計算機組成原理復習第7章

1、1計算機組成原理Principles of Computer Organization廣義雙語教學課程青島理工大學 校級精品課程2第七章第七章 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)的層次結構存儲系統(tǒng)的層次結構高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器 CacheMemory System復習3評價存儲器性能的主要依據是容量容量，速度速度，價格價格。主存儲器容量 SM = W l m=存儲器字長每個存儲器的字數(shù)并行工作的存儲器個數(shù) 設計存儲系統(tǒng)的主要目標是：在盡可能低的價格下提供盡可能高的速度及盡可能大的存儲容量。存儲層次存儲層次 Memory Hierarchy 存儲體系（存儲層次）是從系統(tǒng)結構上，通過軟硬結合，把不同

2、速度的存儲器統(tǒng)一成一個整體。 使得從整體來看，其速度接近于最快最貴的存儲器，容量卻是慢速的存儲器的，每位價格也接近于廉價慢速的存儲器。4解決主存容量不足的方法是： 用存儲層次的方法把高速度小容量的主存和低速度大容量的輔存統(tǒng)一成一個整體，形成的存儲層次（主存主存-輔存層次輔存層次）能夠具有輔存的容量，接近于主存的等效速度和輔存的每位成本，使用戶可以按比主存大得多的虛擬存儲空間編制程序。解決主存與CPU速度差距的方法：在CPU中設置通用寄存器多模塊交叉存儲器存儲層次的方法 存儲層次的方法是在CPU和主存之間設置高速緩沖存儲器，構成Cache-主存層次主存層次。 Cache-主存層次的效果，從CPU

3、看，有了一個接近于CPU速度的高速的主存儲器，但每位價格卻是接近于慢速的主存的。5存儲體系的評價存儲體系的評價CPUM1M2c1，SM1，TA1c2，SM2，TA2設二級存儲層次由高速度小容量的M1和低速度大容量的M2組成。1. 存儲層次的每位平均價格212211MMMMSSScSccTwo-Level Memories62命中率 Hit Ratio 存儲層次的命中率H 定義為由CPU產生的邏輯地址能在M1訪問到（命中Hit）的概率。H = 命中次數(shù) / 訪存總次數(shù)。 若邏輯地址流中能在M1訪問到的次數(shù)為R1，不能在M1訪問到（在M2中還未調到M1）的次數(shù)為R2，則命中率211RRRH3. 訪

4、問存儲層次的平均訪問時間TA= HTA1 +（1H）TA2TA2是在M1未命中的代價。7主存儲器存儲器的訪問方式隨機存取 Random Access磁盤存儲器直接存取 Direct Access磁帶存儲器順序存取 Sequential Access相聯(lián)存儲器相聯(lián)存取 Associative Access8Cache-主存層次主存層次Cache 是位于CPU與主存之間的一個高速小容量的存儲器。 Cache一般采用和CPU相同的半導體工藝制成，在物理位置上盡量靠近CPU，而不在主存模塊中，最好在處理器芯片內。其速度與CPU的速度相匹配。 Cache的管理全部用硬件實現(xiàn)。TA=HTA1 +（1H）T

5、A2 =Cache-主存層次的平均訪問時間為HTC +（1H）（TM+ TC）主存-Cache地址映射變換（ Mapping Function ）： 直接映射，相聯(lián)映射（全相聯(lián)），組相聯(lián)映射。常用的Cache替換算法有：LRU，F(xiàn)IFO，LFU，Random。TA=HTA1 +（1H）TA2 =HTC +（1H）TM原理上，Cache-主存層次有兩種工作方式：方式1. CPU對Cache和主存都有直接訪問路徑。方式2. CPU只直接訪問Cache，不直接訪問主存。Cache既是Cache-主存層次中的一層，也是一個旁路存儲器。CPUCache主存CPUCache主存 CPU發(fā)出的地址同時訪問C

6、ache和主存。如果Cache命中，則放棄對主存的訪問。如果Cache不命中，則從主存讀出。 當CPU需要訪問存儲器時，先檢查Cache，此時，地址不出現(xiàn)在地址總線上。如果Cache不命中，才通過總線訪問主存。標準的二級存儲層次。TA= HTC +（1H）（TM）TA= HTC +（1H）（TM+ TC）10Cache 行 i主存塊 j01m-10，m，2m，2S-m1，m+1，2 m+1，2S-m+1m-1，2 m-1，3 m-1，2S-1（1）直接映射直接映射 Direct Mapping主存的每一塊只能映射到Cache的一個特定的行。若Cache有m行，每行n字，主存有2S塊，則直接映射

