第三章內(nèi)部存儲(chǔ)器

1、第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng)v 3.1 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述 v 3.2 SRAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器v 3.3 DRAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器v 3.4 只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器v 3.5 并行存儲(chǔ)器并行存儲(chǔ)器v 3.6 Cache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器第第3章章 內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)部存儲(chǔ)器 3.1 3.1 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述 3.1.1 3.1.1 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類 3.1.2 3.1.2 存儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu) 3.1.3 3.1.3 主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo) 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器分分類類按存儲(chǔ)介質(zhì)分按存儲(chǔ)介質(zhì)分 隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器順序存儲(chǔ)器順

2、序存儲(chǔ)器按存取方式分按存取方式分 任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取時(shí)間和存隨機(jī)存取，且存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)只能按某種順序來(lái)存取，只能按某種順序來(lái)存取，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)理位置有關(guān)只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM按存儲(chǔ)內(nèi)容可按存儲(chǔ)內(nèi)容可變性分變性分 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器易失性存儲(chǔ)器易失性存儲(chǔ)器非易失性存儲(chǔ)器非易失性存儲(chǔ)器按信息易失性按信息易失性分分 RAM磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器高速緩沖高速緩沖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器

3、控制控制存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器按在計(jì)算機(jī)系按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分統(tǒng)中的作用分 局部性局部性v一個(gè)編寫(xiě)良好的計(jì)算機(jī)程序具有良好的局部性，傾一個(gè)編寫(xiě)良好的計(jì)算機(jī)程序具有良好的局部性，傾向于引用鄰近于最近引用過(guò)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，或者引用過(guò)向于引用鄰近于最近引用過(guò)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，或者引用過(guò)得數(shù)據(jù)項(xiàng)本身，這個(gè)特性稱為局部性原理。得數(shù)據(jù)項(xiàng)本身，這個(gè)特性稱為局部性原理。v局部性通常有兩種不同形式：時(shí)間局部性和空間局局部性通常有兩種不同形式：時(shí)間局部性和空間局部性。具有良好局部性的程序比局部性差的程序運(yùn)部性。具有良好局部性的程序比局部性差的程序運(yùn)行得更快。行得更快。v局部性原理允許計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者通過(guò)引入局部性原理允許計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者通過(guò)

4、引入“高速緩存高速緩存存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器”的小而快速的存儲(chǔ)器來(lái)保存最近唄引用的的小而快速的存儲(chǔ)器來(lái)保存最近唄引用的指令和數(shù)據(jù)項(xiàng)，從而提高對(duì)主存的訪問(wèn)速度。指令和數(shù)據(jù)項(xiàng)，從而提高對(duì)主存的訪問(wèn)速度。Web瀏覽器將最近被引用的文檔放在本地磁盤上，利用瀏覽器將最近被引用的文檔放在本地磁盤上，利用的時(shí)間局部性。的時(shí)間局部性。二維數(shù)組訪問(wèn)二維數(shù)組訪問(wèn)行優(yōu)先訪問(wèn)行優(yōu)先訪問(wèn)vint sumarrayrows(int a)vint sum=0;vint m=a.length;vint n=a0.length;vfor(int i=0;im;i+)vfor(int j=0;jn;j+)vsum +=aij;vretur

5、n sum;v列優(yōu)先訪問(wèn)列優(yōu)先訪問(wèn)vint sumarraycols(int a)vint sum=0;vint m=a.length;vint n=a0.length;vfor(int j=0;jn;j+)vfor(int i=0;i 芯片的地址輸入位數(shù)芯片的地址輸入位數(shù)取一部分取一部分CPUCPU地址，送各芯片的地址線；地址，送各芯片的地址線；另一部分另一部分CPUCPU地址（高位地址），經(jīng)譯碼器產(chǎn)生一地址（高位地址），經(jīng)譯碼器產(chǎn)生一組片選信號(hào)，各芯片的片選端選用其中一個(gè)片選組片選信號(hào)，各芯片的片選端選用其中一個(gè)片選信號(hào)。信號(hào)。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理403 3字和位同時(shí)擴(kuò)展字和位同時(shí)

