組號(hào)塊號(hào)塊號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址14 8 7 6 5 0 區(qū)號(hào)區(qū)號(hào)Ei塊號(hào)塊號(hào)Bi緩存塊號(hào)緩存塊號(hào)bi裝入位裝入位9 5 4

15、3 2 1 0 相關(guān)存儲(chǔ)器的格式：相關(guān)存儲(chǔ)器的格式：相關(guān)存儲(chǔ)器的容量，應(yīng)與緩存的塊數(shù)相同，即相關(guān)存儲(chǔ)器的容量，應(yīng)與緩存的塊數(shù)相同，即: 組數(shù)組數(shù)組內(nèi)塊數(shù)組內(nèi)塊數(shù)=1284=512 隨機(jī)法：隨機(jī)法：(Random,RAND法法) 先進(jìn)先出法先進(jìn)先出法(First-In First-Out,FIFO法法) 近期最少使用法近期最少使用法(Least Recently Used,LRU法法)最久沒(méi)有使用法（最久沒(méi)有使用法（Least Frequently Used,LFU） 設(shè)有一道程序，有設(shè)有一道程序，有1至至5共五頁(yè)，執(zhí)行時(shí)的頁(yè)地址流共五頁(yè)，執(zhí)行時(shí)的頁(yè)地址流（即執(zhí)行時(shí)依次用到的程序頁(yè)頁(yè)號(hào)）為：（即

16、執(zhí)行時(shí)依次用到的程序頁(yè)頁(yè)號(hào)）為： 2，3，2，1，5，2，4，5，3，2，5，2若分配給該道程序的主存有若分配給該道程序的主存有3頁(yè)，分別采用頁(yè)，分別采用FIFO和和LRU替替換算法表示這換算法表示這3頁(yè)的使用和替換過(guò)程。頁(yè)的使用和替換過(guò)程。說(shuō)明：說(shuō)明： （1）隨機(jī)算法：用隨機(jī)數(shù)確定要替換的塊；）隨機(jī)算法：用隨機(jī)數(shù)確定要替換的塊； （2）FIFO算法：替換最早裝入主存的頁(yè)；算法：替換最早裝入主存的頁(yè)； （3）LRU算法：依據(jù)各塊使用的情況，選擇最近最少使算法：依據(jù)各塊使用的情況，選擇最近最少使用的塊替換。用的塊替換。時(shí)間時(shí)間t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12頁(yè)地址流頁(yè)地址

17、流 2 3 2 1 5 2 4 5 3 2 5 2先進(jìn)先出先進(jìn)先出 FIFO調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)命命中中替替換換替替換換替替換換替替換換命命中中命命中中替替換換替替換換2232322*313*1551*25*24245*2*43342*34*53*52命命中中命命中中命命中中命中命中3次次近期最少近期最少使用使用LRU2調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)23調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)232命命中中23*1調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)2*15替替換換51*2命命中中25*4替替換換2*45命命中中54*3替替換換35*2替替換換3*25命命中中523*命命中中命命中中命命中中命命中中命命中中命命中中命中命中5次次2v LRU也不是理想的方法，它僅僅是根據(jù)

18、過(guò)去訪存的頻率也不是理想的方法，它僅僅是根據(jù)過(guò)去訪存的頻率估計(jì)未來(lái)的訪存情況，因而只是推測(cè)的方法；估計(jì)未來(lái)的訪存情況，因而只是推測(cè)的方法；v 塊命中率與地址流、塊的大小和塊的數(shù)量有關(guān)，應(yīng)具體問(wèn)塊命中率與地址流、塊的大小和塊的數(shù)量有關(guān)，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，選擇適當(dāng)?shù)乃惴ǎ活}具體分析，選擇適當(dāng)?shù)乃惴ǎ?v 存儲(chǔ)單元替換時(shí)應(yīng)注意防止出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，即調(diào)入一塊時(shí)存儲(chǔ)單元替換時(shí)應(yīng)注意防止出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，即調(diào)入一塊時(shí)將另一塊調(diào)出，緊接著又需要訪問(wèn)剛剛調(diào)出塊的數(shù)據(jù)，而將將另一塊調(diào)出，緊接著又需要訪問(wèn)剛剛調(diào)出塊的數(shù)據(jù)，而將該塊調(diào)入時(shí)又將上一塊調(diào)出，即顛簸。該塊調(diào)入時(shí)又將上一塊調(diào)出，即顛簸。 對(duì)于一個(gè)容量為對(duì)于一個(gè)