7、可表示為Cache的行號i = 主存的塊號j（Modulo m）012m-1Cache0主存12m-1mm+1m+22m-1km-1kmnm-12m2m+111設 m=2r ，n=2W若Cache有m行，每行n字，主存有2S塊，主存地址（S+w位）Cache地址（r+w位）Tag字 0字 1字 n-1Cache的內容選中1行選中行內1個字標志Tag行地址Line字地址WordS r位r位w位行地址Line字地址WordS- r = 8位r = 14位w = 2位主存容量16MB，按字節(jié)編址，Cache容量64KB，每行4個字節(jié)。主存地址（S+w位）選中1行選中行內1個字Cache地址（r+w位

8、）TagW0W1W2W38位8位8位8位8位Cache 的內容 CPU訪存時，用主存地址中間的r=14位作為Cache行地址，選中1行Cache。把該行的Tag與主存地址中的高8位Tag比較。 若相同，則命中，用主存地址最低2位作為字地址取出1個字節(jié)數(shù)據。 若不命中，則22位地址S用于從主存中取出1個塊（4字節(jié)）數(shù)據至Cache。例如：標志Tag行地址Line字地址Word行地址Line字地址Word13（2）相聯(lián)映射相聯(lián)映射 Associative Mapping（全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射Fully Associative Mapping）主存的任何塊都能映象到Cache的任何行。 把主存行地址

9、作為標志項和數(shù)據一道存入Cache。該標志項唯一地識別主存的一塊。為了確定1個塊是否在Cache中，Cache的控制邏輯必須同時檢查每一行的標志項是否相符。例：主存容量16MB，Cache容量64KB，16K行，每行4個字節(jié)。主存地址TagWord22位2位TagW0W1W2W322位8位8位8位8位Cache的內容14主存的任一塊j只能映象到Cache的組i。塊j可映射到組i中任一行。（3）組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射 Set- associative Mapping 組相聯(lián)映射是對直接映射和全相聯(lián)映射技術的折中，避免了二者的缺點。組間是直接映象，組內各行間是全相聯(lián)映象。設Cache有m行，主存分成

10、與Cache行同樣大小的 2S塊，每塊n字。0主存12678453Cache0Tag1Set 001Set 101Set 201Set 3Cache分成v組，每組k行。m=vkv=2dCache的組號i = 主存塊號j（Modulo v）主存容量16MB，Cache容量64KB，每行4個字節(jié)，2路組相聯(lián)。Cache 行數(shù)= 16K行， K = 2，v = 8K=2d主存地址（S+w位）選中1組選中行內1個字標志Tag組地址Set字地址Word9位13位2位組地址Set字地址WordCache地址（d+w位） CPU訪存時，用主存地址中間的d=13位作為Cache組地址，選中1組Cache。把該

11、組的2行的Tag同時與主存地址中的高9位Tag比較。若某行的Tag與主存地址中的Tag相符合，則命中，用主存地址最低2位作為字地址從該行中取出1個字節(jié)數(shù)據。若不命中，則用22位地址S從主存中取出1個塊（4字節(jié)）數(shù)據至Cache。1673 設某流水線計算機有一個指令和數(shù)據合一的Cache，已知Cache的讀/寫時間為10 nS，主存的讀/寫時間為100 nS，取指的命中率為98%，數(shù)據的命中率為95%，在執(zhí)行程序時，約有1/5指令需要存/取一個操作數(shù)。為簡化起見，假設指令流水線在任何時候都不阻塞。問設置Cache后與無Cache比較，計算機的運算速度可提高多少倍？解一：無Cache，執(zhí)行5條指令

12、的時間 T1=（5+1）100 = 600 nS有Cache，執(zhí)行5條指令的時間T2 =(100.98+(100+10)0.02)5 + 100.95+(100+10)0.05= 60+15 = 75 nS速度提高倍數(shù)= T1 / T2 = 600 / 75 = 8 倍執(zhí)行5條指令，共有6次訪存。1773 設某流水線計算機有一個指令和數(shù)據合一的Cache，已知Cache的讀/寫時間為10 nS，主存的讀/寫時間為100 nS，取指的命中率為98%，數(shù)據的命中率為95%，在執(zhí)行程序時，約有1/5指令需要存/取一個操作數(shù)。為簡化起見，假設指令流水線在任何時候都不阻塞。問設置Cache后與無Cach

