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1、存 储 器,第 3 章,3.1 存储系统层次结构 3.2 主存储器 3.2.1 主存储器概述 3.2.2 主存储器的组成与控制 3.3 高速缓冲存储器 3.3.1 Cache概述 3.3.2 Cache的工作原理,3.3.3 Cache的组织方式 3.3.4 替换算法和更新策略 3.4 虚拟存储器 3.4.1 虚拟存储器概述 3.4.2 段式虚拟存储器 3.4.3 页式虚拟存储器 3.4.4 段页式虚拟存储器 3.4.5 快表与慢表,掌握cache的基本原理、地址映射、替换策略； 掌握虚拟存储器的基本概念以及段式、页式、段页式虚拟存储器的原理； 了解只读存储器、闪速存储器的原理及存储保护的原理
2、。 了解外存储设备的发展动态。,教 学 要 求,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,第 3.3节,Cache高速缓冲存储器,内存主要是DRAM，价格低、容量大，但存取速度难以提高；而
3、CPU速度提高很快。目前CPU的速度比DRAM要快一个数量级以上，导致两者速度不匹配。 只有双极型TTL SRAM，存取速度与CPU处于同一量级，但价格较贵，功耗很大，集成度低，所以不能将所有DRAM都采用SRAM。 折中的办法是分级处理，在主存和CPU之间加一个容量相对小的双极型SRAM作为高速缓冲存储器Cache。 目前Cache的分为一级Cache、二级Cache等。Cache的命中率可达到90% - 98%，这样就大大提高了CPU访问数据的速度。,Cache高速缓冲存储器,3.3.1 Cache概述,3.3,1. 使用Cache的必要性,Cache高速缓冲存储器,3.3.1 Cache
4、概述,时间局部性:在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问； 空间局部性: 这些最近被访问过的程序和数据，往往集中在一小片存储区域中； 指令执行顺序方面：指令顺序执行比转移执行的可能性要大（大约为5:1），因此，合理地把数据和程序放在不同的存储介质中。 这种对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象就称为程序访问的局部性。,3.3,2. 程序访问的局部性,3. Cache-CPU-主存之间的关系,关系,CPU,Cache,主存,字传送,块传送,.,.,主存,块,Cache,标记,结构,3.3.1 CACHE概述,1. cache 基本结构,Cache和
5、主存分同样大小的块； 主存中只有一小部分块的内容 可放在Cache中. 在cache中每一块都有一个标记, 指明它是主存的哪一块的副本， 该标记的内容相当于主存中块 的编号， 设主存地址为n位， 且n=m+b，则 主存的块数M=2n/2b=2m ， 块内字节数B=2b。 cache地址码=（c+b）位。 cache的块数为2c。 块内字节数与主存相同。,3.3.2 高速缓存工作原理,2. Cache工作原理,它由cache存储体、地址映像变换机构、cache替换机构模块组成。,3.3.2 CACHE的工作原理,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
6、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) 块大小 Cache数目 一级或二级 统一或分离,3.3.2 CACHE的工作原理,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
7、；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。,4. cache的容量和块大小,3.3.2 CACHE的工作原理,5. cache的命中率,增加cache的目的是在性能上使主存的平均读出时间尽可能接近cache的读出时间。因此cache的命中率应接近于1。 在一个程序执行期间命中率HcNc /(Nc+Nm) Nc表示Cache完成存取的总次数 Nm表示主存完成存取的总次数 设Tc为Cache的存取周期，Hc为Cache的命中率，Tm为主存的存取时间，则平均存取时间T为： THc *Tc + ( 1- Hc ) Tm 追求的目标是：以较小的硬件代价使cache
8、/主存系统的平均 访问时间T越接近Tc越好。 cache的命中率还与程序有关，不同程序命中率可能不同。,3.3.2 CACHE的工作原理,3.3.3 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(2m1)，共2m块,字块大小为2b
