第08讲——第4章存储器(4.3-4.4)

1、第第08讲讲第第4章章 存储器（存储器（4.3-4.4）主讲人：李淑芝主讲人：李淑芝4.1 概述概述4.2 主存储器主存储器4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器4.4 辅助存储器辅助存储器本课本课学习学习4.2.1 概述概述4.2.2 半导体存储芯片简介半导体存储芯片简介 4.2.3 随机存取存储器随机存取存储器4.2.4 只读存储器只读存储器 4.2.5 存储器与存储器与CPU连接连接4.2.6 存储器的校验存储器的校验4.2.7 提高访存速度的措施提高访存速度的措施 掌握掌握Cache高速缓冲存储高速缓冲存储器工作原理、三种地址映射方法、替器工作原理、三种地址映射方法、替换策略。换策略。C

2、ache主存地址映射方法。主存地址映射方法。组相联组相联Cache-主存地址映射。主存地址映射。 l存储器的读写速度会很大程度上影响存储器的读写速度会很大程度上影响整机的效率，有哪些措施可以提高访整机的效率，有哪些措施可以提高访存速度呢？存速度呢？ l现代计算机系统提高访存速度的主要现代计算机系统提高访存速度的主要技术？技术？ 4.3.1 概述概述（1）问题的提出）问题的提出缓存缓存CPU主存主存容量小容量小速度高速度高容量大容量大速度低速度低（2）Cache 的工作原理的工作原理u主存和缓存的编址主存和缓存的编址主存和缓存按块存储主存和缓存按块存储 块的大小相同块的大小相同B 为块长为块长

3、主存块号主存块号主存储器主存储器012m1字块字块 0字块字块 1字块字块 M1主存块号主存块号块内地址块内地址m位位b位位n位位M块块B个字个字缓存块号缓存块号块内地址块内地址c位位b位位C块块B个字个字 字块字块 0字块字块 1字块字块 C1012c1标记标记Cache缓存块号缓存块号u命中与未命中命中与未命中缓存共有缓存共有 C 块块主存共有主存共有 M 块块M C主存块主存块 调入调入 缓存缓存主存块与缓存块主存块与缓存块 建立建立 了对应关系了对应关系用用 标记记录标记记录 与某缓存块建立了对应关系的与某缓存块建立了对应关系的 主存块块号主存块块号l命中命中l未命中未命中主存块与缓存

4、块主存块与缓存块 未建立未建立 对应关系对应关系主存块主存块 未调入未调入 缓存缓存（2）Cache 的工作原理的工作原理uCache 的命中率的命中率l CPU 欲访问的信息在欲访问的信息在 Cache 中的中的 比率比率l 命中率命中率 与与 Cache 的的 容量容量 与与 块长块长 有关有关 l 一般每块可取一般每块可取 4 至至 8 个字个字l 块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度 CRAY_1 16体交叉体交叉 块长取块长取 16 个存储字个存储字 IBM 370/168 4体交叉体交叉 块长取块长取 4 个存储字个存储字（64位位4 =

5、 256位）位）（2）Cache 的工作原理的工作原理uCache 的命中率有关计算的命中率有关计算（2）Cache 的工作原理的工作原理l 在一个程序执行期间，设在一个程序执行期间，设NC为访问为访问Cache的总的总命中次数，命中次数， Nm为访问主存的总次数，则命中率为访问主存的总次数，则命中率h= NC /（ NC+ Nm）l 设设tC为命中时的为命中时的Cache访问时间，访问时间， tm为未命中为未命中时的主存访问时间，时的主存访问时间，1- h为未命中率，则为未命中率，则Cache 主存系统的平均访问时间主存系统的平均访问时间 ta= h tC +（ 1- h ）tml 用用e表

6、示访问效率，表示访问效率，e = tC / ta 100% = tC / （h tC +（ 1- h ）tm ） 100% ，可见，命中率越接，可见，命中率越接近近1越好。越好。解解： Cache的命中率为：的命中率为： 2000 /（2000+50） = 0.97设访问设访问Cache的时间为的时间为t ，访问主存的时间为，访问主存的时间为4t，访问效率为访问效率为e，则，则e=访问访问Cache时间时间/平均访问时平均访问时间间100%=t /（0.97 t+（1-0.97） 4t ）100%=91.7%平均访问时间为：平均访问时间为： 50ns 0.97+200ns （1-0.97）=5

