計(jì)算機(jī)組成原理復(fù)習(xí)第7章

1、1計(jì)算機(jī)組成原理Principles of Computer Organization廣義雙語教學(xué)課程青島理工大學(xué) 校級(jí)精品課程2第七章第七章 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器 CacheMemory System復(fù)習(xí)3評價(jià)存儲(chǔ)器性能的主要依據(jù)是容量容量，速度速度，價(jià)格價(jià)格。主存儲(chǔ)器容量 SM = W l m=存儲(chǔ)器字長每個(gè)存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)并行工作的存儲(chǔ)器個(gè)數(shù) 設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的主要目標(biāo)是：在盡可能低的價(jià)格下提供盡可能高的速度及盡可能大的存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)層次存儲(chǔ)層次 Memory Hierarchy 存儲(chǔ)體系（存儲(chǔ)層次）是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，通過軟硬結(jié)合，把不同

2、速度的存儲(chǔ)器統(tǒng)一成一個(gè)整體。 使得從整體來看，其速度接近于最快最貴的存儲(chǔ)器，容量卻是慢速的存儲(chǔ)器的，每位價(jià)格也接近于廉價(jià)慢速的存儲(chǔ)器。4解決主存容量不足的方法是： 用存儲(chǔ)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(gè)整體，形成的存儲(chǔ)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(chǔ)空間編制程序。解決主存與CPU速度差距的方法：在CPU中設(shè)置通用寄存器多模塊交叉存儲(chǔ)器存儲(chǔ)層次的方法 存儲(chǔ)層次的方法是在CPU和主存之間設(shè)置高速緩沖存儲(chǔ)器，構(gòu)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(gè)接近于CPU速度的高速的主存儲(chǔ)器，但每位價(jià)格卻是接近于慢速的主存的。5存儲(chǔ)體系的評價(jià)存儲(chǔ)體系的評價(jià)CPUM1M2c1，SM1，TA1c2，SM2，TA2設(shè)二級(jí)存儲(chǔ)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(chǔ)層次的每位平均價(jià)格212211MMMMSSScSccTwo-Level Memories62命中率 Hit Ratio 存儲(chǔ)層次的命中率H 定義為由CPU產(chǎn)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(diào)到M1）的次數(shù)為R2，則命中率211RRRH3. 訪

4、問存儲(chǔ)層次的平均訪問時(shí)間TA= HTA1 +（1H）TA2TA2是在M1未命中的代價(jià)。7主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的訪問方式隨機(jī)存取 Random Access磁盤存儲(chǔ)器直接存取 Direct Access磁帶存儲(chǔ)器順序存取 Sequential Access相聯(lián)存儲(chǔ)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(gè)高速小容量的存儲(chǔ)器。 Cache一般采用和CPU相同的半導(dǎo)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(nèi)。其速度與CPU的速度相匹配。 Cache的管理全部用硬件實(shí)現(xiàn)。TA=HTA1 +（1H）T

5、A2 =Cache-主存層次的平均訪問時(shí)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(gè)旁路存儲(chǔ)器。CPUCache主存CPUCache主存 CPU發(fā)出的地址同時(shí)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(dāng)CPU需要訪問存儲(chǔ)器時(shí)，先檢查Cache，此時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)存儲(chǔ)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(gè)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(hào)i = 主存的塊號(hào)j（Modulo m）012m-1Cache0主存12m-1mm+1m+22m-1km-1kmnm-12m2m+111設(shè) 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(nèi)容選中1行選中行內(nèi)1個(gè)字標(biāo)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(gè)字節(jié)。主存地址（S+w位）選中1行選中行內(nèi)1個(gè)字Cache地址（r+w位

