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1、第三章第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng) 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述主存儲(chǔ)器的基本構(gòu)造和操作主存儲(chǔ)器的基本構(gòu)造和操作 主存儲(chǔ)器組織主存儲(chǔ)器組織 高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器Cache Cache 高速存儲(chǔ)器高速存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器3.5 Cache3.5 Cache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器3.5.1 3.5.1 多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)3.5.2 Cache3.5.2 Cache工作原理工作原理3.5.3 3.5.3 主存與主存與CacheCache的地址映射和地址變換的地址映射和地址變換3.5.4 Cache3.5.4 Cache的替換策略及寫操作策略的替換策略及寫操作策略
2、中央處理器中央處理器主存主存外存外存cachecacheCPUCPUM1M1M2M3M3輔助輔助硬件硬件輔助輔助軟硬件軟硬件3.5.1 3.5.1 多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)為解決存儲(chǔ)容量、存取速度和價(jià)格之間的矛盾為解決存儲(chǔ)容量、存取速度和價(jià)格之間的矛盾,通常通常將各種不同存儲(chǔ)容量、不同存取速度的存儲(chǔ)器將各種不同存儲(chǔ)容量、不同存取速度的存儲(chǔ)器,按一按一定的體系結(jié)構(gòu)組織起來(lái)定的體系結(jié)構(gòu)組織起來(lái),形成一個(gè)統(tǒng)一整體形成一個(gè)統(tǒng)一整體.典型的三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)典型的三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng): :圖圖3.25 三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖 Cache-Cache-主存層次主存層次 CacheCache一般由一
3、般由SRAMSRAM構(gòu)成構(gòu)成, ,容量小容量小, ,存取速度快,依存取速度快,依據(jù)程序局部性原理?yè)?jù)程序局部性原理, ,存放的是主存中當(dāng)前最需要執(zhí)存放的是主存中當(dāng)前最需要執(zhí)行的信息副本行的信息副本. . 目的:主存容量不足的問(wèn)題目的:主存容量不足的問(wèn)題. 利用輔助硬件和操作系統(tǒng)中的存儲(chǔ)管理軟件利用輔助硬件和操作系統(tǒng)中的存儲(chǔ)管理軟件, ,將將 主存和輔存構(gòu)成一個(gè)整體主存和輔存構(gòu)成一個(gè)整體. .目的:解決目的:解決CPUCPU和主存速度不匹配的問(wèn)題和主存速度不匹配的問(wèn)題. . 主存主存- -輔存層次輔存層次 總體效果:存取速度接近總體效果:存取速度接近Cache,Cache,而存儲(chǔ)容量接而存儲(chǔ)容量接
4、 近于輔存近于輔存, ,整體價(jià)格也較合理整體價(jià)格也較合理. .3.5 Cache3.5 Cache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器3.5.1 3.5.1 多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)3.5.2 Cache3.5.2 Cache工作原理工作原理3.5.3 3.5.3 主存與主存與CacheCache的地址映射和地址變換的地址映射和地址變換3.5.4 Cache3.5.4 Cache的替換策略及寫操作策略的替換策略及寫操作策略 3.5.2 Cache3.5.2 Cache工作原理工作原理1. 1. CacheCache的工作機(jī)制的工作機(jī)制 CacheCache工作是以工作是以程序訪問(wèn)的局部性原理程序訪問(wèn)的局部性原
5、理為基礎(chǔ)的為基礎(chǔ)的, ,即即, , 一個(gè)程序的指令大都順序存放、順序執(zhí)行一個(gè)程序的指令大都順序存放、順序執(zhí)行, ,與程序與程序相關(guān)的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中也相對(duì)集中相關(guān)的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中也相對(duì)集中. .所以程序運(yùn)行時(shí)所以程序運(yùn)行時(shí),尤其有循環(huán)程序段和子程序段時(shí)尤其有循環(huán)程序段和子程序段時(shí),在在較短時(shí)間區(qū)間內(nèi)較短時(shí)間區(qū)間內(nèi),常會(huì)對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器頻繁訪問(wèn)常會(huì)對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器頻繁訪問(wèn),而此范圍之外的地址訪問(wèn)甚少而此范圍之外的地址訪問(wèn)甚少.這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為程序訪程序訪問(wèn)的局部性問(wèn)的局部性.把局部范圍的主存內(nèi)容從主存放到一個(gè)高速小容量把局部范圍的主存內(nèi)容從主存放到一個(gè)高速小容量存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)器中, ,使
6、使CPUCPU在這一段時(shí)間內(nèi)直接訪問(wèn)它在這一段時(shí)間內(nèi)直接訪問(wèn)它, ,以減少以減少或不去訪問(wèn)慢速的主存或不去訪問(wèn)慢速的主存 , ,程序運(yùn)行速度將明顯提高程序運(yùn)行速度將明顯提高. . 2. Cache2. Cache工作原理工作原理例例: :某機(jī)主存容量為某機(jī)主存容量為1MB, Cache1MB, Cache容量為容量為8KB,8KB,若以字節(jié)編若以字節(jié)編址址, ,每每512B512B為一塊為一塊, ,則主存有則主存有20482048塊塊, Cache, Cache有有1616塊塊. .塊塊0 000000H 00001H. 001FFH塊塊20472047FFE00HFFE01HFFFFFH主存