7、4.5ns 由题可知，访问主存的时间是访问由题可知，访问主存的时间是访问Cache时时间的间的4倍（倍（200/50=4）。）。数据总线数据总线Cache替换机构替换机构可装进？可装进？ 命中？命中？主存主存Cache 地址映象地址映象 变换机构变换机构 主主 存存访问主访问主存替换存替换Cache Cache 存储体存储体块号块号块内地址块内地址直接通路直接通路访问主存装入访问主存装入CacheNNYY块号块号块内地址块内地址CPU主存地址主存地址地址总线地址总线Cache地址地址（3）Cache 的基本结构的基本结构Cache替换机构替换机构由由 CPU 完成完成 Cache 存储体存储体

8、主存主存Cache 地址映象地址映象 变换机构变换机构 访问访问Cache取出信息送取出信息送CPU 访问主存访问主存取出信息送取出信息送CPU将新的主存块将新的主存块调入调入Cache中中执行替换算法执行替换算法 腾出空位腾出空位 结束结束命中？命中？Cache满？满？CPU发出访问地址发出访问地址 开始开始YNYN写写Cache 和主存的一致性和主存的一致性 读读（4）Cache 的的读写读写 操作操作（5）Cache 的改进的改进u增加增加 Cache 的级数的级数片载（片内）片载（片内）Cache片外片外 Cacheu统一缓存和分开缓存统一缓存和分开缓存指令指令 Cache数据数据 C

9、ache与主存结构有关与主存结构有关与指令执行的控制方式有关与指令执行的控制方式有关是否流水是否流水Pentium 8K 指令指令 Cache 8K 数据数据 CachePowerPC620 32K 指令指令 Cache 32K 数据数据 Cache 字块字块2m1 字块字块2c+1 字块字块2c+11 字块字块2c +1 字块字块2c 字块字块2c1 字块字块1 字块字块0主存储体主存储体 字块字块 1 标记标记 字块字块 0 标记标记字块字块 2c1标记标记Cache存储体存储体t位位01C1 字块字块字块地址字块地址 主存字主存字 块标记块标记t 位位c 位位b 位位主存地址主存地址 比

10、较器（比较器（t位）位）= 不命中不命中有效位有效位=1？*m位位 Cache内地址内地址否否是是命中命中（1）直接映象）直接映象每个缓存块每个缓存块 i 可以和可以和 若干若干 个个 主存块主存块 对应对应每个主存块每个主存块 j 只能和只能和 一一 个个 缓存块缓存块 对应对应i = j mod C 字块字块2c+1 字块字块2c 字块字块0 字块字块 0（2）全相联映象）全相联映象主存主存 中的中的 任一块任一块 可以映象到可以映象到 缓存缓存 中的中的 任一块任一块字块字块2m1字块字块2c1字块字块1 字块字块0字块字块2c1字块字块1字块字块0标记标记标记标记标记标记主存字块标记主

11、存字块标记 字块内地址字块内地址主存地址主存地址m = t + c 位位b位位m = t+cCache 存储器存储器主存储器主存储器 字块字块0字块字块2m1字块字块2c-r+1 字块字块2c-r + 1 字块字块2c-r字块字块2c-r 字块字块1 字块字块0 字块字块 3标记标记 字块字块 1标记标记字块字块 2c1标记标记 字块字块 2标记标记 字块字块 0标记标记字块字块 2c2标记标记 字块内地址字块内地址组地址组地址主存字块标记主存字块标记s = t + r 位位q = cr 位位b 位位组组012c-r1主存地址主存地址Cache主存储器主存储器m 位位共共 Q 组组，每组内两块

12、（，每组内两块（r = 1)1某一主存块某一主存块 j 按模按模 Q 映射到映射到 缓存缓存 的第的第 i 组组中的中的 任一块任一块i = j mod Q直接映象直接映象全相联映象全相联映象（3）组相联映象）组相联映象 字块字块0 字块字块 1 字块字块 0 字块字块2c-r 字块字块2c-r+1l某计算机的某计算机的Cache共有共有16块，采用块，采用2路组相路组相联映射方式（即每组联映射方式（即每组2 块）。每个主存块大块）。每个主存块大小为小为32字节，按字节编址。主存字节，按字节编址。主存129号单元号单元所在主存块应装入到的所在主存块应装入到的Cache 组号是组号是: A0 B