9、个字; 设Cache存储空间被分为Mc(0), Mc(1), , Mc(j), , Mc(2c1)，共2c个同样大小的块.,3.3.3 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ca
10、che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。,1. 直接映像,3.3.3 cache存储器组织,（1）直接映像 cache组织,字块0,字块1,字块2c-1,标记,标记,标记,主存字块 标记,cache 字块地址,块内地址,t位 c位 b位,m位,主存地址,比较器（t位） ,有效位 =1,主存储器,命中 不命中,cache存储器,1,主存分为M个区，每个区有2c个块，总共有M 2c块，编号从0到M 2c -1。Cache有2c个块。,第0区,第1区,第M-1区,3.3.3 cache存储器组织,由于Cache的块数远小于主存的块数，因
11、此一个Cache不能唯一地、永久地只对应一个贮存块，在Cache中，每一块外加有一个标记，指明它是主存的哪一块的副本(拷贝)。,【例】某机主存容量为1MB,划分为2048块,每块512B;Cache容量为8KB,划分为16块,每块512B。,3.3.3 cache存储器组织,这是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能映象 到Cache的一个特定块位置上去。 Cache的第i块和主存的第j块有如下函数关系： i = j mod m ( m为Cache的总块数） i =0,1,2,m-1 j=0,1,2,n-1,在这种映象方式中： 主存的第0块，第16块，第32块，只能映象到Cache的第0块；
12、而主存的第1块，第17块，第33块，只能映象到Cache的第1块；,3.3.3 cache存储器组织,直接映像方式,7位,3.3.3 cache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。,3.3.3cache存储器组织,（2）直接映像的地址变换方法,比较相等且有效位相等,3.3.3 cache存储器组织,
13、有效位: 为了说明标记是否有效. 当机器刚加电时, Reset信号将所有标记的有效位置“0”,使标记无效。 在程序执行的过程中,当Cache不命中时逐步将指令块或数据块从主存调入Cache中的某一块,并将这一块标记中的有效位置“1”. 刚加电后所有标记位都为“0”，因此开始执行程序时，命中率较低。,3.3.4 替换算法和更新策略,cache的标记,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
14、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。,（2）直接映像地址变换方法（续）,3.3.3 cache存储器组织,优点: 硬件实现简单，只需利用主存地址按某些字段直接判断，即可确定所需字块是否已在Cache中。成本低,缺点： 不够灵活，主存的多个字块只能对应唯一的Cache字块，块冲突率很高，降低了命中率。,（3）直接映像
15、的特点,3.3.3 cache存储器组织,【例1】设一个cache的容量为2KB，每个块为16B，求： 该cache可容纳多少个块？ 如果主存容量是256KB，则主存有多少个块？ 主存的地址有多少位？ cache地址有多少位？ 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？,【解】 cache中有2048/16=128个块 主存有256K/16=16384个块 主存容量为256KB=218字节， 主存字节地址有18位。 cache容量为2KB=211字节，cache的字节地址为11位。 存储器的字地址分三段：区号、块号、块内字地址。 区号的长度为18-11=7位， 块号为7位。块内
16、字地址为4位。,全相联映像是指主存中的任何一个字（字块）均可以映像到CACHE中的任何一个字（字块）的位置上，也允许从确实已被占满的cache存储器中替换出任何一个旧字块。 反过来说，CACHE的一个字（字块）中，在不同时刻可能存放的是整个主存中的任何一个字（字块）中的内容，即二者的对应关系是完全随意的，没有任何强制性的限制条件。 全相联映像方式是最灵活但成本最高的一种方式。,2. 全相联映像,3.3.3 cache存储器组织,(1）全相联映像方式,11位,允许主存中的每一个字块映象到Cache的任何一个字块位置上,最灵活但成本最高的一种方式。,3.3.3 cache存储器组织,（2）全相联映像 cache组织,字块0,字块1,