6、擴(kuò)展l當(dāng)芯片的單元數(shù)和單元的數(shù)據(jù)位均不滿足存儲(chǔ)器的要當(dāng)芯片的單元數(shù)和單元的數(shù)據(jù)位均不滿足存儲(chǔ)器的要求時(shí)需要進(jìn)行求時(shí)需要進(jìn)行字和位的同時(shí)擴(kuò)展字和位的同時(shí)擴(kuò)展。例：用例：用21142114芯片（芯片（1K1K4 4位）組成位）組成4K4K8 8位存儲(chǔ)器。位存儲(chǔ)器。解：所需芯片數(shù)：解：所需芯片數(shù)： 地址線：存儲(chǔ)器地址線：存儲(chǔ)器12位位A11A0；2114芯片芯片10位位A9A0 高兩位地址高兩位地址A11、A10用于選擇芯片用于選擇芯片 數(shù)據(jù)線：存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)線：存儲(chǔ)器8位；芯片位；芯片4位。位。 兩片兩片2114的數(shù)據(jù)線分別連接的數(shù)據(jù)線分別連接D7D4和和 D3D0 將將21142114芯片分為芯片分

7、為4 4組，每組組，每組2 2片芯片。片芯片。 控制線：讀寫(xiě)控制；控制線：讀寫(xiě)控制； 片選片選由由高位地址高位地址經(jīng)譯碼進(jìn)行控制經(jīng)譯碼進(jìn)行控制（片）位位84K184K 4 4組芯片組芯片字和位同時(shí)擴(kuò)展的連接方式：字和位同時(shí)擴(kuò)展的連接方式： 各芯片的片內(nèi)地址線、讀各芯片的片內(nèi)地址線、讀/ /寫(xiě)控制線均對(duì)應(yīng)地并接在地址和控制總線的寫(xiě)控制線均對(duì)應(yīng)地并接在地址和控制總線的對(duì)應(yīng)位上；對(duì)應(yīng)位上； 由高位地址（由高位地址（n n位）譯碼產(chǎn)生位）譯碼產(chǎn)生2 2n n個(gè)片選信號(hào)，決定芯片分成個(gè)片選信號(hào)，決定芯片分成2 2n n個(gè)組；個(gè)組； 由數(shù)據(jù)線決定每組的芯片片數(shù)。由數(shù)據(jù)線決定每組的芯片片數(shù)。2:4譯碼譯碼器

8、器21142114211421142114CSCSCSCSCSCSCSCSD0D3D4D7A0A9A11A10R/W計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理42存儲(chǔ)器模塊條存儲(chǔ)器模塊條 l存儲(chǔ)器通常以插槽用模塊條形式供應(yīng)市場(chǎng)。這種模塊條常稱存儲(chǔ)器通常以插槽用模塊條形式供應(yīng)市場(chǎng)。這種模塊條常稱為內(nèi)存條，它們是在一個(gè)條狀形的小印制電路板上，用一定為內(nèi)存條，它們是在一個(gè)條狀形的小印制電路板上，用一定數(shù)量的存儲(chǔ)器芯片，組成一個(gè)存儲(chǔ)容量固定的存儲(chǔ)模塊。數(shù)量的存儲(chǔ)器芯片，組成一個(gè)存儲(chǔ)容量固定的存儲(chǔ)模塊。 l內(nèi)存條有內(nèi)存條有30腳、腳、72腳、腳、100腳、腳、144腳、腳、168腳、腳、184腳、腳、240腳等多種形

9、式。腳等多種形式。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理433.3.5 高級(jí)的DRAM結(jié)構(gòu) l1、FPM DRAM 快速頁(yè)模式動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器快速頁(yè)模式動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器 l2、CDRAM 帶高速緩沖存儲(chǔ)器（帶高速緩沖存儲(chǔ)器（cache）的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器）的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器 l3、SDRAM 同步型動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器同步型動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理44FPM DRAMlFPM DRAM：快速頁(yè)模式動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，它是根據(jù)程序的局部性原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。讀周期和寫(xiě)周期中，為了尋找一個(gè)確定的存儲(chǔ)單元地址，首先由低電平的行選通信號(hào)/RAS確定行地址，然后由低電平的列選信號(hào)/CAS確定列地址。下一次尋找操作，也是由/RAS選定行地址，/