8、）TagW0W1W2W38位8位8位8位8位Cache 的內(nèi)容 CPU訪存時(shí)，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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。 若不命中，則22位地址S用于從主存中取出1個(gè)塊（4字節(jié)）數(shù)據(jù)至Cache。例如：標(biāo)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(biāo)志項(xiàng)和數(shù)據(jù)一道存入Cache。該標(biāo)志項(xiàng)唯一地識(shí)別主存的一塊。為了確定1個(gè)塊是否在Cache中，Cache的控制邏輯必須同時(shí)檢查每一行的標(biāo)志項(xiàng)是否相符。例：主存容量16MB，Cache容量64KB，16K行，每行4個(gè)字節(jié)。主存地址TagWord22位2位TagW0W1W2W322位8位8位8位8位Cache的內(nèi)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(shù)的折中，避免了二者的缺點(diǎn)。組間是直接映象，組內(nèi)各行間是全相聯(lián)映象。設(shè)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(hào)i = 主存塊號(hào)j（Modulo v）主存容量16MB，Cache容量64KB，每行4個(gè)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(nèi)1個(gè)字標(biāo)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(shí)，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(shí)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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。若不命中，則用22位地址S從主存中取出1個(gè)塊（4字節(jié)）數(shù)據(jù)至Cache。1673 設(shè)某流水線計(jì)算機(jī)有一個(gè)指令和數(shù)據(jù)合一的Cache，已知Cache的讀/寫時(shí)間為10 nS，主存的讀/寫時(shí)間為100 nS，取指的命中率為98%，數(shù)據(jù)的命中率為95%，在執(zhí)行程序時(shí)，約有1/5指令需要存/取一個(gè)操作數(shù)。為簡化起見，假設(shè)指令流水線在任何時(shí)候都不阻塞。問設(shè)置Cache后與無Cache比較，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可提高多少倍？解一：無Cache，執(zhí)行5條指令

12、的時(shí)間 T1=（5+1）100 = 600 nS有Cache，執(zhí)行5條指令的時(shí)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(shè)某流水線計(jì)算機(jī)有一個(gè)指令和數(shù)據(jù)合一的Cache，已知Cache的讀/寫時(shí)間為10 nS，主存的讀/寫時(shí)間為100 nS，取指的命中率為98%，數(shù)據(jù)的命中率為95%，在執(zhí)行程序時(shí)，約有1/5指令需要存/取一個(gè)操作數(shù)。為簡化起見，假設(shè)指令流水線在任何時(shí)候都不阻塞。問設(shè)置Cache后與無Cach

13、e比較，計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(shí)間為10 nS，主存的讀/寫時(shí)間為100 nS，取指的命中率為98%，數(shù)據(jù)的命中率為95%，在執(zhí)行程序時(shí)，約有1/5指令需要存/取一個(gè)操作數(shù)。假設(shè)指令流水線在任何時(shí)候都不阻塞。 74 接上題，如果采用哈佛結(jié)構(gòu)（分開的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache），運(yùn)算速度可提高多少

14、倍？解： 采用哈佛結(jié)構(gòu)可以并行訪問指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。如果指令Cache和數(shù)據(jù)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(shí)有存取操作數(shù)，命中率應(yīng)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(shè)某計(jì)算機(jī)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(gè)字塊有8個(gè)字，每個(gè)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(gè)可尋址單元的容量為1個(gè)字節(jié)。2M=221， 主存地址為21位。Cache容量16KB，每個(gè)字是32bit = 4B每行8個(gè)字，字地址3位字節(jié)地址2位Cache的總字?jǐn)?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(jié)構(gòu)：Tag組號(hào)字地址字節(jié)地址7位9位3位2位20（2）設(shè)Cache起始為空，CPU從主存單元0，1，100，依次讀出101個(gè)字（主存一次讀出1個(gè)字），并重復(fù)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(guān)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(yùn)行時(shí)，讀0單元不命中，將第0塊（8個(gè)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(gè)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(gè)過程中不發(fā)生替換。裝入Cache的101個(gè)字在以后的重復(fù)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(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器Auxiliary Memory / External Memoryn輔助存儲(chǔ)

18、器的種類與技術(shù)指標(biāo)輔助存儲(chǔ)器的種類與技術(shù)指標(biāo)n磁盤存儲(chǔ)器磁盤存儲(chǔ)器復(fù)習(xí)23主存用來存放需立即使用的程序和數(shù)據(jù)，要求存取速度快。 輔存用于存放當(dāng)前不需要立即使用的信息，在需要時(shí)與主存成批交換數(shù)據(jù)，是主存的后備和補(bǔ)充。 保存在輔存上的程序和數(shù)據(jù)必須首先裝入主存，然后才能被CPU使用。輔存的特點(diǎn)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(chǔ)器的種類輔助存儲(chǔ)器的種類硬磁盤存儲(chǔ)器軟磁盤存儲(chǔ)器磁帶存儲(chǔ)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(chǔ)器光盤存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器25 硬磁盤存儲(chǔ)器、軟磁盤存儲(chǔ)器和磁帶存儲(chǔ)器都屬于磁表面存磁表面存儲(chǔ)