7、主存塊塊0 00000H 0001H.01FFH塊塊15151E00H1E01H1FFFH Cache Cache 塊的概念塊的概念一般將主存和一般將主存和CacheCache的存儲(chǔ)空間分塊的存儲(chǔ)空間分塊, ,每塊大小相同每塊大小相同, ,包括相同數(shù)量的存儲(chǔ)單元包括相同數(shù)量的存儲(chǔ)單元. . Cache Cache構(gòu)成及工作過(guò)程構(gòu)成及工作過(guò)程CPUCPU主主存存主存主存地址地址寄存寄存器器MARMAR主存主存CacheCache地址變換地址變換機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)( (塊表塊表) )CacheCache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器CacheCache地址地址寄存器寄存器替換控制部件替換控制部件ABDB單字寬單字寬多多字字寬
8、寬不不命命中中命命中中(塊塊) CacheCache包括包括CacheCache存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)器及相應(yīng)控制部件相應(yīng)控制部件, ,全部由全部由硬件組成硬件組成, ,速度快速度快, ,對(duì)所有程序員均透明對(duì)所有程序員均透明. .CARCAR CacheCache命中率命中率 設(shè)設(shè)NcNc為為Cache Cache 完成存取的總次數(shù)完成存取的總次數(shù),Nm,Nm為主存完為主存完成存取的總次數(shù)成存取的總次數(shù), ,h h為命中率為命中率, ,則有則有: : 設(shè)設(shè)r=tm/tcr=tm/tc表示主存慢于表示主存慢于CacheCache的倍率的倍率, ,e e表示訪問(wèn)表示訪問(wèn)效率效率, ,則有則有: : 高速緩存
9、命中率高速緩存命中率:CPU:CPU訪存時(shí)訪存時(shí), ,信息恰巧在信息恰巧在CacheCache中的概率中的概率. .h=Nc/(Nc+Nm)h=Nc/(Nc+Nm) 若若tc tc表示命中時(shí)的表示命中時(shí)的CacheCache訪問(wèn)時(shí)間訪問(wèn)時(shí)間,tm,tm表示未命中表示未命中時(shí)的主存訪問(wèn)時(shí)間時(shí)的主存訪問(wèn)時(shí)間,1-h,1-h表示未命中率表示未命中率, ,則則Cache /Cache /主存系主存系統(tǒng)的統(tǒng)的平均訪問(wèn)時(shí)間平均訪問(wèn)時(shí)間tata為為: :ta=htc+(1-h)tmta=htc+(1-h)tm e=tc/ta=tc/htc+(1-h)tm=1/h+(1-h)r=1/r+(1-r)he=tc/
10、ta=tc/htc+(1-h)tm=1/h+(1-h)r=1/r+(1-r)h例:例:CPUCPU執(zhí)行一段程序時(shí)執(zhí)行一段程序時(shí),Cache,Cache完成存取的次完成存取的次數(shù)數(shù)19001900次次, ,主存完成存取的次數(shù)為主存完成存取的次數(shù)為100100次次, ,已知已知CacheCache的存取周期為的存取周期為1ns,1ns,主存存取周期為主存存取周期為5ns,5ns,求求Cache/Cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問(wèn)時(shí)間主存系統(tǒng)的效率和平均訪問(wèn)時(shí)間. .解:解:h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100) h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100) =0.9
11、5=0.95 r=tm/tc=5ns/1ns=5r=tm/tc=5ns/1ns=5 e=1/r+(1-r)h=1/5+(1-5)X0.95=83.3% e=1/r+(1-r)h=1/5+(1-5)X0.95=83.3% ta=tc/e=1ns/0.833=1.2ns ta=tc/e=1ns/0.833=1.2ns例例: :某計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)由某計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)由CacheCache和主存組成和主存組成, ,某程某程序執(zhí)行過(guò)程中訪存序執(zhí)行過(guò)程中訪存10001000次次, ,其中訪問(wèn)其中訪問(wèn)CacheCache缺失缺失( (未命中未命中)50)50次次, ,則則CacheCache的命中率是的命中
12、率是( ).( ). A.5% B.9.5% C.50% D.95% A.5% B.9.5% C.50% D.95% 影響影響 CacheCache命中率的因素命中率的因素 Cache的大小的大小 容量相對(duì)較大的容量相對(duì)較大的Cache,命中率也相應(yīng)提高命中率也相應(yīng)提高,但容量但容量太大太大,成本會(huì)變得不合理成本會(huì)變得不合理. 程序的特點(diǎn)程序的特點(diǎn) 遵循局部性原理的程序在運(yùn)行時(shí)遵循局部性原理的程序在運(yùn)行時(shí)Cache的命中率的命中率也會(huì)很高也會(huì)很高,相反相反,在程序中頻繁且無(wú)規(guī)則地使用在程序中頻繁且無(wú)規(guī)則地使用Call或或JMP命令命令,將嚴(yán)重影響基于將嚴(yán)重影響基于Cache的系統(tǒng)性能的系統(tǒng)性能
13、. Cache的組織結(jié)構(gòu)的組織結(jié)構(gòu) Cache組織結(jié)構(gòu)的好壞組織結(jié)構(gòu)的好壞,對(duì)命中率也會(huì)產(chǎn)生較大影對(duì)命中率也會(huì)產(chǎn)生較大影響響. Cache的組織結(jié)構(gòu)有三種類型的組織結(jié)構(gòu)有三種類型:全相聯(lián)映射、直接映全相聯(lián)映射、直接映射和組相聯(lián)映射射和組相聯(lián)映射. 3.5 Cache3.5 Cache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器3.5.1 3.5.1 多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)3.5.2 Cache3.5.2 Cache工作原理工作原理3.5.3 3.5.3 主存與主存與CacheCache的地址映射和地址變換的地址映射和地址變換3.5.4 Cache3.5.4 Cache的替換策略及寫操作策略的替換策略及寫操作策略 3
