四章存储系统2.ppt
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1、第四章、存储系统-2,版权所有,引用请注明出处,原著 谭志虎,主讲(改编)蒋文斌,计算机组成原理 Slide 2,Outline,存储器概述主存储器高速缓冲存储器外存储器虚拟存储器存储保护,计算机组成原理 Slide 3,4.3 高速缓冲存储器,Cache基本原理相联存储器主存与Cache的地址映射替换策略与写操作策略Cache实际应用,计算机组成原理 Slide 4,程序局部性,程序局部性的实质是程序在某段时间内仅需要访问内存很小一部分空间。,计算机组成原理 Slide 5,cache基本思想,在处理器附近增加一个小容量快速存储器(cache)Cache中存放内存中经常被访问的数据当程序访问
2、内存时,我们希望被访问数据存放在cache中如何使得经常访问的数据存放在Cache中,Cache调度算法,计算机组成原理 Slide 6,Key Problems,如何判断一个数据在cache中数据查找 Data Identification如需访问的数据在cache中,存放在什么地方地址映射 Address MappingCache满了以后如何处理替换策略 Placement Policy如何保证cache与memory的一致性写入策略 Write Policy,计算机组成原理 Slide 7,Cache命中率,Nc表示Cache完成存取访问的总次数Nm表示主存完成存取访问的总次数Cache
3、命中率h h=Nc/(Nc+Nm)tc表示命中Cache时的访问时间tm表示命中主存时的访问时间ta平均访问时间 ta=htc+(1-h)tm,计算机组成原理 Slide 8,Cache命中率,ta=htc+(1-h)tm,影响命中率的几个因素 程序行为(局部性)cache容量 组织方式 块大小有关,计算机组成原理 Slide 9,4.3 高速缓冲存储器,Cache基本原理相联存储器主存与Cache的地址映射替换策略与写操作策略Cache实际应用,计算机组成原理 Slide 10,Key Problems,如何判断一个数据在cache中数据查找 Data Identification如需访问的
4、数据在cache中,存放在什么地方地址映射 Address MappingCache满了以后如何处理替换策略 Placement Policy如何保证cache与memory的一致性写入策略 Write Policy,计算机组成原理 Slide 11,相联存储器 associative memory,按内容进行访问的存储器,(Key,DATA),将所存内容的一部分作为检索项(关键字)去检索存储器,并将存储器中与检索项符合的存储单元内容进行读出或写入,简单的说,可以用存储内容作为地址访问的存储器称为相联存储器,计算机组成原理 Slide 12,相联存储器框图,比较线路,译码选择电路,代码寄存器,
5、符合寄存器,1,2,m,3,检索寄存器,屏蔽寄存器,存储体,计算机组成原理 Slide 13,相联存储器的应用,虚拟存储器中存放段表、页表高速缓冲存储器中用于存放块表cache的块地址,主存块地址对应表,计算机组成原理 Slide 14,cache基本组织方式,cache由速度较快的SRAM构成cache与主存之间以数据块为单位交换数据cache分为若干数据块,块大小固定每个数据块包括若干字节相联存储器存放已调入cache的数据块地址故相联存储器的字数与cache块数相等cpu给出的地址如与相联存储器中某个单元相同,表示数据命中,否则缺失,计算机组成原理 Slide 15,cache结构原理图
6、,相联存储器,快存,地址总线,Cache,数据总线,管理逻辑,计算机组成原理 Slide 16,cache系统读过程,CPU给出内存地址利用该地址为关键字查找相联存储器如命中表明数据在cache中,访问cache读出数据否则表示数据缺失直接访问主存同时将数据调入cache更新相联存储器,记录当前数据块地址便于下次访问,计算机组成原理 Slide 17,cache系统写过程,CPU给出内存地址利用该地址为关键字查找相联存储器如命中表明数据在cache中,将数据写入cache如未命中将数据写入cache,如cache已满,需要淘汰相关数据出cache最后根据不同写操作策略决定是否写入主存,计算机组
