体系结构ch7.ppt

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1、7.2Cache基本知识7.3降低Cache不命中率7.4减少Cache不命中开销7.1存储系统的基本知识7.5减少命中时间7.6并行主存系统7.7虚拟存储器7.8进程保护和虚存实例7.9AMDOpteron的存储层次结构7.1.1从单级存储器到多级存储器1.从用户的角度来看，存储器的三个主要指标是：容量，速度，价格(每位价格)2.人们对这三个指标的期望3.这三个指标相互矛盾4.解决方法采用多种存储器技术，构成存储层次。演示Ⅰ演示Ⅱ(局部性原理)7.1存储系统的基本知识7.1.2存储层次的性能参数C，H，TA假设：S──容量TA──访问时间C──每位价格下面仅考虑由M1和M2构成的两级存储

2、层次：M1的参数：S1，TA1，C1M2的参数：S2，TA2，C21.每位价格CC＝─────C1S1＋C2S2S1＋S2若存储器结构如下：提问：请问：设访问M1时间TA1，访问M2时间TA2，传送一个数据块的时间TB，则当不命中M1时的访问时间是多少?为什么？若存储器结构如下：提问：请问：设访问M1时间TA1，访问M2时间TA2，传送一个数据块的时间TB，则当不命中M1时的访问时间是多少?为什么？TA1+TA2+TB3.平均访问时间TATA＝TA1＋(1－H)TM或TA＝TA1＋FTMTA1──命中时间TM──失效开销2.命中率H和失效率FH＝N1/(N1＋N2)N1──访问M1的次数N

3、2──访问M2的次数失效率F＝1－H例题：CPU执行一段程序时，Cache完成存取的次数为5000次，主存完成存取的次数为200次。已知Cache存取周期Tc为40ns，主存存取周期Tm为160ns。分别求（当Cache不命中时才启动主存）：（1）Cache的命中率H；（2）平均访问时间Ta；（3）Cache—贮存系统的访问效率E。解答：（1）H=Nc/（Nc+Nm）=5000/5200≈0.96；（2）Ta=Tc+（1-H）Tm=40+0.04*160=46.4ns；（3）E=Tc/Ta=40ns/46.4ns=86.2%注意：如果Cache访问和主存访问是同时启动，则公式改为：Ta=H

4、Tc+（1-H）Tm7.1.3“Cache－主存”和“主存－辅存”层次1.从主存的角度来看“Cache－主存”层次：弥补主存速度的不足“主存－辅存”层次：弥补主存容量的不足2.“Cache－主存”层次◆主存与CPU的速度差距◆“Cache-主存”层次3.“主存－辅存”层次两者的比较7.1.4存储层次的四个问题1.当把一个块调入高一层(靠近CPU)存储器时，可以放在哪些位置上?(映象规则)2.当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块?(查找算法)3.当发生失效时，应替换哪一块？(替换算法)4.当进行写访问时，应进行哪些操作?(写策略)7.2.1映象规则1.全相联映象全相联：主存中的任

5、一块可以被放置到Cache中的任意一个位置。举例对比：阅览室位置──随便坐特点：空间利用率最高，冲突概率最低，实现最复杂。7.2Cache基本知识1．存储空间分割与地址计算2．Cache和主存分块2.直接映象：◆直接映象：主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个位置。举例(循环分配)◆对比：阅览室位置──只有一个位置可以坐◆特点：空间利用率最低，冲突概率最高，实现最简单。◆对于主存的第i块，若它映象到Cache的第j块，则:j＝imod(M)（M为Cache的块数）◆组相联：主存中的每一块可以被放置到Cache中唯一的一个组中的任何一个位置。举例◆组相联是直接映象和全相联的一种折

6、衷◆设M＝2m，则当表示为二进制数时，j实际上就是i的低m位：3.组相联映象：m位ji：◆上述的j和k通常称为索引◆组的选择常采用位选择算法若主存第i块映象到第k组，则:k＝imod（G）（G为Cache的组数）设G＝2g，则当表示为二进制数时，k实际上就是i的低g位：g位ki：◆绝大多数计算机的Cache:n≤4想一想：相联度一定是越大越好？◆n路组相联：每组中有n个块(n＝M/G)n称为相联度。相联度越高，Cache空间的利用率就越高，块冲突概率就越低，失效率也就越低。全相联直接映象组相联n(路数)G(组数)MM111＜n＜M1＜G＜M7.2.2查找方法1.如何确定Cache中是否有所

7、要访问的块？若有的话如何确定其位置？◆目录表的结构◆只需查找候选位置所对应的目录表项◆并行查找与顺序查找◆提高性能的重要思想：主候选位置(MRU块)◆并行查找的实现方法：▲单体多字存储器＋比较器举例：４路组相联并行标识比较（比较器的个数及位数）◆直接映象Cache的查找过程◆４路相联Cache的查找过程7.2.3替换算法所要解决的问题：当新调入一块，而Cache又已被占满时，替换哪一块？2.FIFO3.LRU优点：失效率