14、.5.3 3.5.3 主存與主存與CacheCache的地址映射和地址變換的地址映射和地址變換1. 1. 全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射: :允許主存中的每一個(gè)塊可以映射到允許主存中的每一個(gè)塊可以映射到CacheCache的任何一塊位置上的任何一塊位置上. .映射過(guò)程如下圖所示映射過(guò)程如下圖所示: : 一一. .全相聯(lián)映射及其地址變換全相聯(lián)映射及其地址變換l 二者密切相關(guān)二者密切相關(guān)- -地址變換由地址映射方式?jīng)Q定地址變換由地址映射方式?jīng)Q定. .主存主存-Cache-Cache地址變換地址變換: :程序運(yùn)行時(shí)程序運(yùn)行時(shí), ,根據(jù)地址映射把主根據(jù)地址映射把主存地址變換成存地址變換成CacheCache地址
15、地址. . 主存主存-Cache-Cache地址映射地址映射(mapping):(mapping):把存放在主存中的把存放在主存中的程序按某種規(guī)則裝入程序按某種規(guī)則裝入CacheCache中中, ,并依此建立主存地址與并依此建立主存地址與CacheCache地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系, ,即塊表即塊表. . 塊表塊表存放數(shù)據(jù)或指令在內(nèi)存中所在單元地址的存儲(chǔ)存放數(shù)據(jù)或指令在內(nèi)存中所在單元地址的存儲(chǔ)器器, ,用于判斷用于判斷CacheCache命中以及實(shí)現(xiàn)地址映射命中以及實(shí)現(xiàn)地址映射, ,其字?jǐn)?shù)等于其字?jǐn)?shù)等于CacheCache的塊數(shù)的塊數(shù). .塊塊0 塊塊1塊塊15塊塊0塊塊1塊塊2047Ca
16、cheCache主存主存全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射 2.2.全相聯(lián)映射方式下的地址變換全相聯(lián)映射方式下的地址變換主存塊號(hào)主存塊號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 (1) (1) 主存地址格式主存地址格式: : (標(biāo)志字段標(biāo)志字段)圖圖3.26 全相聯(lián)映射示意圖全相聯(lián)映射示意圖l例例: :某機(jī)主存容量為某機(jī)主存容量為1MB, Cache1MB, Cache容量為容量為8KB8KB,若以字,若以字節(jié)編址,每節(jié)編址,每512B512B為一塊為一塊, ,則主存有則主存有20482048塊塊, Cache, Cache有有1616塊。塊。v主存地址格式:主存地址格式: 0000 0000 000 0000 0000 000
17、0 0000 00000 0000 0000 0000 0000 000 0000 0000 000 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1塊號(hào)塊號(hào)(0塊塊)塊內(nèi)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)存儲(chǔ)單元(0-511)(0-511)塊號(hào)塊號(hào)(1塊塊) 塊內(nèi)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)存儲(chǔ)單元( 0-511)( 0-511)0000 0000 001 0000 0000 001 0 0000 00000 0000 00000000 0000 001 0000 0000 001 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1塊號(hào)塊號(hào)(2047塊塊)塊內(nèi)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)存儲(chǔ)單元(0-51
18、1)(0-511)1 1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1 111 0 0000 00000 0000 00001 1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1CacheCache塊號(hào)塊號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 主存塊號(hào)轉(zhuǎn)換為主存塊號(hào)轉(zhuǎn)換為CacheCache塊號(hào)塊號(hào), ,塊內(nèi)地址不變塊內(nèi)地址不變(3) (3) 地址變換地址變換( (將主存地址轉(zhuǎn)換為將主存地址轉(zhuǎn)換為CacheCache地址地址): ): (2) Cache(2) Cache地址格式地址格式: :塊號(hào)塊號(hào)(
19、0塊塊)塊內(nèi)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)存儲(chǔ)單元(0-511)(0-511)塊號(hào)塊號(hào)(1塊塊) 塊內(nèi)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)存儲(chǔ)單元( 0-511)( 0-511) 0 00 1 0 00 1 0 0000 00000 0000 0000 0 00 1 0 00 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1塊號(hào)塊號(hào)(15塊塊)塊內(nèi)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)存儲(chǔ)單元(0-511)(0-511) 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0000 00000 0000 0000 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 0 00 0 0 0000 0000