10、CAS選定列地址，依此類推。play計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理45CDRAMlCDRAM帶高速緩沖存儲(chǔ)器（cache）的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，它是在通常的DRAM芯片內(nèi)又集成了一個(gè)小容量的SRAM，從而使DRAM芯片的性能得到顯著改進(jìn)。如圖所示出1M4位CDRAM芯片的結(jié)構(gòu)框圖，其中SRAM為5124位。如果連續(xù)的地址高11位相同，意味著屬于同一行地址，那么連續(xù)變動(dòng)的9位列地址就會(huì)使SRAM中相應(yīng)位組連續(xù)讀出，這稱為猝發(fā)式讀取。play計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理46SDRAM同步型動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器l計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的CPU使用的是系統(tǒng)時(shí)鐘，SDRAM的操作要求與系統(tǒng)時(shí)鐘相同步，在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下從CPU獲得地

11、址、數(shù)據(jù)和控制信息。換句話說(shuō)，它與CPU的數(shù)據(jù)交換同步于外部的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，并且以CPU/存儲(chǔ)器總線的最高速度運(yùn)行，而不需要插入等待狀態(tài)。play計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理473.3.6 DRAM主存讀/寫(xiě)的正確性校驗(yàn) lDRAM通常用做主存儲(chǔ)器，其讀寫(xiě)操作的正確性與可靠性至通常用做主存儲(chǔ)器，其讀寫(xiě)操作的正確性與可靠性至關(guān)重要。因此需進(jìn)行正確性校驗(yàn)。關(guān)重要。因此需進(jìn)行正確性校驗(yàn)。l正常的數(shù)據(jù)位上增加附加位，用于讀正常的數(shù)據(jù)位上增加附加位，用于讀/寫(xiě)操作正確性校驗(yàn)。增寫(xiě)操作正確性校驗(yàn)。增加的附加位也要同數(shù)據(jù)位一起寫(xiě)入加的附加位也要同數(shù)據(jù)位一起寫(xiě)入DRAM中保存。中保存。 奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼海

12、明校驗(yàn)碼海明校驗(yàn)碼CRC校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼3.43.4 只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器 v3.4.13.4.1 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROMROMv3.4.23.4.2 FLASH FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器3.4.13.4.1 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器v1.ROM1.ROM的分類的分類 只讀存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱只讀存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱ROM，它只能讀出，不能寫(xiě)入。它的最，它只能讀出，不能寫(xiě)入。它的最大優(yōu)點(diǎn)是具有不易失性。大優(yōu)點(diǎn)是具有不易失性。只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器定義定義優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)掩模式掩模式 數(shù)據(jù)在芯片制造過(guò)程中數(shù)據(jù)在芯片制造過(guò)程中就確定就確定 可靠性和集成可靠性和集成度高，價(jià)格便宜度高，價(jià)格便宜不能重寫(xiě)不

13、能重寫(xiě)一次編程一次編程 用戶可自行改變產(chǎn)品中用戶可自行改變產(chǎn)品中某些存儲(chǔ)元某些存儲(chǔ)元 可以根據(jù)用戶可以根據(jù)用戶需要編程需要編程只能一次性改只能一次性改寫(xiě)。已淘汰。寫(xiě)。已淘汰。多次編程多次編程 可以用紫外光照射或電可以用紫外光照射或電擦除原來(lái)的數(shù)據(jù)，然后擦除原來(lái)的數(shù)據(jù)，然后再重新寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)再重新寫(xiě)入新的數(shù)據(jù) 可以多次改寫(xiě)可以多次改寫(xiě)ROM中的內(nèi)容中的內(nèi)容PROM EPROME2PROM 1. 1. 掩模掩模ROMROMv掩膜掩膜ROM的邏輯符號(hào)和內(nèi)部邏輯框圖的邏輯符號(hào)和內(nèi)部邏輯框圖 2. 2. 可編程可編程ROMROM v1)、EPROM -光擦除可編程只讀存儲(chǔ)器光擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 v2)

