計(jì)算機(jī)組成原理：5-5 存儲(chǔ)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)

復(fù)習(xí)思考題14某計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)32位，其存儲(chǔ)容量為4MB，若按字編址，它的尋址范圍是1M(4MB/32b)。若按字節(jié)編址，它的尋址范圍是4M(4MB/8b)。如用16K×4的芯片組成64K×8位的存儲(chǔ)器16K×4的芯片有地址線14條；64K×8存儲(chǔ)器有地址線16條，數(shù)據(jù)線8條；需要8塊16K×4的芯片來組成64K×8存儲(chǔ)器用于片選的地址有2(16-14,AB相減)位，它們是A14~A15。主存與CPU的硬連接有地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)三組連線：MAR(存儲(chǔ)器地址寄存器)和MDR(儲(chǔ)存器數(shù)據(jù)寄存器)是主存和CPU之間的接口。第五章存儲(chǔ)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)5.1存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成5.2主存儲(chǔ)器的組織5.3半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器5.4主存儲(chǔ)器的連接與控制5.5提高主存讀寫速度的技術(shù)5.6多體交叉存儲(chǔ)技術(shù)5.7高速緩沖存儲(chǔ)器5.8虛擬存儲(chǔ)器5.6.2交叉訪問存儲(chǔ)器交叉訪問存儲(chǔ)器中有多個(gè)容量相同的存儲(chǔ)模塊（存儲(chǔ)體），而且各存儲(chǔ)模塊具有各自獨(dú)立的地址寄存器、讀寫電路和數(shù)據(jù)寄存器，這就是多體系統(tǒng)。各個(gè)存儲(chǔ)體能并行工作，又能交叉工作。

交叉訪問存儲(chǔ)器特點(diǎn)：

連續(xù)地址分布在相鄰的不同模塊內(nèi)同一個(gè)模塊內(nèi)的地址都是不連續(xù)的對(duì)連續(xù)字的成塊傳送可實(shí)現(xiàn)多體流水式并行存取，大大提高存儲(chǔ)器的帶寬地址寄存器的低位部分經(jīng)譯碼選擇不同的存儲(chǔ)體，而高位部分則指向存儲(chǔ)體內(nèi)的存儲(chǔ)字交叉訪問存儲(chǔ)器編址方式

若在M個(gè)模塊上交叉編址，則稱為模M交叉編址。（設(shè)共4個(gè)模塊）模塊地址編址序列對(duì)應(yīng)地址最低二位M00,4,8,12,…,4j+000M11,5,9,13,…,4j+101M22,6,10,14,…,4j+210M33,7,11,15,…,4j+311多體交叉存儲(chǔ)器交叉訪問時(shí)間對(duì)各模塊，從CPU給出訪存命令到讀出信息仍然要用一個(gè)TM；對(duì)CPU來說，它可以在一個(gè)TM中連續(xù)訪問4個(gè)模塊順序方式連續(xù)讀取m個(gè)字所需時(shí)間為mTM。交叉方式連續(xù)讀取m個(gè)字所需時(shí)間為TM+(m-1)τ單體訪問周期TMτ總線傳送周期存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)對(duì)存儲(chǔ)器的要求是：容量大，速度快，成本低。為解決三者的矛盾，目前通常采用多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)CPUCache主存輔存軟件、硬件硬件虛擬存儲(chǔ)器速度快慢低大高小容量成本高速緩沖存儲(chǔ)器5.7高速緩沖存儲(chǔ)器Cache提出Cache的背景因CPU與主存之間的速度不匹配，使系統(tǒng)整體效率下降Cache的工作機(jī)制——程序的局部性原理時(shí)間局部性若某存儲(chǔ)單元被訪問，則該單元可能會(huì)很快被再次訪問。如程序的循環(huán)體部分?？臻g局部性若某存儲(chǔ)單元被訪問，則與它鄰近的單元也可能很快被訪問。如大部分程序的順序執(zhí)行、數(shù)據(jù)一般以向理、數(shù)組、表等形式存儲(chǔ)在一起高速緩沖存儲(chǔ)器Cache位置——在CPU與主存之間