20、0 00 0 0 0000 0000 0 00 0 1 1 1 1 1 1 1 1 10 00 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1主存塊號(hào)主存塊號(hào)B(B(標(biāo)志字段標(biāo)志字段) )塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址WWCacheCache塊號(hào)塊號(hào)b b塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址ww主存塊號(hào)主存塊號(hào)B BCacheCache塊號(hào)塊號(hào)b bB Bb b比較比較命中命中MARMARCARCAR 圖圖3.27 3.27 全相聯(lián)映射的地址變換全相聯(lián)映射的地址變換塊表塊表(塊表容塊表容量的計(jì)算:量的計(jì)算:字?jǐn)?shù)等于字?jǐn)?shù)等于高緩塊數(shù),高緩塊數(shù),字長(zhǎng)由主字長(zhǎng)由主存塊數(shù)和存塊數(shù)和高緩塊數(shù)高緩塊數(shù)決定決定)不命中則不命中則訪問(wèn)主存訪問(wèn)主存注意
21、注意: :在全相聯(lián)映射中在全相聯(lián)映射中, ,主存塊號(hào)作為主存塊號(hào)作為識(shí)別是否命中的標(biāo)志識(shí)別是否命中的標(biāo)志, ,標(biāo)志位的長(zhǎng)度由主存塊數(shù)決定標(biāo)志位的長(zhǎng)度由主存塊數(shù)決定. .字塊字塊0 0字塊字塊1 1字塊字塊2 2C C -1 -1標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記設(shè)設(shè)CacheCache有有2 2C C-1 -1塊塊, ,主存有主存有2 2mm-1 -1塊塊, ,即即CacheCache塊地址有塊地址有c c位位, ,主存塊地址有主存塊地址有mm位位. .字塊字塊0 0字塊字塊1 1字塊字塊2 2C C -1 -1字塊字塊2 2mm -1 -1主存地址格式:主存地址格式:主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記 塊內(nèi)地址
22、塊內(nèi)地址mm位位圖圖3.28 3.28 全相聯(lián)映射的另一種常見(jiàn)圖解全相聯(lián)映射的另一種常見(jiàn)圖解 3.3.全相聯(lián)映射的優(yōu)缺點(diǎn)全相聯(lián)映射的優(yōu)缺點(diǎn) i= j mod m (m(m為為CacheCache中總塊數(shù)中總塊數(shù)) ) 映射規(guī)則映射規(guī)則: :主存中任何一組的第主存中任何一組的第i i塊只能放入塊只能放入Cache Cache 的的第第i i塊塊. . 主存第主存第j j塊塊( (大排塊數(shù)大排塊數(shù)) )和和CacheCache第第i i塊有如下函數(shù)關(guān)塊有如下函數(shù)關(guān)系系: :1. 1.直接映射直接映射: :首先首先, ,主存在分塊的基礎(chǔ)上分組主存在分塊的基礎(chǔ)上分組, ,每組大小與每組大小與Cache
23、Cache的大小相同。的大小相同。二二. . 直接映射及其地址變換直接映射及其地址變換 (2) (2) 缺點(diǎn)缺點(diǎn): :塊表的查找時(shí)間長(zhǎng)塊表的查找時(shí)間長(zhǎng), ,速度慢速度慢. .(1) 1) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :塊沖突概率最低塊沖突概率最低, ,只有當(dāng)只有當(dāng)CacheCache中全部裝滿后中全部裝滿后, , 才有可能出現(xiàn)塊沖突才有可能出現(xiàn)塊沖突, ,塊分配靈活;塊分配靈活;其中其中,商為主存第商為主存第j塊所在主存的組數(shù)塊所在主存的組數(shù),余數(shù)為在該組的塊數(shù)余數(shù)為在該組的塊數(shù).塊塊0塊塊1塊塊15CacheCache.0 0組組1 1組組127127組組塊塊 0 塊塊 1 塊塊15 塊塊16塊塊17 塊塊
24、31 塊塊2047主存主存塊塊2032塊塊2033圖圖3.29 直接映射示意直接映射示意圖圖2.2.直接聯(lián)映射方式下的地址變換直接聯(lián)映射方式下的地址變換 CacheCache塊號(hào)塊號(hào) 組組號(hào)號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址CacheCache塊號(hào)塊號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào) (2) Cache(2) Cache地址格式地址格式: :(1) (1) 主存地址格式主存地址格式: :塊號(hào)塊號(hào)(0塊塊)塊內(nèi)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)存儲(chǔ)單元(0-511)(0-511)塊號(hào)塊號(hào)(1塊塊) 塊內(nèi)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)存儲(chǔ)單元( 0-511)( 0-511)0000 0000000 0000 0010 001 0 0000 00000
25、0000 00000000 0000000 0000 0010 001 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1塊號(hào)塊號(hào)(2047塊塊)塊內(nèi)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)存儲(chǔ)單元(0-511)(0-511)1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1111 111 0 0000 00000 0000 00001 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1111 111 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1主存地址格式:主存地址格式:0000 0000000 0000 0 000000 0 0000 00000 0000
26、 00000000 0000000 0000 0 000000 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1組號(hào)組號(hào)(0-127)組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)(0-15)(3) (3) 地址變換地址變換( (將主存地址轉(zhuǎn)換為將主存地址轉(zhuǎn)換為CacheCache地址地址): ):CacheCache塊號(hào)塊號(hào)b b組號(hào)組號(hào)G G( (標(biāo)志字段標(biāo)志字段) )MARMARCache塊號(hào)塊號(hào)b塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址w w CAR CAR命中命中不命中不命中訪問(wèn)主存訪問(wèn)主存塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址W W比較比較組號(hào)組號(hào)GCache地址地址根據(jù)根據(jù)CARCAR的內(nèi)容訪問(wèn)的內(nèi)容訪問(wèn)CacheCache 主存地址