14、、E2PROM -電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 紫外線照射擦除信息紫外線照射擦除信息3.4.2 FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 vFLASH存儲(chǔ)器也翻譯成閃速存儲(chǔ)器，它是高密度非失易失存儲(chǔ)器也翻譯成閃速存儲(chǔ)器，它是高密度非失易失性的讀性的讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器。寫(xiě)存儲(chǔ)器。高密度意味著它具有巨大比特?cái)?shù)目的存儲(chǔ)容量。高密度意味著它具有巨大比特?cái)?shù)目的存儲(chǔ)容量。非易失性指存放的數(shù)據(jù)在沒(méi)有電源時(shí)可以長(zhǎng)期保存。非易失性指存放的數(shù)據(jù)在沒(méi)有電源時(shí)可以長(zhǎng)期保存。它既有它既有RAM的優(yōu)點(diǎn)，又有的優(yōu)點(diǎn)，又有ROM的優(yōu)點(diǎn)，稱得上是存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，稱得上是存儲(chǔ)技術(shù)劃時(shí)代的進(jìn)展。技術(shù)劃時(shí)代的進(jìn)展。 vFLASH存儲(chǔ)元是在存儲(chǔ)元

15、是在EPROM存儲(chǔ)元基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由存儲(chǔ)元基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由此可以看出創(chuàng)新與繼承的關(guān)系。此可以看出創(chuàng)新與繼承的關(guān)系。v閃存（Flash Memory）是一種長(zhǎng)壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息）的存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)刪除不是以單個(gè)的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位。由于其斷電時(shí)仍能保存數(shù)據(jù)，閃存通常被用來(lái)保存設(shè)置信息，如在電腦的BIOS（基本程序）、PDA（個(gè)人數(shù)字助理）、數(shù)碼相機(jī)中保存資料等。v閃存卡大概有SmartMedia（SM卡）、Compact Flash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、Secure Digital（SD卡）、Memory Sti

16、ck（記憶棒）、XD-Picture Card（XD卡）和微硬盤（MICRODRIVE）這些閃存卡雖然外觀、規(guī)格不同，但是技術(shù)原理都是相同的。v閃速存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)元，由單個(gè)閃速存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)元，由單個(gè)MOS晶體管組成，除漏極晶體管組成，除漏極D和源極和源極S外，還有一個(gè)控制柵和浮空柵。外，還有一個(gè)控制柵和浮空柵。 寫(xiě)寫(xiě)0，就是要在控制柵，就是要在控制柵C上加正電壓上加正電壓 存儲(chǔ)元擦除后原存儲(chǔ)元擦除后原始狀態(tài)全為始狀態(tài)全為1 晶體管源極晶體管源極S加上正加上正電壓電壓 ，吸收浮空柵，吸收浮空柵中的電子，使全部中的電子，使全部存儲(chǔ)元變成存儲(chǔ)元變成1狀態(tài)狀態(tài) FLASH存儲(chǔ)器基本操作存儲(chǔ)器基本操作

17、 讀出電路檢讀出電路檢測(cè)到有電流，測(cè)到有電流，表示存儲(chǔ)元表示存儲(chǔ)元中存中存1 控制柵加控制柵加上正電壓上正電壓 56FLASH存儲(chǔ)器的陣列結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的陣列結(jié)構(gòu) 在某一時(shí)間只有一條行選擇線被激活。在某一時(shí)間只有一條行選擇線被激活。 57 目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的FLASH存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器： U盤盤 CF卡卡 SM卡卡 SD/MMC卡卡 記憶棒記憶棒 3.5 3.5 并行存儲(chǔ)器并行存儲(chǔ)器 3.5.1 3.5.1 雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器 空間并行技術(shù)空間并行技術(shù) 3.5.2 3.5.2 多模塊交叉存儲(chǔ)器多模塊交叉存儲(chǔ)器 時(shí)間并行技術(shù)時(shí)間并行技術(shù)3.5.1 3.5.1 雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器

18、 v1. 1.雙端口存儲(chǔ)器的邏輯結(jié)構(gòu)雙端口存儲(chǔ)器的邏輯結(jié)構(gòu) 雙端口存儲(chǔ)器是指同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)雙端口存儲(chǔ)器是指同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制線路立的讀寫(xiě)控制線路,是一種高速工作的存儲(chǔ)器。是一種高速工作的存儲(chǔ)器。 v2. 2.無(wú)沖突讀寫(xiě)控制無(wú)沖突讀寫(xiě)控制當(dāng)兩個(gè)端口的地址不相同時(shí)，在兩個(gè)端口上進(jìn)行當(dāng)兩個(gè)端口的地址不相同時(shí)，在兩個(gè)端口上進(jìn)行讀寫(xiě)操作，一定不會(huì)發(fā)生沖突。讀寫(xiě)操作，一定不會(huì)發(fā)生沖突。v3. 3.有沖突的讀寫(xiě)控制有沖突的讀寫(xiě)控制 當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)存取存儲(chǔ)器同一存儲(chǔ)單元時(shí)，便發(fā)生讀當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)存取存儲(chǔ)器同一存儲(chǔ)單元時(shí)，便發(fā)生讀寫(xiě)沖突。為解決此問(wèn)題，特設(shè)置了寫(xiě)沖突。為解決此問(wèn)題