13、e比較，計算機的運算速度可提高多少倍？解二：平均每5次取指令有1次存取操作數(shù)，所以平均命中率HA=（0.985+0.95）/ 6 = 0.975TA= 0.97510+0.025(100+10) = 9.75+2.75 = 12.5 nS速度提高倍數(shù)= T1 / T2 = 100 / 12.5 = 8 倍18 Cache的讀/寫時間為10 nS，主存的讀/寫時間為100 nS，取指的命中率為98%，數(shù)據的命中率為95%，在執(zhí)行程序時，約有1/5指令需要存/取一個操作數(shù)。假設指令流水線在任何時候都不阻塞。 74 接上題，如果采用哈佛結構（分開的指令Cache和數(shù)據Cache），運算速度可提高多少

14、倍？解： 采用哈佛結構可以并行訪問指令Cache和數(shù)據Cache。如果指令Cache和數(shù)據Cache的命中率仍然和上題一樣。在5次取指令中，有4次的命中率為0.98，有1次取指令的同時有存取操作數(shù)，命中率應該按0.95。平均命中率HA=（0.984+0.95）/ 5 = 0.974TA= 0.97410+0.026(100+10)= 9.74+2.86 = 12.6 nS速度提高倍數(shù)= TM / TA = 120 / 12.6 = 9.524 倍1975 設某計算機的Cache采用四路組相聯(lián)映象，已知Cache容量為16KB，主存容量為2MB，每個字塊有8個字，每個字有32位。請回答：（1）主

15、存地址多少位（按字節(jié)編址），各字段如何劃分（各需多少位）？解： （1）主存按字節(jié)編址，容量2MB，每個可尋址單元的容量為1個字節(jié)。2M=221， 主存地址為21位。Cache容量16KB，每個字是32bit = 4B每行8個字，字地址3位字節(jié)地址2位Cache的總字數(shù)=16KB/4B = 4K字Cache的行數(shù)= 41024 / 8 = 512行（四路組相聯(lián)） Cache的組數(shù)= 512 / 4 = 128 組 組地址7位地址結構：Tag組號字地址字節(jié)地址7位9位3位2位20（2）設Cache起始為空，CPU從主存單元0，1，100，依次讀出101個字（主存一次讀出1個字），并重復按此次序讀1

16、1次，問命中率為多少？若Cache速度是主存的5倍，問采用Cache與無Cache比較速度提高多少倍？75解：（2） 分析Cache-主存映象關系：主存的第i塊映象到Cache的第i組（每組4行）。主存的0100單元在012塊中。程序運行時，讀0單元不命中，將第0塊（8個字）裝入Cache的0組。接下去讀17單元都命中。讀8單元不命中，將第1塊（8個字）裝入Cache的1組。這樣，一直到讀100單元，總共有13次不命中。由于Cache有128組，所以Cache不滿，在這個過程中不發(fā)生替換。裝入Cache的101個字在以后的重復訪問中全部命中。21命中率 H = 命中次數(shù) / 訪存的總次數(shù)75H

17、 =（1110113） /（11101）= 1098 / 1111 = 0.9883TA=HTC +（1H）（TM+ TC ）TA / TM = 1 / 5 + （1H） =0.2+0.0117 = 0.2117= TC +（1H） TM TC = TM / 5 TA = TM / 5 +（1H） TM 采用Cache速度提高倍數(shù) = TM / TA = 1 / 0.2117 = 4.72 倍（2）若Cache速度是主存的5倍，問采用Cache與無Cache比較速度提高多少倍？解：22第第8章章 輔助存儲器輔助存儲器Auxiliary Memory / External Memoryn輔助存儲

18、器的種類與技術指標輔助存儲器的種類與技術指標n磁盤存儲器磁盤存儲器復習23主存用來存放需立即使用的程序和數(shù)據，要求存取速度快。 輔存用于存放當前不需要立即使用的信息，在需要時與主存成批交換數(shù)據，是主存的后備和補充。 保存在輔存上的程序和數(shù)據必須首先裝入主存，然后才能被CPU使用。輔存的特點是容量大容量大，成本低成本低和非易失性非易失性。24輔助存儲器的種類輔助存儲器的種類硬磁盤存儲器軟磁盤存儲器磁帶存儲器電子盤(固態(tài)盤)IC卡只讀光盤CD-ROM可寫一次的光盤WORM可擦除重寫的光盤CD-RW盤磁表面存儲器光盤存儲器輔助存儲器25 硬磁盤存儲器、軟磁盤存儲器和磁帶存儲器都屬于磁表面存磁表面存儲