27、中的主存地址中的“組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)(Cache(Cache塊號(hào)塊號(hào))+)+塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址”= Cache= Cache地址地址注意:在直接映射中注意:在直接映射中, ,主存組號(hào)主存組號(hào)作為識(shí)別是否命中的標(biāo)志,標(biāo)作為識(shí)別是否命中的標(biāo)志,標(biāo)志位的長(zhǎng)度由主存組數(shù)決定志位的長(zhǎng)度由主存組數(shù)決定. .3.3.直接映射的優(yōu)缺點(diǎn):直接映射的優(yōu)缺點(diǎn):塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址(9位位) 組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)(4位位)組號(hào)組號(hào)(7位位) CacheCache地址格式地址格式塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址(9位位) 塊號(hào)塊號(hào)(4位位)解解:(1) :(1) 主存地址格式主存地址格式 (1) (1) 分別寫出主存地址格式和分別寫出主存地址格式
28、和CacheCache地址格式地址格式; ; (2) (2) 畫(huà)出直接映射及地址變換圖畫(huà)出直接映射及地址變換圖; ; (3) (3)主存地址為主存地址為0022AH0022AH的單元在的單元在CacheCache中什么位置中什么位置? ?例題例題: :某機(jī)主存容量為某機(jī)主存容量為1MB, Cache1MB, Cache容量為容量為8KB8KB,每塊,每塊512B,512B,如果采用直接映射如果采用直接映射, ,請(qǐng)回答請(qǐng)回答: :(2)(2)缺點(diǎn)缺點(diǎn):Cache:Cache的空間利用率低的空間利用率低, ,塊沖突較多塊沖突較多, ,命中率也低命中率也低. .(1)(1)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單
29、硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單, ,成本低成本低. .塊塊0塊塊1塊塊15Cache.0組組1組組塊塊 0 塊塊 1 塊塊15 塊塊16塊塊17 塊塊31 塊塊2047塊塊2032塊塊2033 127組組主存主存7位位4位位9位位組號(hào)組號(hào)G組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)b塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址主存地址主存地址比較比較組號(hào)組號(hào)不命不命中中,訪訪問(wèn)主問(wèn)主存存Cache地址地址01b15(2) (2) 直接映射及地址變換示意圖直接映射及地址變換示意圖命中命中,MARCAR4位位9位位則根據(jù)則根據(jù)CAR的內(nèi)容訪問(wèn)的內(nèi)容訪問(wèn)Cache地址映射地址映射地址變換地址變換 (3) 主存地址為主存地址為0022AH的單元在的單元在Cache中什么中
30、什么位置位置組組(0組組)組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)(1塊塊)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址(42字字)另外一種求法另外一種求法: 0022AH=(0000 0000 0010 0010 1010)2因?yàn)橹鞔娴谝驗(yàn)橹鞔娴趈塊和塊和Cache第第i塊有如下函數(shù)關(guān)系塊有如下函數(shù)關(guān)系: i= j mod m (m為為Cache中總塊數(shù)中總塊數(shù))這里這里,j=1,m=16,所以所以i=1 mod 16=1例例: :設(shè)一個(gè)設(shè)一個(gè)CacheCache中有中有8 8個(gè)塊個(gè)塊, ,訪問(wèn)主存進(jìn)行讀操作的塊地址訪問(wèn)主存進(jìn)行讀操作的塊地址序列為序列為2222、2626、2222、2626、1616、4 4、1616、18,18,求每次訪問(wèn)
31、后求每次訪問(wèn)后CacheCache中的內(nèi)容中的內(nèi)容( (設(shè)設(shè)CacheCache初始為空初始為空). ).解:解:地址地址命中與否命中與否地址轉(zhuǎn)換關(guān)系地址轉(zhuǎn)換關(guān)系2222 不命中不命中 22 MOD 8=622 MOD 8=62626 不命中不命中 26 MOD 8=226 MOD 8=2 22 22 命中命中 22 MOD 8=6 22 MOD 8=62626 命中命中 26 MOD 8=226 MOD 8=216 16 不命中不命中 16 MOD 8=016 MOD 8=04 4 不命中不命中 4 MOD 8=4 4 MOD 8=4 16 16 命中命中 16 MOD 8=016 MOD
32、8=0 18 18 不命中不命中 18 MOD 8=2 18 MOD 8=2 直接映象下直接映象下CacheCache訪問(wèn)情況訪問(wèn)情況 直接映象的塊分配情況直接映象的塊分配情況 訪問(wèn)順序訪問(wèn)順序 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8 地址地址 22 26 22 26 16 4 16 1822 26 22 26 16 4 16 18塊分配塊分配 情況情況 2222操作操作狀態(tài)狀態(tài)調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)22222626調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)22222626命命中中22222626命命中中222226261616調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)22224 416162626調(diào)調(diào)進(jìn)進(jìn)2222161626264 4命命中中2222