19、，特設(shè)置了BUSY標(biāo)志。標(biāo)志。3.5.23.5.2多模塊交叉存儲(chǔ)器多模塊交叉存儲(chǔ)器 v1. 1.存儲(chǔ)器的模塊化組織存儲(chǔ)器的模塊化組織 交叉方式交叉方式某個(gè)模塊進(jìn)行存取時(shí)，其他模塊不工作。某個(gè)模塊進(jìn)行存取時(shí)，其他模塊不工作。某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其他模塊可照常工作。某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其他模塊可照常工作。通過(guò)增添模塊來(lái)擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量比較方便。通過(guò)增添模塊來(lái)擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量比較方便。各模塊串行工作，存儲(chǔ)器的帶寬受到了限制。各模塊串行工作，存儲(chǔ)器的帶寬受到了限制。地址碼的低位字段經(jīng)過(guò)譯碼選擇不同的模地址碼的低位字段經(jīng)過(guò)譯碼選擇不同的模塊，而高位字段指向相應(yīng)模塊內(nèi)的存儲(chǔ)字。塊，而高位字段指向相應(yīng)模塊內(nèi)的存

20、儲(chǔ)字。對(duì)連續(xù)字的成塊傳送可實(shí)現(xiàn)多模塊流水式對(duì)連續(xù)字的成塊傳送可實(shí)現(xiàn)多模塊流水式并行存取，大大提高存儲(chǔ)器的帶寬。并行存取，大大提高存儲(chǔ)器的帶寬。設(shè)存儲(chǔ)容量為設(shè)存儲(chǔ)容量為32字，分成字，分成M0M3共四個(gè)模塊，每個(gè)模塊共四個(gè)模塊，每個(gè)模塊8個(gè)字個(gè)字 play63 2.多模塊交叉存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu) 四模塊交叉存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖四模塊交叉存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖流水線方式存取示意圖流水線方式存取示意圖若存取周期是若存取周期是T，總線傳送周期是，總線傳送周期是,存儲(chǔ)器的交叉模塊數(shù)為存儲(chǔ)器的交叉模塊數(shù)為m， 則則T=m。 T/稱為交叉存取度。稱為交叉存取度。要求：模塊數(shù)要求：模塊數(shù) T/。交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀取交叉存儲(chǔ)器連續(xù)

21、讀取n個(gè)字所需的時(shí)間為：個(gè)字所需的時(shí)間為： t1=T+(n-1)順序方式存儲(chǔ)器連續(xù)讀取順序方式存儲(chǔ)器連續(xù)讀取n個(gè)字所需時(shí)間為：個(gè)字所需時(shí)間為： t2=nTt字 模塊W4 M0W3 M3W2 M2W1 M1W0 M0T playv【例例3.5】 設(shè)存儲(chǔ)器容量為設(shè)存儲(chǔ)器容量為32字，字長(zhǎng)字，字長(zhǎng)64位，模塊數(shù)位，模塊數(shù)m=4，分別用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織。存儲(chǔ)周期分別用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織。存儲(chǔ)周期T=200ns，數(shù)據(jù)總線寬度為數(shù)據(jù)總線寬度為64位，總線傳送周期位，總線傳送周期=50ns。若連續(xù)讀出。若連續(xù)讀出4個(gè)字，問(wèn)順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少個(gè)字，問(wèn)順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的