19、容量為3個(gè)塊的全相聯(lián)個(gè)塊的全相聯(lián)Cache，假定訪問(wèn)的，假定訪問(wèn)的地址塊號(hào)序列為地址塊號(hào)序列為 1，2，3，4，1，2，3，4，分別用，分別用FIFO算法和算法和LRU算法，寫(xiě)出其隊(duì)列變化情況，并得出結(jié)算法，寫(xiě)出其隊(duì)列變化情況，并得出結(jié)論。論。練習(xí)練習(xí)2 對(duì)于一個(gè)全相聯(lián)對(duì)于一個(gè)全相聯(lián)Cache，假定訪問(wèn)的地址塊號(hào)序列，假定訪問(wèn)的地址塊號(hào)序列為為 1，2，3，4，1，2，5，1，2，3，4，5，在先進(jìn)，在先進(jìn)先出替換方式下，分別寫(xiě)出分配給程序的主存頁(yè)面是先出替換方式下，分別寫(xiě)出分配給程序的主存頁(yè)面是3頁(yè)頁(yè)和和4頁(yè)的情況下，其隊(duì)列的變化情況，并得出結(jié)論。頁(yè)的情況下，其隊(duì)列的變化情況，并得出結(jié)論。結(jié)

20、論：產(chǎn)生顛簸現(xiàn)象，說(shuō)明命中率結(jié)論：產(chǎn)生顛簸現(xiàn)象，說(shuō)明命中率與頁(yè)地址流有關(guān)。與頁(yè)地址流有關(guān)。結(jié)論：結(jié)論：FIFO算法不是堆棧型算法，主存算法不是堆棧型算法，主存頁(yè)數(shù)增加，命中率反而下降。頁(yè)數(shù)增加，命中率反而下降。計(jì)數(shù)器方法計(jì)數(shù)器方法主存訪問(wèn)主存訪問(wèn)塊地址塊地址 塊塊4 塊塊2 塊塊3 塊塊5 塊號(hào)塊號(hào)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器器塊塊號(hào)號(hào)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器器塊塊號(hào)號(hào)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器器塊塊號(hào)號(hào)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器器Cache塊塊0110111111500Cache塊塊1301310300301Cache塊塊2400401410411Cache塊塊3空空200201210操作操作 起始狀態(tài)起始狀態(tài) 調(diào)入調(diào)入命中命中替換替換比較對(duì)法比較對(duì)法

21、緩存操作緩存操作初始狀態(tài)初始狀態(tài)調(diào)入調(diào)入2命中塊命中塊4替換塊替換塊1寄存器寄存器03245寄存器寄存器14324寄存器寄存器21432寄存器寄存器3空空1134231T12T24T34T13T14T23v Cache存儲(chǔ)器的地址變換和塊替換算法全由硬存儲(chǔ)器的地址變換和塊替換算法全由硬件實(shí)現(xiàn)；件實(shí)現(xiàn)；一、一、Cache透明性分析透明性分析vCache-主存存儲(chǔ)層次對(duì)應(yīng)用程序員和系統(tǒng)程序主存存儲(chǔ)層次對(duì)應(yīng)用程序員和系統(tǒng)程序員都是透明的；員都是透明的；vCache對(duì)處理機(jī)和主存之間的信息交往是對(duì)處理機(jī)和主存之間的信息交往是透明的。透明的。1. Cache的容量對(duì)命中率的影響 2.Cache塊的大小對(duì)