(可在CPU內(nèi)部，也可作為單獨(dú)的模塊)速度——與CPU相匹配(0.1~0.25TM)容量——要能存放一段時(shí)間內(nèi)CPU所要訪問的指令與數(shù)據(jù)為追求高速，包括管理在內(nèi)的全部功能由硬件實(shí)現(xiàn)以字為單位以塊為單位CPUCache主存輔助硬件Cache結(jié)構(gòu)及與CPU的連接組成——Cache存儲(chǔ)器主存-cache地址變換機(jī)構(gòu)替換控制部件Cache存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)信息的地方，由高速存儲(chǔ)器組成，一般為SRAM。CPU與Cache之間的數(shù)據(jù)是以字為單位Cache與主存之間的數(shù)據(jù)交換是以塊(16B-4KB)為單位的Cache結(jié)構(gòu)及與CPU的連接主存-cache地址變換機(jī)構(gòu)——記錄Cache內(nèi)容在主存的地址。CPU的訪存地址同時(shí)送到Cache和主存中若訪存地址經(jīng)主存-cache地址變換機(jī)構(gòu)變換后，得到訪問的內(nèi)容在Cache中，則稱為“命中”，CPU直接到Cache中讀取數(shù)據(jù)Cache結(jié)構(gòu)及與CPU的連接主存-cache地址變換機(jī)構(gòu)——記錄Cache內(nèi)容在主存的地址。CPU的訪存地址同時(shí)送到Cache和主存中若訪問的內(nèi)容不在Cache中，則稱為“不命中”，則CPU到主存中讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)把含由這個(gè)字的整個(gè)數(shù)據(jù)塊從主存讀出送到Cache中Cache結(jié)構(gòu)及與CPU的連接替換控制部件——當(dāng)CPU訪存內(nèi)容在Cache中“不命中”時(shí)，替換控制部件工作主存內(nèi)容在寫入Cache過程中，若Cache已滿，要按某種替換策略將Cache中一塊調(diào)出寫回主存。這種替換算法可以是最近最少使用算法（LRU）或其它算法，這由相應(yīng)的管理邏輯來實(shí)現(xiàn)?！癈ache—主存”層次的效率Cache的命中率設(shè)Nc表示Cache完成存取的總次數(shù)，Nm表示主存完成存取的總次數(shù)，h定義為Cache的命中率。則有：CPUCache

主存輔助硬件“Cache—主存”層次的效率若tc表示命中時(shí)的Cache訪問時(shí)間tm表示未命中時(shí)的主存訪問時(shí)間，h為命中率，1-h表示未命中率，則“Cache—主存”層次平均訪問時(shí)間ta為：

ta=htc+(1-h)tmCPUCache

主存輔助硬件問題：是否只要保證h足夠大，tc<<tm，則ta就越接近于tc?“Cache—主存”層次的效率

ta=htc+(1-h)tm設(shè)r=tm/tc表示主存慢于Cache的倍率，e表示訪問效率，則有：h=0.9時(shí)，e與r的關(guān)系er可見，r↗，e↘，一般r=5~10方宜，h一般≥0.85，命中率h與程序行為、Cache設(shè)計(jì)有關(guān)CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，設(shè)cache完成存取的次數(shù)為Nc=1900次，主存完成存取的次數(shù)為Nm=100次，已知cache存取周期為tc=50ns，主存存取周期為ta=250ns，求cache—主存層次的效率e和平均訪問時(shí)間ta

【解】

h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95

r=tm/tc=250ns/50ns=5

e=1/[r+(1-r)h]=1/(5+(1-5)×0.95)=83.3%

ta=tc/e=50ns/0.833=60ns舉例說明5.7.3Cache存儲(chǔ)器——地址映像存儲(chǔ)空間的劃分Cache的劃分和與主存交換數(shù)據(jù)都以塊為單位進(jìn)行設(shè)Cache容量為1KB，主存容量為1MB，每塊為64B則Cache共可分為16塊，每塊為64B則主存共可分16K塊，每塊也為64B

地址映像函數(shù)將CPU的主存地址映像成Cache地址的函數(shù)主存與Cache的地址映像全相聯(lián)映像方式直接映像方式組相聯(lián)映像方式CPUCache