22、帶寬各是多少? 帶寬帶寬=單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量【解解】連續(xù)讀出連續(xù)讀出4個(gè)字的信息總量是：個(gè)字的信息總量是： q464位位256b 順序存儲(chǔ)器所需時(shí)間順序存儲(chǔ)器所需時(shí)間： t2=nT4200ns810-7s 連續(xù)讀出連續(xù)讀出4個(gè)字，交叉存儲(chǔ)器所需時(shí)間：個(gè)字，交叉存儲(chǔ)器所需時(shí)間： t1=T+(n-1)200350350ns3.510-7s 交叉存儲(chǔ)器的帶寬為：交叉存儲(chǔ)器的帶寬為： W1q/t1256b(3.510-7s)730Mb/s 順序存儲(chǔ)器的帶寬為順序存儲(chǔ)器的帶寬為 W2q/t2256b(810-7s)320Mb/sv二模塊交叉存儲(chǔ)器的實(shí)例二模塊交叉

23、存儲(chǔ)器的實(shí)例D31D31D24D24D23D23D16D16D15D15D8D8D7D7D0D0A2A20 0A2A21 1A A2020 A A1212A A1111 A A3 3playv二模塊交叉存儲(chǔ)器中的零等待存取二模塊交叉存儲(chǔ)器中的零等待存取playv基本原理基本原理按按內(nèi)容內(nèi)容尋址的存儲(chǔ)器。尋址的存儲(chǔ)器。v特點(diǎn)特點(diǎn)存取快，但容量小。存取快，但容量小。v用途用途Cache行地址、段頁(yè)管理中的快表。行地址、段頁(yè)管理中的快表。相聯(lián)存儲(chǔ)器相聯(lián)存儲(chǔ)器 3.63.6 Cache Cache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器v3.6.13.6.1 cache cache基本原理基本原理v3.6.23.6.2 主存與主

24、存與cachecache的地址映射的地址映射v3.6.33.6.3 替換策略替換策略v3.6.43.6.4 cache cache的寫(xiě)操作策略的寫(xiě)操作策略v3.6.53.6.5 奔騰奔騰PCPC機(jī)的機(jī)的cachecache3.6.13.6.1 cache cache基本原理基本原理vCache的功能的功能目的：解決目的：解決CPU和主存之間和主存之間速度速度不匹配的問(wèn)題。不匹配的問(wèn)題。容量：在主存容量：在主存幾百幾百M(fèi)B情況下，設(shè)置情況下，設(shè)置幾百幾百KB。硬件：硬件：SRAM。管理：管理：全硬件全硬件實(shí)現(xiàn)。對(duì)用戶透明。實(shí)現(xiàn)。對(duì)用戶透明。位置：位置：2. cache2. cache的基本原理的

25、基本原理 vCacheCache由存儲(chǔ)體（由存儲(chǔ)體（SRAMSRAM）、相聯(lián)存儲(chǔ)表、管理邏輯組成。）、相聯(lián)存儲(chǔ)表、管理邏輯組成。vCPUCPU與與cachecache之間的數(shù)據(jù)交換以之間的數(shù)據(jù)交換以字字為單位為單位vCacheCache與主存間的數(shù)據(jù)傳送以與主存間的數(shù)據(jù)傳送以數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊為單位為單位v一個(gè)塊一個(gè)塊(Block)(Block)由若干字組成由若干字組成play3.Cache3.Cache的命中率的命中率v命中率命中率（Hit RateHit Rate）：h=NcNc +Nm cache/cache/主存系統(tǒng)的平均訪問(wèn)時(shí)間主存系統(tǒng)的平均訪問(wèn)時(shí)間t ta a： ta=htc+(1-h)

26、tm tc命中時(shí)的命中時(shí)的cache訪問(wèn)時(shí)間訪問(wèn)時(shí)間 tm未命中時(shí)的未命中時(shí)的主存訪問(wèn)時(shí)間主存訪問(wèn)時(shí)間h命中率命中率Nccache完成存取的總次數(shù)完成存取的總次數(shù)Nm主存完成存取的總次數(shù)主存完成存取的總次數(shù)設(shè)設(shè)r=tm/tc表示主存慢于表示主存慢于cache的倍率，的倍率，e表示訪問(wèn)效率表示訪問(wèn)效率tce=ta=tchtc+ (1-h)tm=1r+ (1-r)h【例例3.6】CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，執(zhí)行一段程序時(shí)，cache完成存取的次數(shù)完成存取的次數(shù)為為1900次，主存完成存取的次數(shù)為次，主存完成存取的次數(shù)為100次，已知次，已知cache存取周期為存取周期為50ns，主存存取周期為，主存存取