33、161618184 4替替換換練習(xí)練習(xí)1. 1. 設(shè)有一個(gè)設(shè)有一個(gè)CacheCache的容量為的容量為2K2K字字, ,每塊每塊1616字字, ,在直接映在直接映象方式下象方式下, ,求求: :(1)(1)該該CacheCache可容納多少個(gè)塊可容納多少個(gè)塊? ?(2)(2)如果主存的容量為如果主存的容量為256K256K字字, ,則有多少個(gè)塊則有多少個(gè)塊? ?(3)(3)主存的地址格式主存的地址格式? Cache? Cache的地址格式的地址格式? ?(4) (4) 主存中的第主存中的第032AB032AB單元映象到單元映象到CacheCache中哪一塊中哪一塊? ?練習(xí)練習(xí)2. 2. 設(shè)計(jì)
34、算機(jī)的存儲(chǔ)器為設(shè)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器為64K64K1616位位, ,直接地址映射直接地址映射的的CacheCache容量為容量為1K1K字字, ,每塊每塊4 4字字, ,問(wèn)問(wèn): : (1) (1) 主存中地址的標(biāo)志字段、塊號(hào)和塊內(nèi)地址字段分主存中地址的標(biāo)志字段、塊號(hào)和塊內(nèi)地址字段分別有多少位?別有多少位? (2 2)CacheCache中可裝入多少塊數(shù)據(jù)?中可裝入多少塊數(shù)據(jù)?三三. . 組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射及其地址變換及其地址變換n n路組相聯(lián)路組相聯(lián): :每組中有每組中有n n塊塊. .有有全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射: :主存第主存第g g組第組第i i塊可映射到塊可映射到CacheCache第第i i
35、組中任組中任一塊的位置一塊的位置. . 有直接映射有直接映射: :主存第主存第g g組第組第i i塊只能映射到塊只能映射到CacheCache第第i i組組. . 1. 1.組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射:Cache:Cache分成大小相等的組分成大小相等的組, ,各組再分成大各組再分成大小相等的塊小相等的塊. . 主存在分塊的基礎(chǔ)上分組主存在分塊的基礎(chǔ)上分組, ,每組塊數(shù)等于每組塊數(shù)等于Cache Cache 組數(shù)組數(shù). . 映射規(guī)則映射規(guī)則:Cahe:Cahe分為分為mm組組, ,每組有每組有n n塊塊, ,則有以下關(guān)系則有以下關(guān)系: : i=j mod m i=j mod m 其中其中,i ,i為
36、為CacheCache組號(hào)組號(hào),j ,j為主存塊號(hào)為主存塊號(hào)( (大排大排). ).商為主存第商為主存第j j塊塊所在組數(shù)所在組數(shù), ,余數(shù)為該組所在塊數(shù)余數(shù)為該組所在塊數(shù). . 塊塊0 0塊塊1 1塊塊2 2塊塊3 3塊塊1414塊塊1515 0 0組組1 1組組7 7組組CacheCache主存主存塊塊0 0塊塊1 1塊塊2 2塊塊3 3塊塊7 7塊塊8 8塊塊1515塊塊1616塊塊1717塊塊20472047圖圖3.30 3.30 組相聯(lián)映射示意圖組相聯(lián)映射示意圖同上例同上例, ,采用采用2 2路組相聯(lián)路組相聯(lián) 塊塊9 90 0組組1 1組組 2.2.組相聯(lián)映射方式下的地址變換組相聯(lián)映
37、射方式下的地址變換塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 ( (CacheCache組號(hào)組號(hào)) )(1) (1) 主存地址格式主存地址格式: :(主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記) (2) Cache(2) Cache地址格式地址格式: :塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址組號(hào)組號(hào)組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào) 組號(hào)組號(hào)組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)(3) (3) 地址變換地址變換( (將主存地址轉(zhuǎn)換為將主存地址轉(zhuǎn)換為CacheCache地址地址): ):塊內(nèi)地址塊內(nèi)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 ( (CacheCache組號(hào)組號(hào)) )(主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記) 組號(hào)組號(hào)組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記組號(hào)組號(hào)G G塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址WWMAR
38、MAR組號(hào)組號(hào)g g組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)b b塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址wwCARCAR比較比較不命中不命中訪問(wèn)主存訪問(wèn)主存命中命中主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記CacheCache組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)b b訪問(wèn)訪問(wèn)CacheCache圖圖3.31 3.31 組相聯(lián)映射的地址變換示意圖組相聯(lián)映射的地址變換示意圖塊表塊表v 例例(2009):(2009):某計(jì)算機(jī)的某計(jì)算機(jī)的CacheCache共有共有1616塊塊, ,采采用用2 2路組相聯(lián)路組相聯(lián)( (即每組即每組2 2塊塊). ).每個(gè)主存塊大每個(gè)主存塊大小為小為3232字節(jié)字節(jié), ,按字節(jié)編址按字節(jié)編址. .主存主存129129號(hào)單元號(hào)單元所在主存應(yīng)裝入到得所在
