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1、,系 统 总 线,存储器,运算器,控制器,接口与通信,输入/输出设备, 计算机组成原理 ,第四章 存储器,复习与作业,第4章 存储器4.4 辅助存储器（不讲了）演讲 下周第一次课 （23、24日）题目：任意（只要是有关辅助存储器的） 内容：关于辅助存储器的分类、工作原理、先进技术等等可以从书中4.4中选取内容，也可以从网上自己搜索整理。（例如：硬盘、光盘工作原理、读取方式、主流产品、主要型号参数的说明等等，移动硬盘，磁盘阵列先进存储设备的技术应用与发展）要求：每小班四名同学（只能多不能少）每人6分钟（大概10张PPT左右），准备充分，讲述流利。凡演讲者，期末考试卷面成绩 + 5分。,3.1、主
2、存储器概述 3.2、主存储器构成 3.3、主存储器扩展 3.4、主存储器与CPU的连接 3.5、提高主存储器性能的技术3.5.1、提高主存的制造技术3.5.2、双端口存储器3.5.3、单体并行多字存储器3.5.4、多体并行交叉存储器,3、主存储器,角度二：提高 存储体系结构,角度一：硬件 提高元器件,存储系统中主要是通过并行主存储器和设置Cache来提高速度。,双端口存储器和多体交叉存储器属于并行存储器。前者采用空间并行技术，后者采用时间并行技术。,第四章 存储器,辅助存储器,为了弥补主存速度的不足，在CPU与主存之间设置一个 高速 小容量 的缓冲存储器，称高速缓存（Cache），主要由高速的
3、SRAM组成。其工作原理如下：,我们利用程序运行的局部性特点，把CPU正在访问和即将访问的若干程序块和数据块从主存调入高速缓存中，使CPU大部分从高速缓存中读取指令和存取数据，极大地提高了CPU的访问速度。,4、高速缓冲存储器（Cache）,CPU,Cache,主存 DRAM,地址总线,相联 存储表,命中,未命中,数据总线,块,字,字,CPU读取数据字时：1）CPU输出字地址同时送到Cache和主存； 2）Cache 先判断该字是否在Cache中；如果在，Cache直接送给CPU；如果不在，再去主存中读取。 3）去主存取字时不仅把该字取出，同时还把该字附近的一块数据都取出送给Cache，以便C
4、PU下次读取字时在Cache中读取。Cache的命中率高达98%以上。,4、高速缓冲存储器（Cache）,CPU,Cache,主存 DRAM,地址总线,相联 存储表,命中,未命中,数据总线,块,字,字,增加Cache后，使主存的平均存取时间尽可能接近Cache的。 由于程序访问的局部性使之可能。在一个程序执行期间命中率与程序的行为、Cache的容量、组织方式、块的大小有关。Tc表示命中时的Cache读写时间，Tm表示未命中时的主存读写时间，1-h表示未命中率，则Cache/主存系统的平均访问时间 Ta为：主存慢于Cache的倍率 r：为提高访问效率，命中率越接近1越好，r值以510为宜。,命中
5、率 h = Cache完成存取的总次数 /（ Cache完成存取的总次数+主存完成存取的总次数）,Ta = h*Tc +（1-h）Tm,r = Tm / Tc,4、高速缓冲存储器（Cache）,考研试题精选：假设：CPU执行某段程序时，共访问Cache 3800 次，访问主存200次，已知Cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns。求：Cache主存系统的平均存取时间和效率。,解：系统命中率 h = 3800 / 3800 + 200 = 0.95 系统平均存取时间 Ta = 50 ns * 0.95 + 250 ns *（1-0.95）= 60 ns系统效率 = （Cache存取
6、时间 / 平均存取时间）= 50ns / 60ns = 83.3%,4、高速缓冲存储器（Cache）,公式一,考研试题精选：例：CPU执行一段程序时，Cache完成存取的次数为1900次，主存完成存取的次数为100次，已知Cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns。求: Cache/主存系统的效率和平均访问时间。解：系统命中率 h = 1900 / （1900+100）=0.95倍率 r = Tm / Tc = 250ns / 50ns = 5系统效率 = 1 /（r +（1 - r）h）= 1 /（5+（1-5）*0.95）= 83.3%系统平均访问时间 Ta = h*Tc +（
7、1-h）Tm = 0.95*50ns + 0.05*250ns= 47.5 + 12.5 = 60ns,4、高速缓冲存储器（Cache）,公式二,CPU与Cache之间的数据交换以“字”为单位，而Cache与主存之间的数据交换以“块”为单位。一块由若干个字组成，块是定长的。为了实现Cache的上述功能，需要解决这样一些问题：1）Cache与主存中存储单元地址映象关系，主存大而Cache小；（主存中的存储单元 放在 Cache中哪个存储单元？）2）如何实现地址转换，将访问主存的地址转换成访问Cache的地址；（CPU直接输出的是访问主存单元地址，主存长地址 变 Cache短地址？）3）若访问Ca
8、che未命中且Cache未满时，数据块如何调入？Cache已满时，数据块如何替换？先来先走？4）数据的一致性问题：Cache中的更新数据与内存中的陈旧数据之间的更新。,4、高速缓冲存储器（Cache）,第四章 存储系统,辅助存储器,Cache 的全部功能都是 由硬件完成的， 对程序员来说是透明的。,4.1、地址映象,映象：其物理意义就是位置的对应关系，将主存地址变成Cache地址。常见的映象方式主要有三种：1）直接映象2）全相联映象3）组相联映象,CPU,Cache,主存 DRAM,地址总线,相联 存储表,命中,未命中,数据总线,块,字,字,0块,1块,15块,0区,1区,255区,Cache