27、周期為250ns，求，求cache/主主存系統(tǒng)的效率和平均訪問(wèn)時(shí)間。存系統(tǒng)的效率和平均訪問(wèn)時(shí)間?！窘饨狻棵新剩好新剩?h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95 平均訪問(wèn)時(shí)間：平均訪問(wèn)時(shí)間：ta=htc+(1-h)tm=60ns 訪問(wèn)效率：訪問(wèn)效率：e=tc/ta=50/60=83.3%Cache結(jié)構(gòu)vCacheCache的數(shù)據(jù)塊稱為的數(shù)據(jù)塊稱為行行用用Li表示，其中表示，其中i=0,1,m-1，共有，共有m行行v主存的數(shù)據(jù)塊稱為主存的數(shù)據(jù)塊稱為塊塊（BlockBlock）用用Bj表示，其中表示，其中j=0,1,n-1，共有，共有n塊塊v行與塊是等長(zhǎng)的，包含行與塊是

28、等長(zhǎng)的，包含k=2k=2w w個(gè)主存字個(gè)主存字字是字是CPU每次訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)可存取的最小單位每次訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)可存取的最小單位 標(biāo)記標(biāo)記 內(nèi)容（字）內(nèi)容（字）Cache： 塊號(hào)塊號(hào) 內(nèi)容（字）內(nèi)容（字）內(nèi)存地址內(nèi)存地址：3.6.2 3.6.2 主存與主存與CacheCache的地址映射的地址映射v地址映射即是把主存地址定位到地址映射即是把主存地址定位到cachecache中。中。 v全相聯(lián)映全相聯(lián)映射射(fully associative mapping)可以將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到任意一個(gè)可以將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到任意一個(gè)Cache行行v直接映直接映射射(direct mapping)將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到

29、唯一的一個(gè)將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到唯一的一個(gè)Cache行行v組相聯(lián)映組相聯(lián)映射射(set associative mapping)可以將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到唯一的一個(gè)可以將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到唯一的一個(gè)Cache組中任組中任意一個(gè)行意一個(gè)行直接映射、直接映射、2/4/82/4/8路組相聯(lián)映射使用較多路組相聯(lián)映射使用較多全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射v主存的一個(gè)塊直接拷貝到主存的一個(gè)塊直接拷貝到cache中的任意一行上中的任意一行上v優(yōu)點(diǎn)：命中率較高，優(yōu)點(diǎn)：命中率較高，Cache的存儲(chǔ)空間利用率高的存儲(chǔ)空間利用率高v缺點(diǎn)：線路復(fù)雜，成本高，速度低缺點(diǎn)：線路復(fù)雜，成本高，速度低全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射的檢索過(guò)程全相

30、聯(lián)映射的檢索過(guò)程play直接映射直接映射v多對(duì)一的映射關(guān)系，但一個(gè)主存塊只能拷貝到多對(duì)一的映射關(guān)系，但一個(gè)主存塊只能拷貝到cache的一個(gè)的一個(gè)特定行位置上去。特定行位置上去。vcache的行號(hào)的行號(hào)i和主存的塊號(hào)和主存的塊號(hào)j有如下函數(shù)關(guān)系：有如下函數(shù)關(guān)系：i=j mod m（m為為cache中的總行數(shù)）中的總行數(shù)）v優(yōu)點(diǎn)：硬件簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)：硬件簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)v缺點(diǎn)：命中率低，缺點(diǎn)：命中率低， Cache的存儲(chǔ)空間利用率低的存儲(chǔ)空間利用率低直接映射直接映射直接映射的檢索過(guò)程直接映射的檢索過(guò)程play沖突不命中Float dotprod(float x8 ,float y8)Float

31、sum=0.0;Int i;For(int i=0;i8;i+)sum +=xi*yi;Return sum；假設(shè)浮點(diǎn)數(shù)是4個(gè)字節(jié)，從地址0開(kāi)始的32字節(jié)連續(xù)存儲(chǔ)器，y緊跟在x之后，從32地址開(kāi)始。假設(shè)塊16個(gè)字節(jié)，高速緩存器由兩個(gè)組組成，高速緩存整個(gè)大小32字節(jié)。元素元素地址地址索引索引元素元素地址地址索引索引X000y0320X140y1360X280y2400X3120y3440X4161y4481X5201y5521X6241y6561X7281y7601元素元素地址地址索引索引元素元素地址地址索引索引X000y0481X140y1521X280y2561X3120y3601X4161