39、主存應(yīng)裝入到得CacheCache組號(hào)是組號(hào)是( ).( ).vA. 0 B.2 C.4 D.6A. 0 B.2 C.4 D.6v 例例: :在下列因素中在下列因素中, ,與與CacheCache的命中率無(wú)關(guān)的命中率無(wú)關(guān)的是的是( ).( ).v A. Cache A. Cache塊的大小塊的大小v B. CacheB. Cache的容量的容量v C. C. 主存的存取時(shí)間主存的存取時(shí)間v 例:假設(shè)主存容量為例:假設(shè)主存容量為512K512K1616位位,Cache,Cache容量容量為為409640961616位位, ,塊長(zhǎng)為塊長(zhǎng)為4 4個(gè)個(gè)1616位的字位的字, ,訪存地址訪存地址為字地址
40、為字地址. .v(1)(1)在直接映射方式下在直接映射方式下, ,設(shè)計(jì)主存地址格式設(shè)計(jì)主存地址格式. .v(2)(2)在全相聯(lián)映射方式下在全相聯(lián)映射方式下, ,設(shè)計(jì)主存地址格式設(shè)計(jì)主存地址格式. .v(3)(3)在在2 2路組相聯(lián)映射方式下路組相聯(lián)映射方式下, ,設(shè)計(jì)主存地址格設(shè)計(jì)主存地址格式式. .v 解解:(1):(1)在直接映射方式下在直接映射方式下,Cache,Cache分分4096/4=24096/4=21010塊塊, ,主存分主存分2 21919/4=2/4=21717塊塊, ,主存分主存分2 21919/2/21212=2=27 7組組. .v 故主存地址格式故主存地址格式: :
41、主存組數(shù)主存組數(shù)(7(7位位) )組內(nèi)塊數(shù)組內(nèi)塊數(shù)(10(10位位) )塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址(2(2位位) )v(2)(2)在全相聯(lián)方式下在全相聯(lián)方式下, ,CacheCache分分4096/4=24096/4=21010塊塊, ,主存分主存分2 21919/4=2/4=21717塊塊. .v故主存地址格式故主存地址格式: :主存塊數(shù)主存塊數(shù)(17(17位位) )塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址(2(2位位) ) (3)(3)在組相聯(lián)映射方式下在組相聯(lián)映射方式下, , CacheCache分分4096/4=24096/4=21010塊塊,2,2塊一組塊一組,Cache,Cache分分2 21010/2=2/2=2
42、9 9組組; ;主主存分存分2 21919/4=2/4=21717塊塊, ,每組分每組分2 29 9塊塊, ,主存分主存分2 21717/2/29 9=2=28 8組組. .v故主存地址格式故主存地址格式: :塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 ( (CacheCache組號(hào)組號(hào)) )(主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記)組號(hào)組號(hào)(8位位)組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)(9位位) (2位位)練習(xí)練習(xí)1. 1. 設(shè)有一個(gè)設(shè)有一個(gè)CacheCache的容量為的容量為2K2K字字, ,每塊每塊1616字字, ,在直接在直接映象方式下映象方式下, ,求求: :(1)(1)該該CacheCache可容納多少個(gè)塊可容納多少個(gè)塊? ?(2)(2)如
43、果主存的容量為如果主存的容量為256K256K字字, ,則有多少個(gè)塊則有多少個(gè)塊? ?(3)(3)主存的地址格式主存的地址格式? Cache? Cache的地址格式的地址格式? ?(4) (4) 主存中的第主存中的第032ABH032ABH單元映象到單元映象到CacheCache中哪一塊中哪一塊? ? 解解:(1):(1) CacheCache可容納的塊數(shù)為可容納的塊數(shù)為:2K/16=2:2K/16=27 7=128(=128(塊塊) )(2) (2) 主存的可容納的塊數(shù)為主存的可容納的塊數(shù)為: 256K/16=2: 256K/16=21414( (塊塊) ) (3) (3) 主存地址格式為主
44、存地址格式為: :塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址(4位位) 組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)(7位位)組號(hào)組號(hào)(7位位) CacheCache地址格式為地址格式為: :塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址(4位位) 組內(nèi)塊號(hào)組內(nèi)塊號(hào)(7位位)(4) 主存中的主存中的032ABH單元單元:032ABH=(0000 0011 0010 1010 1011)2 6 6組組 42 42塊塊1111字字另外一種求法另外一種求法: :因?yàn)橹鞔娴谝驗(yàn)橹鞔娴趈 j塊和塊和CacheCache第第i i塊有如下函數(shù)關(guān)系塊有如下函數(shù)關(guān)系: : i= j mod m (m i= j mod m (m為為CacheCache中總塊數(shù)中總塊數(shù)) )這里這里,j=2,j
45、=29 9+2+28 8+2+25 5+2+23 3+2+21 1=810,m=128,=810,m=128,所以所以i=1 mod m=810 mod 128=42i=1 mod m=810 mod 128=42 3.5 Cache3.5 Cache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器3.5.1 3.5.1 多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)3.5.2 Cache3.5.2 Cache工作原理工作原理3.5.3 3.5.3 主存與主存與CacheCache的地址映射和地址變換的地址映射和地址變換3.5.4 Cache3.5.4 Cache的替換策略及寫操作策略的替換策略及寫操作策略3.5.4 3.5.4 CacheC
46、ache的替換策略及寫操作策略的替換策略及寫操作策略LRU-Least Recently UsedLRU-Least Recently UsedFIFO-First In First OutFIFO-First In First OutRANDRAND 常用替換算法常用替換算法: : 注意注意: :只有全相聯(lián)和組相聯(lián)的高速緩存中有替換策略只有全相聯(lián)和組相聯(lián)的高速緩存中有替換策略問(wèn)題問(wèn)題. . 替換策略替換策略(replacement policy): Cache(replacement policy): Cache地址變換中地址變換中一旦發(fā)生不命中一旦發(fā)生不命中, ,需將主存中一個(gè)新塊調(diào)入需將