19、器儲(chǔ)器，都是利用磁記錄技術(shù)保存和讀寫信息的。 硬磁盤存儲(chǔ)器在工作時(shí)，磁頭與磁盤是非接觸的，無磨損。磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器 磁盤存儲(chǔ)器常用的磁記錄方式有：調(diào)頻制調(diào)頻制FM 和改進(jìn)調(diào)頻制改進(jìn)調(diào)頻制MFM。 磁帶存儲(chǔ)器常用的磁記錄方式有：調(diào)相制調(diào)相制PM 和成組編碼成組編碼GCR。 目前大量應(yīng)用的溫盤（Winchester Disk）是一種可移動(dòng)磁頭固定盤片的硬磁盤存儲(chǔ)器。磁盤存儲(chǔ)器屬于直接存取存儲(chǔ)器直接存取存儲(chǔ)器 Direct-Access Storage。磁帶存儲(chǔ)器屬于順序存取存儲(chǔ)器順序存取存儲(chǔ)器 Sequential-Access Storage。26磁道Track是存儲(chǔ)在介質(zhì)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(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)器的數(shù)據(jù)按存儲(chǔ)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(jī)號(hào)，磁頭號(hào)（存儲(chǔ)面/記錄面號(hào)），磁道號(hào)（柱面號(hào)），扇區(qū)號(hào)組成。磁盤采用CAV(恒角速度)伺服Constant Angular Velocity Servo磁帶磁帶存儲(chǔ)器的磁道是平行于磁帶長度方向的直線。27輔助存儲(chǔ)器（磁表面存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器）的主要技術(shù)指標(biāo)：1存儲(chǔ)密度存儲(chǔ)密度 R

21、ecording Density單位長度或單位面積磁層表面所存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量。磁盤磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)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(jìn)制代碼的位數(shù)稱為磁盤存儲(chǔ)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(chǔ)器的存儲(chǔ)密度一般用位密度表示。282存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量。用Byte和bit表示。磁盤存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)容量=最內(nèi)層的磁道長度內(nèi)層位密度磁盤組的存儲(chǔ)容量=每個(gè)磁道的存儲(chǔ)容量柱面數(shù)存儲(chǔ)面數(shù)磁道的（格式化）存儲(chǔ)容量=扇區(qū)容量每磁道扇區(qū)數(shù)293尋址時(shí)間尋址時(shí)間磁盤存儲(chǔ)器的尋址時(shí)間尋址時(shí)間包括兩部分： 一是磁頭尋找目標(biāo)磁道所需要的尋道時(shí)間 Seek Time（找道時(shí)間）； 二是找到磁道以后，磁頭等待所需要讀寫的區(qū)段旋轉(zhuǎn)到它的下方所需要的等待時(shí)間 Rotational Latenc

23、y。平均尋址時(shí)間Ta =平均尋道時(shí)間+平均等待時(shí)間22minmaxminmaxWWSSWaSaattttTTT讀寫1個(gè)記錄塊的時(shí)間=尋道時(shí)間+等待時(shí)間+讀寫時(shí)間304數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率 Data Transfer Rate 數(shù)據(jù)傳輸率是磁表面存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)與主機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率=磁道的存儲(chǔ)容量每秒轉(zhuǎn)速(內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率)3176 設(shè)某計(jì)算機(jī)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(shí)間為10ns，主存存取時(shí)間為100ns，Cache命中率為95%，求平均存取時(shí)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(gè)地址單元。解：因此，該程序運(yùn)行時(shí)，每個(gè)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(yàn) 5請寫好自己的姓名、學(xué)號(hào)、班級(jí)33一、（共35分）設(shè)磁盤組有6個(gè)盤片，存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)直徑22cm，外直徑33cm，道密度40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速3600轉(zhuǎn)/分。 共有多少存儲(chǔ)面可用？ 共有多少柱面？ 盤組總