7、成原理 Slide 18,Key Problems,如何判断一个数据在cache中数据查找 Data Identification如需访问的数据在cache中,存放在什么地方地址映射 Address MappingCache满了以后如何处理替换策略 Placement Policy如何保证cache与memory的一致性写入策略 Write Policy,计算机组成原理 Slide 19,块地址与块内地址,11位,4位,主存,8位,4位,Cache,A11 A10,块地址,A14 A13,A3 A2 A1 A0,块地址,A5 A4,A3 A2 A1 A0,A5 A4,块内地址,块内地址,相联存
8、储器包含多少个存储单元?,计算机组成原理 Slide 20,4.3 高速缓冲存储器,Cache基本原理相联存储器主存与Cache的地址映射替换策略与写操作策略Cache实际应用,计算机组成原理 Slide 21,主存与cache的地址映射,第0块,第0块,第1块,第n-1块,第m-1块,L0,L1,Ln-1,Cache,主存,如何进行地址映射?,计算机组成原理 Slide 22,主存与cache地址映射关系,利用某种方法或者规则将主存块定位到cache,称为地址映射 直接相联(direct mapped)全相联(fully-associated)组相联(set-associated),第0块,
9、Cache直接相联映射,第0块,第0区,第m区,第1块,第mn块,第mn+1块,第mn+2块,第(m+1)n-1块,Cache,主存,第1区,第2区,主存分割成若干个与cache大小相同的区Cache块号i,共n块,主存块号j,i=j mod n,8位,4位,A11 A10,A3 A2 A1 A0,A5 A4,区地址,块地址,块内地址,A14 A14 A12,3位,第0块,第0块,第0区,第m区,第1块,第mn块,第mn+1块,第mn+2块,第(m+1)n-1块,Cache,主存,第1区,第2区,第0块,Cache直接相联映射,第0块,第0区,第m区,第1块,第mn块,第mn+1块,第mn+2
10、块,第(m+1)n-1块,Tag1,Tagn-1,Cache,主存,第1区,第2区,主存分割成若干个与cache大小相同的区,比较器,&,&,命中,未命中,计算机组成原理 Slide 26,应用场合,块映射速度快,一对一映射,无须查表cache容易冲突,cache利用率低命中率低相应的淘汰算法简单,计算机组成原理 Slide 27,Cache全相联映射,第0块,第0块,第1块,第n-1块,L0,L1,Ln-1,Cache,主存,主存中任何一块均可定位于Cache中的任意一块,可提高命中率,但是硬件开销增加,计算机组成原理 Slide 28,Cache全相联映射,第0块,第0块,第1块,第n-1
11、块,L0,L1,Ln-1,块表,主存,&,&,命中,未命中,Cache,比较器,计算机组成原理 Slide 29,cache全相联映射地址变换,块号,比较,快存,主存,主存地址,未命中,块表,命中,块内地址,计算机组成原理 Slide 30,应用场合,可灵活的进行块的映射,一对多映射cache全部装满后才会出现块冲突块冲突的概率低,cache利用率高命中率高相应的淘汰算法复杂,第0块,Cache组相联映射,第0组,Cache,主存,第1组,组0,组1,第0区,第2组,第3组,第1区,第m区,Cache分u组,每组n块主存块组号j,块号k,j=k/n 主存对应cache组号q,主存分割成若干个与
12、cache大小相同的区,Cache再分割成若干组,q=j mod u,计算机组成原理 Slide 32,组地址直接映射(快速定位相联存储器)块地址全相联映射(提高cache命中率),计算机组成原理 Slide 33,Cache组相联映射地址变换,计算机组成原理 Slide 34,应用场合,容量小的cache可采用全相联映射方式或者组相联映射方式Pentium CPU L1 L2 cache容量大的可采用直接映射方式。这种方式查找速度快,但命中率相对前者低,但cache容量大可提高命中率块设备缓存,计算机组成原理 Slide 35,Cache直接相联映射载入过程,22,26,22,26,16,4