47、主存中一個(gè)新塊調(diào)入Cache,Cache,如如果此時(shí)發(fā)生塊沖突果此時(shí)發(fā)生塊沖突, , 決定從決定從CacheCache中選擇哪一個(gè)數(shù)據(jù)中選擇哪一個(gè)數(shù)據(jù)塊塊, ,并將其從并將其從CacheCache中移去中移去, ,將新的數(shù)據(jù)塊寫入的方法將新的數(shù)據(jù)塊寫入的方法. . 一一. Cache. Cache的替換策略的替換策略 1. RAND1. RAND算法算法 特點(diǎn)特點(diǎn): :符合局部性原理符合局部性原理, ,命中率較高命中率較高. . 方法方法: :根據(jù)局部性原理選擇近期用的最少的數(shù)據(jù)塊根據(jù)局部性原理選擇近期用的最少的數(shù)據(jù)塊作為替換的塊作為替換的塊. .具體做法具體做法: :為每一塊設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器為
48、每一塊設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器, ,當(dāng)當(dāng)某一塊命中時(shí)某一塊命中時(shí), ,其計(jì)數(shù)器清其計(jì)數(shù)器清0,0,其它各塊的計(jì)數(shù)器增其它各塊的計(jì)數(shù)器增1, 1,當(dāng)當(dāng)需要替換時(shí)需要替換時(shí), ,將計(jì)數(shù)值大的塊替換出將計(jì)數(shù)值大的塊替換出. .3. 3. LRULRU算法算法 特點(diǎn)特點(diǎn): :較簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單, ,但沒(méi)有體現(xiàn)程序局部性規(guī)律但沒(méi)有體現(xiàn)程序局部性規(guī)律, ,不能提不能提高高CacheCache命中率命中率. .方法方法: :選擇最早調(diào)入選擇最早調(diào)入CacheCache的塊進(jìn)行替換的塊進(jìn)行替換. . 2. 2. FIFOFIFO算法算法 方法方法: :隨機(jī)地確定替換塊隨機(jī)地確定替換塊. .特點(diǎn)特點(diǎn): :容易實(shí)現(xiàn)容易實(shí)現(xiàn), ,
49、執(zhí)行速度快執(zhí)行速度快, ,但沒(méi)有體現(xiàn)程序局部性規(guī)律但沒(méi)有體現(xiàn)程序局部性規(guī)律, ,不能提高不能提高CacheCache命中率命中率. .二、二、CacheCache的寫操作策略的寫操作策略 CacheCache內(nèi)容是主存部分內(nèi)容的副本內(nèi)容是主存部分內(nèi)容的副本, ,在命中的情在命中的情況下況下, ,如果如果CPUCPU對(duì)對(duì)CacheCache寫入寫入, ,改變了改變了Cache (dirty block)Cache (dirty block)的內(nèi)容的內(nèi)容, ,如何保證主存內(nèi)容與如何保證主存內(nèi)容與CacheCache內(nèi)容一致內(nèi)容一致. .缺點(diǎn)缺點(diǎn): :當(dāng)當(dāng)CPUCPU向主存寫操作時(shí)向主存寫操作時(shí),
50、Cache, Cache無(wú)高速緩沖無(wú)高速緩沖功能功能, ,降低了降低了CacheCache的功效的功效. . 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :寫主存與寫寫主存與寫CacheCache同步同步. . 1. 1.直達(dá)法直達(dá)法(write through)(write through)(通過(guò)式寫入通過(guò)式寫入): ):每次寫入每次寫入CacheCache時(shí)同時(shí)寫入主存時(shí)同時(shí)寫入主存, ,使主存與使主存與CacheCache相關(guān)塊內(nèi)容始終保持一相關(guān)塊內(nèi)容始終保持一致致. . 2. 2. 寫回法寫回法(write back)(write back)(標(biāo)志交換方式標(biāo)志交換方式): Cache): Cache中每一塊各作一個(gè)標(biāo)
51、記中每一塊各作一個(gè)標(biāo)記( (清清未修改過(guò)未修改過(guò); ;濁濁修修改過(guò)改過(guò)), ),命中需將信息寫入主存時(shí)命中需將信息寫入主存時(shí), ,暫只寫入暫只寫入 Cache, Cache, 并不寫入主存并不寫入主存, , 只有當(dāng)該塊需要從只有當(dāng)該塊需要從CacheCache中替換出來(lái)時(shí)中替換出來(lái)時(shí), ,若其標(biāo)記為若其標(biāo)記為”濁濁”, ,再一次性寫入再一次性寫入主存主存. . 缺點(diǎn)缺點(diǎn): :存在存在CacheCache與主存數(shù)據(jù)不一致的隱患與主存數(shù)據(jù)不一致的隱患. .優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :減少對(duì)主存的寫操作次數(shù)減少對(duì)主存的寫操作次數(shù), , 工作速度較快工作速度較快. .作業(yè)作業(yè)1: 1:某一某一Cache-Cache
52、-主存采用組相聯(lián)的方法進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換主存采用組相聯(lián)的方法進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換. . CacheCache容量為容量為8KB,8KB,每組包括每組包括4 4個(gè)塊個(gè)塊, ,塊大小為塊大小為128W.128W.主存容主存容量為量為512KW.512KW.要求要求: : (1) (1)畫(huà)出主存與畫(huà)出主存與CacheCache的地址格式的地址格式, ,并說(shuō)明每個(gè)字段由多少并說(shuō)明每個(gè)字段由多少位構(gòu)成位構(gòu)成; ; (2) (2)說(shuō)明說(shuō)明CPUCPU訪問(wèn)內(nèi)存的過(guò)程訪問(wèn)內(nèi)存的過(guò)程. .作業(yè)作業(yè)2 2: (2003: (2003年?yáng)|大考研題年?yáng)|大考研題 7 7分分) )某某Cache-Cache-主存系統(tǒng)采用四路組相聯(lián)映射的方法進(jìn)行地址轉(zhuǎn)主存系統(tǒng)采用四路組相聯(lián)映射的方法進(jìn)行地址
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