9、,主存,区号,块号,块内地址,块号,块内地址,主存地址,Cache地址,7位,4位,9位,4位,9位,4.1、地址映象直接映像,第0块,第1块,第15块,第16块,第17块,第31块,第2032块,第2033块,第2047块,0,1,2,3,Cache块号,主存区号,块表,直接映象方式是多对一影射。主存中的一块只能映象到Cache某一个固定的块中。直接映象的关系式：K = I mod MK：Cache块号， I：主存块号， M：Cache总块数,0,0 16 32 48 . . . 2032,1,1 17 33 49 . . . 2033,4.1、地址映象直接映像,CPU先送出一个主存地址，用
10、主存地址中的区号与块表中区号比较， 若命中：访Cache（按主存地址的块号+块内地址）读出一字送CUP； 若未命中：访内存（按主存地址的区号+块号）读出一块送Cache。,区号,块号,块内地址,Cache块号,块内地址,比较,命中,未命中 访问内存,访问Cache,按块号 查找块表,主存地址,Cache地址,4.1、地址映象直接映像,000,001,010,011,Cache块号,区号标记,例1：设有一个Cache的容量为2KB，每个块为16字（一字一字节）求： 1）该Cache可容纳多少个块？2KB = 2048B 2048B / 16B = 128块 2）如果主存容量为256KB，则有多少
11、块？256 KB = 256 * 1024 B = 262144 B 262144B / 16B = 16384块 3）主存地址有多少位？Cache 地址有多少位？主存有18位，Cache有11位。 4）在直接映象方式下，主存中第135块映象到Cache中哪块？K= I mod M = 135 mod 128 = 7 5）进行地址映射时，主存地址分成哪几段？各段分别有多少位？主存地址分为三段：主存区号位数 = 主存地址位数 Cache 地址位数=18 -11 = 7位Cache块号位数 = 7位 27=128块内地址位数 = 4位 24=16,主存区号,块号,块内地址,4.1、地址映象直接映像
12、,例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次为：10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010，求每次访问时Cache的内容。,主存区号,块号,块内地址,2位,3位,主存块号,Cache块号,块内地址,比较,未命中 访问内存,000 001 010 011 100 101 110 111,000 001 010 011 100 101 110 111,内存10区,10 110,块表,000 001 010 011 100 101 110 111,Cache,调入,调入,10,4.1、地址映象直接映像,例2：设一个Cache中有8块，访问主
13、存进行读操作的块地址依次为：10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010，求每次访问时Cache的内容。,主存区号标记,块号,块内地址,2位,3位,主存块号,Cache块号,块内地址,比较,未命中 访问内存,11,10,000 001 010 011 100 101 110 111,000 001 010 011 100 101 110 111,11,内存11区,11 010,块表,000 001 010 011 100 101 110 111,Cache,调入,调入,4.1、地址映象直接映像,例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次
14、为：10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010，求每次访问时Cache的内容。,主存区号标记,块号,块内地址,2位,3位,主存块号,Cache块号,块内地址,比较,命中,11,10,000 001 010 011 100 101 110 111,10 110,块表,000 001 010 011 100 101 110 111,Cache,访问Cache,4.1、地址映象直接映像,例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次为：10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010，求每次访问时Cache的内
15、容。,主存区号标记,块号,块内地址,2位,3位,主存块号,Cache块号,块内地址,比较,命中,11,10,000 001 010 011 100 101 110 111,11 010,块表,000 001 010 011 100 101 110 111,Cache,访问Cache,4.1、地址映象直接映像,例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次为：10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010，求每次访问时Cache的内容。,主存区号标记,块号,块内地址,2位,3位,主存块号,Cache块号,块内地址,比较,未命中 访问内存,11,10,000 001 010 011 100 101 110 111,000 001 010 011 100 101 110 111,内存10区,10 000,块表,000 001 010 011 100 101 110 111,Cache,调入,调入,10,4.1、地址映象直接映像,例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次为：10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010，求每次访问时Cache的内容。,