19、器儲器，都是利用磁記錄技術保存和讀寫信息的。 硬磁盤存儲器在工作時，磁頭與磁盤是非接觸的，無磨損。磁表面存儲器磁表面存儲器 磁盤存儲器常用的磁記錄方式有：調頻制調頻制FM 和改進調頻制改進調頻制MFM。 磁帶存儲器常用的磁記錄方式有：調相制調相制PM 和成組編碼成組編碼GCR。 目前大量應用的溫盤（Winchester Disk）是一種可移動磁頭固定盤片的硬磁盤存儲器。磁盤存儲器屬于直接存取存儲器直接存取存儲器 Direct-Access Storage。磁帶存儲器屬于順序存取存儲器順序存取存儲器 Sequential-Access Storage。26磁道Track是存儲在介質表面上的信息的

20、磁化軌跡。磁盤上的磁道是一系列同心圓組成的記錄軌跡。多個存儲面處于同一半徑的磁道組成圓柱面 Cylinder。相鄰2條磁道中心線間的距離稱為道距。磁盤上最外圈的磁道是第0道。磁盤格式化就是在磁盤上形成磁道和扇區(qū)的過程。 磁盤存儲器的數(shù)據按存儲面、圓柱面（磁道）和扇區(qū)組織，扇區(qū)是磁盤的最小可尋址單位。 磁盤地址由磁盤機號，磁頭號（存儲面/記錄面號），磁道號（柱面號），扇區(qū)號組成。磁盤采用CAV(恒角速度)伺服Constant Angular Velocity Servo磁帶磁帶存儲器的磁道是平行于磁帶長度方向的直線。27輔助存儲器（磁表面存儲器和光盤存儲器）的主要技術指標：1存儲密度存儲密度 R

21、ecording Density單位長度或單位面積磁層表面所存儲的二進制信息量。磁盤磁盤存儲器的存儲密度分位密度和道密度。 磁盤磁盤沿盤半徑方向單位長度的磁道數(shù)稱為道密度道密度 Track Density，單位是道/英寸TPI（Track Per inch），或道/毫米TPM。 單位長度磁道能記錄的二進制代碼的位數(shù)稱為磁盤存儲器的位密度位密度 Track-recording Density，單位是位/英寸bpi（bits per inch）或位/毫米bpm。磁帶磁帶存儲器的存儲密度一般用位密度表示。282存儲容量存儲容量能存儲的二進制信息總量。用Byte和bit表示。磁盤存儲器的容量分格式化容

22、量和非格式化容量。非格式化容量是磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。 格式化容量Formatted Capacity是指按某種特定的記錄格式所能存儲信息的總量（可用）。格式化容量約為非格式化容量的6070%。磁道的（非格式化）存儲容量=最內層的磁道長度內層位密度磁盤組的存儲容量=每個磁道的存儲容量柱面數(shù)存儲面數(shù)磁道的（格式化）存儲容量=扇區(qū)容量每磁道扇區(qū)數(shù)293尋址時間尋址時間磁盤存儲器的尋址時間尋址時間包括兩部分： 一是磁頭尋找目標磁道所需要的尋道時間 Seek Time（找道時間）； 二是找到磁道以后，磁頭等待所需要讀寫的區(qū)段旋轉到它的下方所需要的等待時間 Rotational Latenc

23、y。平均尋址時間Ta =平均尋道時間+平均等待時間22minmaxminmaxWWSSWaSaattttTTT讀寫1個記錄塊的時間=尋道時間+等待時間+讀寫時間304數(shù)據傳輸率數(shù)據傳輸率 Data Transfer Rate 數(shù)據傳輸率是磁表面存儲器在單位時間內與主機之間傳送數(shù)據的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。磁盤的數(shù)據傳輸率=磁道的存儲容量每秒轉速(內部數(shù)據傳輸率)3176 設某計算機采用直接映象Cache，已知容量為4096 B。（1）若CPU依次從主存單元0，1，99和4096，4097，4195交替取指令，循環(huán)執(zhí)行10次，問命中率為多少？（2）如Cache存取時間為10ns，主存存取時間為100ns，Cache命中率為95%，求平均存取時間。（1）主存地址0和4096，1和4097，99和4195分別映象到Cache的同一個地址單元。解：因此，該程序運行時，每個地址在Cache都不命中，H = 0。（2） TA = HTC +（1H）（TM+ TC ） = 0.9510+（1 0.95）（100 + 10） = 9.5+5.5 = 15 nS32測驗 5請寫好自己的姓名、學號、班級33一、（共35分）設磁盤組有6個盤片，存儲區(qū)域內直徑22cm，外直徑33cm，道密度40道/cm，內層位密度400位/cm，轉速3600轉/分。 共有多少存儲面可用？ 共有多少柱面？ 盤組總