32、y4640X5201y5680X6241y6720X7281y7760修正抖動(dòng)：一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是在每個(gè)數(shù)組的結(jié)尾放字節(jié)填充。將x 定義為float x12。組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射v將將cache分成分成u組，每組組，每組v行，主存塊存放到哪個(gè)組是固定的，行，主存塊存放到哪個(gè)組是固定的，至于存到該組哪一行是靈活的，即有如下函數(shù)關(guān)系：至于存到該組哪一行是靈活的，即有如下函數(shù)關(guān)系：muv 組號(hào)組號(hào)qj mod u v組間采用直接映射，組內(nèi)為全相聯(lián)組間采用直接映射，組內(nèi)為全相聯(lián)v硬件較簡(jiǎn)單，速度較快，命中率較高硬件較簡(jiǎn)單，速度較快，命中率較高組相聯(lián)方式中若每組行數(shù)為組相聯(lián)方式中若每組行數(shù)為v，常稱之為，

33、常稱之為v路組相聯(lián)路組相聯(lián)cache。組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射的檢索過(guò)程組相聯(lián)映射的檢索過(guò)程play3.6.3 3.6.3 替換策略替換策略v替換問(wèn)題替換問(wèn)題新主存塊要進(jìn)入新主存塊要進(jìn)入Cache，決定替換哪個(gè)原主存塊，決定替換哪個(gè)原主存塊直接映射，只能替換唯一的一個(gè)直接映射，只能替換唯一的一個(gè)Cache行行全相聯(lián)和組相聯(lián)，需要選擇替換策略（算法）全相聯(lián)和組相聯(lián)，需要選擇替換策略（算法）1. 最不經(jīng)常使用算法最不經(jīng)常使用算法(LFU: least-frequently used) 替換使用次數(shù)最少的塊替換使用次數(shù)最少的塊2. 近期最少使用算法近期最少使用算法(LRU: least-rec

34、ently used) 替換最久沒(méi)有被使用的塊替換最久沒(méi)有被使用的塊3. 隨機(jī)法隨機(jī)法(random) 隨意選擇被替換的塊，不依賴以前的使用情況隨意選擇被替換的塊，不依賴以前的使用情況每行設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器。從每行設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器。從0 0開(kāi)始計(jì)數(shù)，開(kāi)始計(jì)數(shù)，每訪問(wèn)一次，每訪問(wèn)一次， 被訪行的計(jì)數(shù)器增被訪行的計(jì)數(shù)器增1 1。當(dāng)。當(dāng)需要替換時(shí)，將計(jì)數(shù)值最小的行換出，需要替換時(shí)，將計(jì)數(shù)值最小的行換出，同時(shí)將這些行的計(jì)數(shù)器都清零。同時(shí)將這些行的計(jì)數(shù)器都清零。每行也設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，每行也設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，cachecache每命每命中一次，命中行計(jì)數(shù)器清零，其它中一次，命中行計(jì)數(shù)器清零，其它各行計(jì)數(shù)器增各行計(jì)

35、數(shù)器增1 1。當(dāng)需要替換時(shí)，將。當(dāng)需要替換時(shí)，將計(jì)數(shù)值最大的行換出。計(jì)數(shù)值最大的行換出。3.6.4 cache3.6.4 cache的寫(xiě)操作策略的寫(xiě)操作策略v寫(xiě)入策略寫(xiě)入策略解決主存內(nèi)容的更新問(wèn)題，保持正確解決主存內(nèi)容的更新問(wèn)題，保持正確寫(xiě)回法寫(xiě)回法(write back)(write back) 只寫(xiě)入只寫(xiě)入CacheCache，在被替換時(shí)才寫(xiě)回主存，在被替換時(shí)才寫(xiě)回主存全寫(xiě)法全寫(xiě)法(write through) (write through) 寫(xiě)入寫(xiě)入CacheCache的同時(shí)也寫(xiě)入主存的同時(shí)也寫(xiě)入主存寫(xiě)一次法寫(xiě)一次法 寫(xiě)命中與寫(xiě)未命中的處理方法與寫(xiě)命中與寫(xiě)未命中的處理方法與寫(xiě)回法寫(xiě)回法基本相基本相同，只是第一