计算机组成与结构第7章ppt课件.ppt

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1、第7章存储系统7.1存储系统的层次结构7.2高速缓冲存储器7.3虚拟存储器7.4相联存储器和存储保护7.5辅助存储器的种类与技术指标7.6磁表面存储器7.7光存储器本节重难点1.存储系统的层次结构及各级解决的问题.2.cache的工作原理.3.Cache的存储器组织:存储映象与地址转换,替换算法.4.相联存储器的工作原理.第7章存储系统主存或内存:用半导体存储器作为主存储器，存放当前正在执行的程序和数据；可随机访问任一单元.外存或辅存:用磁盘、磁带、光盘作为外存储器或辅助存储器，存放当前不在运行的大量程序和数据,一般为串行访问。串行存

2、储器:访问指定信息所需时间与信息所在位置有关。分成顺序存取存储器和直接存取存储器。顺序存取存储器:例如，磁带上的信息以顺序的方式存储在带上，读／写时要待磁带移动到合适位置后才能顺序读／写，需要耗费较多时间，称为顺序存取存储器。直接存取存储器:磁盘存储器对信息的存取包括两个操作：①磁头直接移动到信息所在区域(磁道)；②从该磁道的合适位置开始顺序读／写。比磁带要快得多，是直接存取存储器。1、用户对存储器的需求*用户需求：高速度、大容量、低价格。*用户需求的矛盾：*用户需求带来的问题：只用一种存储器无法满足需求！2、程序访存局部性原理*时间

3、局部性：已被访问过的存储项，可能很快被再次访问。*空间局部性：被访问存储项的相邻存储项，可能很快被访问。大容量高速度低价格矛盾矛盾△用户需求矛盾的解决：--多种存储器组合使用近期使用的数据放在“前方”存储器(快而小)中；其余数据放在“后方”存储器(慢而大)中。7.1存储系统的层次结构CPU寄存器大容量辅助存储器辅助存储器主存储器高速缓存①每位成本减少②容量增加③存取时间增加④处理器存取频度减少解决容量、速度和价格矛盾的方法存储系统的层次结构层次之间应满足的原则一致性原则：处在不同层次存储器中的同一个信息应保持相同的值,是保证正确地使用

4、数据的最基本的要求之一.包含性原则：存储在内层（靠近CPU）的信息一定被包含在其外层的存储介质中，反之则不成立。即内层存储器中的全部信息，都是其相邻外层存储器中一小部分信息的复制品。存储系统层次数量的设计按冯·诺依曼模型要求，CPU直接访问的是主存。围绕主存的层次结构一般有“Cache-主存-辅存”两个层次的三个存储器。(1)“Cache-主存”存储层次--设置高速缓冲存储器*目标：解决主存的速度不够问题。*效果：Cache的速度，主存的容量。(2)“主存-辅存”存储层次--构成虚拟存储器*目标：解决主存的容量不够问题。*效果：主存的

5、速度，辅存的容量。Cache主存辅助硬件CPU“Cache-主存”层次辅存主存辅助软硬件CPU“主存-辅存”层次层次存储系统总体设计*主要解决问题：①如何有效地组织层次结构；②如何有效地组织层次中存储器的结构.(1)层次结构的组织*层次管理机构：CPU与各存储器使用的地址空间不同，各存储器需设置管理单元(MU)进行地址变换，以实现层间访问。CPU主存Cache辅存CMUD/I(CPUBus)MMUAMUD/I(I/OBus)D/I(MemBus)虚拟地址Cache地址主存地址辅存地址不命中不命中*访问请求处理过程：地址映像规则替换算法

6、更新策略查找方法地址变换规则下层地址→本层地址命中?Y找到?取下层存储器数据到本层阵列中(按与下层交换单位大小)读/写?写本层阵列中数据到下层存储器中(按与下层交换单位大小)N读本层阵列中数据到上层(按与上层交换单位大小)接收上层数据到本层阵列中(按与上层交换单位大小)读写请求完成请求到达选出一个位置用主存地址查映射表找一空闲位置YN写数据到下层存储器中(按与下层交换单位大小)7.2高速缓冲存储器(cache)7.2.1cache存储器工作原理1、Cache基本组成Cache主要由快速存储阵列、目录表、控制器(包含层间辅助管理CMU)

7、等组成。CPUCmdAddr存储阵列(SRAM)比较器控制器目录表DataSystemBus2、基本工作原理(1)存储空间管理*信息交换单位：Cache-CPU间为字、Cache-主存间为字块；Cache、主存中字块内字的偏移固定。Cache地址表示：Cache块号块内地址主存地址表示：主存块号块内地址*存储空间管理：按字块(常称为块，有称行)进行管理。*管理信息存储：用目录表(每个块1行)存储块管理信息。……Cache主存CPU字/次(如4B)块/次(如32B)按主存地址访问块管理信息：对应主存块号有效位与主存块是否一致等(2)完成

8、访问过程按替换算法，找出一个块号i块i被修改过？块i写回主存Cache有空闲空间？调进目标主存块YNYN☆为提高速度，全部工作均由硬件完成(对程序员透明)！根据映像规则，按查找方法查目录表命中？块内地址(CPU访问的)主