22、命中率的影響3.地址映象方式對(duì)命中率的影響 命中率H命中率H容量S1塊大小初始最佳Cache命中率命中率H與容量與容量S的關(guān)系的關(guān)系Cache命中率命中率H與塊大小的關(guān)系與塊大小的關(guān)系 mcccTHTHT)1 ( )1 (1)1 (cmccmcccmmpHTTHTHTHTTTS cmpTTSTc ：Cache的訪問(wèn)周期；的訪問(wèn)周期；Tm：主存儲(chǔ)器的訪問(wèn)周期；：主存儲(chǔ)器的訪問(wèn)周期；Hc：Cache的命中率的命中率 cmcccTTHHTTe)1 (1Sp的期望值的期望值Spmax=Tm/TcSp102468命中率H 不直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存，直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存，不調(diào)入緩存不調(diào)入緩存數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存，并將該

23、數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存，并將該數(shù)據(jù)調(diào)入數(shù)據(jù)調(diào)入 Cache一、一、Cache的分體的分體 多體存儲(chǔ)器：多體存儲(chǔ)器：分為數(shù)據(jù)體分為數(shù)據(jù)體Cache與指令體與指令體Cache。原因：原因：q 數(shù)據(jù)與指令不在一體可以減少多個(gè)訪問(wèn)源訪問(wèn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與指令不在一體可以減少多個(gè)訪問(wèn)源訪問(wèn)存儲(chǔ)器的沖突器的沖突 ；q 兩個(gè)體的訪問(wèn)操作不完全相同，數(shù)據(jù)體有讀操作和寫(xiě)兩個(gè)體的訪問(wèn)操作不完全相同，數(shù)據(jù)體有讀操作和寫(xiě)操作，而指令體只有讀操作。因此在替換時(shí)，只有數(shù)據(jù)操作，而指令體只有讀操作。因此在替換時(shí)，只有數(shù)據(jù)體有寫(xiě)回的問(wèn)題。在體有寫(xiě)回的問(wèn)題。在Cache容量相等的情況下，指令與容量相等的情況下，指令與數(shù)據(jù)分體的數(shù)據(jù)分體的Cach

24、e比一體化的比一體化的Cache命中率要高。命中率要高。 112 11420微緩存地址微緩存地址 組號(hào)組號(hào) 雙字雙字 字節(jié)字節(jié)5組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0101位位 標(biāo)記標(biāo)記 M 標(biāo)記標(biāo)記 E 標(biāo)記標(biāo)記 S組號(hào)組號(hào) 0 1127 標(biāo)記標(biāo)記 I 標(biāo)記標(biāo)記 S 標(biāo)記標(biāo)記 E 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)目錄目錄1路路120位位 2位位32字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)路路020位位 2位位目錄目錄0主存地址：主存地址：虛空間：虛空間：程序所能利用的空間。程序所能利用的空間。實(shí)地址：實(shí)地址：主存物理空間的編址；主存物理空間的編址；虛地址：虛地址：編程序時(shí)程序員所用的地址，在編譯程序中由處

25、編程序時(shí)程序員所用的地址，在編譯程序中由處理機(jī)生成。理機(jī)生成。CPU存儲(chǔ)存儲(chǔ)管理管理主主存存 輔輔 存存I或或DI或或DVAPA外存地址外存地址虛擬存儲(chǔ)器中虛擬存儲(chǔ)器中CPU、MS、輔存間關(guān)系、輔存間關(guān)系 1.1.段式管理段式管理 2.2.頁(yè)式管理頁(yè)式管理 3.3.段頁(yè)式管理段頁(yè)式管理 Cache虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器提高了主存儲(chǔ)提高了主存儲(chǔ)器的速度器的速度 擴(kuò)大了主存儲(chǔ)擴(kuò)大了主存儲(chǔ)器的容量器的容量 硬件硬件 以軟件為主以軟件為主 透明透明 不透明不透明 簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單 復(fù)雜、速度慢復(fù)雜、速度慢 地址映象：地址映象：將虛存空間分段，主存的空間按這種段來(lái)分將虛存空間分段，主存的空間按這種段來(lái)分配和管理配