13、,16,18,载入,载入,命中,命中,载入,载入,命中,替换,t,22,26,16,4,16,18,计算机组成原理 Slide 36,Cache全相联映射载入过程,22,26,22,26,16,4,16,18,载入,载入,命中,命中,载入,载入,命中,载入,t,22,26,16,4,18,计算机组成原理 Slide 37,Cache组相联映射载入过程,22,26,22,26,16,4,16,18,载入,载入,命中,命中,载入,载入,命中,载入,t,22,26,16,4,18,计算机组成原理 Slide 38,4.3 高速缓冲存储器,Cache基本原理相联存储器主存与Cache的地址映射替换策略
14、与写操作策略Cache实际应用,计算机组成原理 Slide 39,替换策略与写操作策略,替换策略:先进先出法最近最不经常使用方法-LFU近期最少使用法-LRU随机替换法,计算机组成原理 Slide 40,Cache先进先出替换策略(FIFO),22,11,22,19,7,16,4,3,载入,载入,命中,载入,载入,替换,替换,替换,t,22,11,7,16,22,19,4,3,计算机组成原理 Slide 41,Cache最不经常使用算法(LFU),22,11,22,19,11,16,4,3,载入,载入,命中,载入,命中,载入,替换,替换,t,220,11,111,16,221,19,4,3,2
15、2,命中,222,计算机组成原理 Slide 42,Cache近期最久未使用算法(LRU),22,11,22,19,7,16,4,3,载入,载入,命中,载入,载入,替换,替换,替换,t,220,110,70,160,220,190,40,30,计算机组成原理 Slide 43,第0块,Cache全相联映射写命中,第0块,第1块,2,3,4,5,6,7,8,9,126,3,9,5,Cache,主存,126,比较器,命中,输入输出寄存器,输入输出寄存器,全写法(write through)写回法(write back),126,计算机组成原理 Slide 44,全写法写回法写一次法,计算机组成原理
16、 Slide 45,第0块,Cache全相联映射写失效,第0块,第1块,2,3,4,5,6,7,8,9,1,3,9,5,Cache,主存,126,比较器,未命中,输入输出寄存器,126,WTWA WTNWA,计算机组成原理 Slide 46,Cache对存储系统性能的影响,对读操作的影响利用时间局部性,将刚刚访问的数据调度到cache中,提高命中率,利用空间局部性,采取预读的方式,将相邻的数据调度到cache中,提高命中率对写操作的影响采取写回的方式提高写速度,计算机组成原理 Slide 47,cache的命中率与cache容量的关系,计算机组成原理 Slide 48,4.3 高速缓冲存储器,
17、Cache基本原理相联存储器主存与Cache的地址映射替换策略与写操作策略Cache实际应用,计算机组成原理 Slide 49,cache实际应用,块设备缓存硬盘缓存web cache,计算机组成原理 Slide 50,4.4 外存储器,磁表面存储器原理硬盘存储器磁带存储器光盘存储器,计算机组成原理 Slide 51,磁表面存储器原理,磁记录读/写原理记录方式,计算机组成原理 Slide 52,磁记录原理,将磁性材料薄薄的涂在金属或者塑料表面作载磁体来存储信息的方式称为磁表面存储大多数外存储器均采用磁记录原理磁鼓、软磁盘、硬磁盘、磁带,计算机组成原理 Slide 53,磁记录特点,存储容量大,
18、位价格低记录介质可重复使用记录信息可长期保存非破坏性读出采用机械装置,机械结构复杂存取速度慢对工作环境要求高,计算机组成原理 Slide 54,磁性材料物理特性,B-磁感应强度H-外加磁场强度I-电流磁性材料被磁化后,工作点总在磁滞回线上。剩磁状态+Br,Br。矩形磁滞回线Br 较大容易读出,矫顽力Hc较小容易磁化,易于写入信息,计算机组成原理 Slide 55,磁记录读写原理,磁头:软磁材料做铁芯,其上绕有读写线圈的电磁铁 利用磁性材料剩磁的两种磁化方向(S-N或N-S)表示二进制数据“0”和“1”。,计算机组成原理 Slide 56,磁表面存储器存储原理,电磁变换,利用磁头写线圈中的脉冲电
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