第三章存储系统[三]ppt课件.ppt

《第三章存储系统[三]ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第三章存储系统存储器概述主存储器的基本构造和操作主存储器组织高速缓冲存储器Cache高速存储器半导体存储器芯片虚拟存储器3.5Cache存储器3.5.1多级存储体系结构3.5.2Cache工作原理3.5.3主存与Cache的地址映射和地址变换3.5.4Cache的替换策略及写操作策略中央处理器主存外存cacheCPUM1M2M3辅助硬件辅助软硬件3.5.1多级存储体系结构为解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾,通常将各种不同存储容量、不同存取速度的存储器,按一定的体系结构组织起来,形成一个统一整体.典型的三级存储系统:图3.2

2、5三级存储系统示意图Cache-主存层次Cache一般由SRAM构成,容量小,存取速度快，依据程序局部性原理,存放的是主存中当前最需要执行的信息副本.目的：主存容量不足的问题.利用辅助硬件和操作系统中的存储管理软件,将主存和辅存构成一个整体.目的：解决CPU和主存速度不匹配的问题.主存-辅存层次总体效果：存取速度接近Cache,而存储容量接近于辅存,整体价格也较合理.3.5Cache存储器3.5.1多级存储体系结构3.5.2Cache工作原理3.5.3主存与Cache的地址映射和地址变换3.5.4Cache的替换策略及写操作策略

3、3.5.2Cache工作原理Cache的工作机制Cache工作是以程序访问的局部性原理为基础的,即,一个程序的指令大都顺序存放、顺序执行,与程序相关的数据在存储器中也相对集中.所以程序运行时,尤其有循环程序段和子程序段时,在较短时间区间内,常会对局部范围的存储器频繁访问,而此范围之外的地址访问甚少.这种现象称为程序访问的局部性.把局部范围的主存内容从主存放到一个高速小容量存储器中,使CPU在这一段时间内直接访问它,以减少或不去访问慢速的主存,程序运行速度将明显提高.2.Cache工作原理例:某机主存容量为1MB,Cache容量为

4、8KB,若以字节编址,每512B为一块,则主存有2048块,Cache有16块.块000000H00001H…..001FFH…块2047FFE00HFFE01H…FFFFFH主存块00000H0001H…..01FFH…块151E00H1E01H…1FFFHCache块的概念一般将主存和Cache的存储空间分块,每块大小相同,包括相同数量的存储单元.Cache构成及工作过程CPU主存主存地址寄存器MAR主存—Cache地址变换机构(块表)Cache存储器Cache地址寄存器替换控制部件ABDB单字宽多字宽不命中命中(块)Cac

5、he包括Cache存储器及相应控制部件,全部由硬件组成,速度快,对所有程序员均透明.CARCache命中率设Nc为Cache完成存取的总次数,Nm为主存完成存取的总次数,h为命中率,则有:设r=tm/tc表示主存慢于Cache的倍率,e表示访问效率,则有:高速缓存命中率:CPU访存时,信息恰巧在Cache中的概率.h=Nc/(Nc+Nm)若tc表示命中时的Cache访问时间,tm表示未命中时的主存访问时间,1-h表示未命中率,则Cache/主存系统的平均访问时间ta为:ta=htc+(1-h)tme=tc/ta=tc/[htc+

6、(1-h)tm]=1/[h+(1-h)r]=1/[r+(1-r)h]例：CPU执行一段程序时,Cache完成存取的次数1900次,主存完成存取的次数为100次,已知Cache的存取周期为1ns,主存存取周期为5ns,求Cache/主存系统的效率和平均访问时间.解：h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95r=tm/tc=5ns/1ns=5e=1/[r+(1-r)h]=1/[5+(1-5)X0.95]=83.3%ta=tc/e=1ns/0.833=1.2ns例:某计算机的存储系统由Cache和主存组成,某程

7、序执行过程中访存1000次,其中访问Cache缺失(未命中)50次,则Cache的命中率是().A.5%B.9.5%C.50%D.95%影响Cache命中率的因素☆Cache的大小容量相对较大的Cache,命中率也相应提高,但容量太大,成本会变得不合理.☆程序的特点遵循局部性原理的程序在运行时Cache的命中率也会很高,相反,在程序中频繁且无规则地使用Call或JMP命令,将严重影响基于Cache的系统性能.☆Cache的组织结构Cache组织结构的好坏,对命中率也会产生较大影响.Cache的组织结构有三种类型:全相联映射、直接

8、映射和组相联映射.3.5Cache存储器3.5.1多级存储体系结构3.5.2Cache工作原理3.5.3主存与Cache的地址映射和地址变换3.5.4Cache的替换策略及写操作策略3.5.3主存与Cache的地址映射和地址变换1.全相联映射:允许主存中的每一个