主存輔助硬件

“Cache—主存”的地址映像方式全相聯(lián)映像方式主存中任一塊均可映像到Cache中任一塊上。優(yōu)點(diǎn)——非常靈活缺點(diǎn)成本高，硬件實(shí)現(xiàn)較困難,因此只適合于小容量Cache采用。幾乎沒有單純采用全相聯(lián)映像法。主存Cache0塊0塊1塊1塊┆15塊┆┆16K-1塊塊內(nèi)地址主存塊號(hào)主存地址146塊內(nèi)地址緩存塊號(hào)緩存地址46實(shí)質(zhì)：16→16K的映像“Cache—主存”的地址映像方式直接映像方式映像函數(shù)為i=jmod16i是Cache頁(yè)號(hào)，j是主存頁(yè)號(hào)

16是Cache的總塊數(shù)主存塊以16為模映像到Cache的固定位置上。10Cache主存區(qū)號(hào)0塊1塊15塊0塊1塊

15塊17塊33塊47塊...16塊31塊32塊.........區(qū)號(hào)區(qū)號(hào)16K-1塊0區(qū)1區(qū)2區(qū)1023區(qū)塊內(nèi)地址區(qū)內(nèi)塊號(hào)主存地址1046區(qū)號(hào)緩存塊號(hào)可放入的主存塊號(hào)00,16,…,16*j,…,11,17,…,16*j+1,..,22,18,…,16*j+2,..,………………1515,31,…,16*j+15,…直接映像的地址變換優(yōu)點(diǎn)硬件簡(jiǎn)單，成本低缺點(diǎn)每個(gè)主存塊只有一個(gè)固定的行位置可存放，容易產(chǎn)生沖突不夠靈活，出現(xiàn)Cache中還有很多空頁(yè)，也必須對(duì)指定的Cache頁(yè)進(jìn)行替換。直接映像適合大容量Cache采用。10Cache主存區(qū)號(hào)0塊1塊15塊0塊1塊

15塊17塊33塊47塊...16塊31塊32塊.........區(qū)號(hào)區(qū)號(hào)………..16K-1塊塊內(nèi)地址區(qū)內(nèi)塊號(hào)主存地址1046區(qū)號(hào)實(shí)質(zhì)：1←

1K的映像0區(qū)1區(qū)2區(qū)1023區(qū)“Cache—主存”的地址映像方式組相聯(lián)映像法將Cache分成若干組，每組若干行組間用直接映像方式組內(nèi)用全相聯(lián)映像方式若每組2行，則主存地址、Cache地址變?yōu)閴K內(nèi)地址區(qū)內(nèi)塊號(hào)主存地址1046區(qū)號(hào)組內(nèi)塊號(hào)

區(qū)內(nèi)組號(hào)

主存地址10316區(qū)號(hào)塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址緩存塊號(hào)緩存地址46塊內(nèi)地址緩存組號(hào)

緩存地址316組內(nèi)塊號(hào)

組相聯(lián)映像方式特點(diǎn)其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)介于全相聯(lián)映像和直接映像的優(yōu)缺點(diǎn)之間硬件容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。而塊在組中的排放又有一定的靈活性，沖突減少。適合大容量Cache采用00塊11塊02塊13塊…………014塊115塊016塊117塊…………030塊131塊…………016K-16塊116K-15塊………….016K-2塊116K-1塊00塊11塊02塊13塊…………..014塊115塊0組1組7組0組7組0區(qū)1區(qū)1023區(qū)Cache主存0組0組1組7組7組標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記主存地址組內(nèi)塊號(hào)

區(qū)內(nèi)組號(hào)

10316區(qū)號(hào)

塊內(nèi)地址

實(shí)質(zhì)：2←

2K的映射主存地址各種地址映像方式比較全相聯(lián)映像

16←16K的映像直接映像

1←

1K的映像組相聯(lián)映像

2←

2K的映像00塊11塊02塊13塊…………014塊115塊016塊117塊…………030塊131塊…………016K-16塊116K-15塊………….016K-2塊116K-1塊00塊11塊02塊13塊…………..014塊115塊0組1