26、和管理 。段：段：按程序的邏輯功能來(lái)劃分，一個(gè)用戶的程序按程序的邏輯功能來(lái)劃分，一個(gè)用戶的程序(或一個(gè)進(jìn)或一個(gè)進(jìn)程程)可以包含多個(gè)功能不同的程序段可以包含多個(gè)功能不同的程序段 地址轉(zhuǎn)換：地址轉(zhuǎn)換：主存地址格式：主存地址格式：段號(hào)段號(hào)段內(nèi)地址段內(nèi)地址虛存地址格式：虛存地址格式：用戶號(hào)用戶號(hào)段號(hào)段號(hào)段地址段地址程序模塊化的性能好，各段在功能上是相互獨(dú)程序模塊化的性能好，各段在功能上是相互獨(dú)立的；立的； 便于程序與數(shù)據(jù)的共享；便于程序與數(shù)據(jù)的共享； 程序的動(dòng)態(tài)鏈接比較容易；程序的動(dòng)態(tài)鏈接比較容易； 便于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)保護(hù)。便于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)保護(hù)。地址變換所需的時(shí)間比較長(zhǎng)。地址變換所需的時(shí)間比較長(zhǎng)。 主存的空間利

27、用不充分。主存的空間利用不充分。對(duì)輔存對(duì)輔存(磁盤(pán)磁盤(pán))的管理比較困難。的管理比較困難。段式管理的主要缺點(diǎn)：段式管理的主要缺點(diǎn)： 頁(yè)：頁(yè)：將主存空間與虛存空間按固定的大小劃分成塊，每塊稱為一頁(yè)。虛頁(yè)：虛頁(yè)：虛存中的頁(yè)；虛存中的頁(yè)；實(shí)頁(yè)：實(shí)頁(yè)：實(shí)存中的頁(yè)。實(shí)存中的頁(yè)。虛頁(yè)與實(shí)頁(yè)之間按全相聯(lián)方式映象。虛頁(yè)與實(shí)頁(yè)之間按全相聯(lián)方式映象。虛存地址格式：虛存地址格式： 虛頁(yè)號(hào)虛頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)內(nèi)地址主存地址格式：主存地址格式： 實(shí)頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)內(nèi)地址主存儲(chǔ)器的空間利用率比較高。主存儲(chǔ)器的空間利用率比較高。頁(yè)表的管理比較簡(jiǎn)單，可以不考慮程序的長(zhǎng)短，按固頁(yè)表的管理比較簡(jiǎn)單，可以不考慮程序的長(zhǎng)短，按固定塊長(zhǎng)

28、分配，管理，調(diào)度。定塊長(zhǎng)分配，管理，調(diào)度。 地址映象與地址轉(zhuǎn)換速度比較快。地址映象與地址轉(zhuǎn)換速度比較快。 按頁(yè)的管理方式，與對(duì)輔存的地址格式是一致的，因按頁(yè)的管理方式，與對(duì)輔存的地址格式是一致的，因而管理起來(lái)比較容易。而管理起來(lái)比較容易。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：占用很大的存儲(chǔ)空間。占用很大的存儲(chǔ)空間。 程序的模塊化性能不好。程序的模塊化性能不好。虛存地址格式：虛存地址格式： 用戶號(hào)用戶號(hào)段號(hào)段號(hào)段內(nèi)虛頁(yè)號(hào)段內(nèi)虛頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)內(nèi)地址主存地址格式主存地址格式 ：實(shí)頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)內(nèi)地址地址轉(zhuǎn)換：地址轉(zhuǎn)換：需要三層表，記錄相關(guān)信息，包括段表基地址表、段表、頁(yè)段表基地址表、段表、頁(yè)表。表。快表快表TLB(translation lookaside buffer)：采用一個(gè)小容量的、高采用一個(gè)小容量的、高速的相關(guān)存儲(chǔ)部件，用來(lái)存放當(dāng)前最經(jīng)常用到的那一部分頁(yè)表，速的相關(guān)存儲(chǔ)部件，用來(lái)存放當(dāng)前最經(jīng)常用到的那一部分頁(yè)表，采取按內(nèi)容相聯(lián)方式進(jìn)行訪問(wèn)。采取按內(nèi)容相聯(lián)方式進(jìn)行訪問(wèn)。 快表的內(nèi)容包括兩部分即虛地址與實(shí)地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。快表的內(nèi)容包括兩部分即虛地址與實(shí)地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：速度快。速度快。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：隨著主存容量的增加，目錄表的容