13、2 C4 D6l答案：答案：C解解：（：（1）因）因Cache容量为容量为4KB（212=4K），）， Cache地址地址12位。位。 由于每字由于每字32位，则位，则Cache共有共有4KB/4B=1K字。因每个字块字。因每个字块16个个字，故字，故Cache中有中有1K/16=64块。块。（3）在直接映射方式下，由于）在直接映射方式下，由于Cache共有共有64块，主存有块，主存有8192块，因此主存的块，因此主存的5, 64+5, 2*64+5，。，。，213-64+5块能映射块能映射到到Cache的第的第5块中块中（4）直接映射下，主存地址段分配：直接映射下，主存地址段分配：缓存缓存6

14、4块，故缓存地址块，故缓存地址6位，字块内地址位，字块内地址6位，标记为位，标记为19-12=7（2）据主存容量为）据主存容量为512KB（ 219=512K），主存地址为），主存地址为19位。位。由于每字由于每字32位，则主存共有位，则主存共有512KB/4B=128K字。因每个字块字。因每个字块16个字，故主存中共有个字，故主存中共有128K/16=8192块。块。标记标记7缓存块缓存块6块内块内6解解：设：设 Cache的存取周期为的存取周期为t，主存的存取周期为，主存的存取周期为5t，则系统的平均访问时间为：，则系统的平均访问时间为： ta=0.95 t+0.05 5t=1.5t性能为

15、原来的性能为原来的5t / 1.5t =3.33倍，即提高了倍，即提高了2.33倍。倍。问题问题8：相联存储：相联存储器在器在Cache中有什中有什么作用？么作用？ （1）先进先出）先进先出 （ FIFO ）算法算法 （2）近期最少使用法（）近期最少使用法（ LRU）算法算法小结小结某一某一 主存块主存块 只能固定只能固定 映射到映射到 某一某一 缓存块缓存块直接直接全相联全相联组相联组相联某一某一 主存块主存块 能能 映射到映射到 任一任一 缓存块缓存块某一某一 主存块主存块 能能 映射到映射到 某一某一 缓存缓存 组组 中的中的 任一块任一块不灵活不灵活成本高成本高4.4.1 概述概述（1

16、）特点）特点不直接与不直接与 CPU 交换信息交换信息（2）磁表面存储器的技术指标）磁表面存储器的技术指标（自学问题（自学问题1）道密度道密度 Dt位密度位密度 DbC = n k s寻道时间寻道时间 + 等待时间等待时间l记录密度记录密度l存储容量存储容量l平均寻址时间平均寻址时间l数据传输率数据传输率l误码率误码率l辅存的速度辅存的速度寻址时间寻址时间磁头读写时间磁头读写时间Dr = D V出错信息位数与读出信息的总位数之比出错信息位数与读出信息的总位数之比（1）磁记录原理）磁记录原理（自学问题（自学问题2）写写局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体写线圈写线圈SNI局部磁化单元局部磁化单元

17、写线圈写线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层写入写入“0”写入写入“1”I4.4.2 磁记录原理和记录方式磁记录原理和记录方式N读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出 “0”读出读出 “1”读读（1）磁记录原理）磁记录原理（自学问题（自学问题2）（2）磁表面存储器的记录方式）磁表面存储器的记录方式011100010数据序列数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期位周期例例 NRZ1 的读出代码波形的读出代码波形0110010数据序列数据序列驱动电流驱动电流磁通变化磁通变化感应电势感应电势同步脉冲同步脉冲读出代码读出代码

18、（2）磁表面存储器的记录方式）磁表面存储器的记录方式（1）硬磁盘存储器的类型）硬磁盘存储器的类型l 固定磁头和移动磁头固定磁头和移动磁头l 可换盘和固定盘可换盘和固定盘（2）硬磁盘存储器结构）硬磁盘存储器结构磁磁 盘盘 控控 制制 器器磁磁 盘盘 驱驱 动动 器器盘盘 片片主主 机机磁盘磁盘磁磁盘盘组组主轴主轴磁头磁头音圈音圈电机电机位置检测位置检测定位驱动定位驱动模拟控制模拟控制放放大大闭环自动控制系统闭环自动控制系统由磁盘控制由磁盘控制器送来的目器送来的目标磁道信号标磁道信号测测速速输输出出读写臂读写臂传动机构传动机构主轴主轴定位驱动定位驱动数据控制数据控制u磁盘驱动器磁盘驱动器（2）硬磁

19、盘存储器结构）硬磁盘存储器结构u磁盘控制器磁盘控制器l 接受主机发来的命令，转换成磁盘驱动器控制命令接受主机发来的命令，转换成磁盘驱动器控制命令l 实现主机和驱动器之间的数据格式转换实现主机和驱动器之间的数据格式转换l 控制磁盘驱动器读写控制磁盘驱动器读写通过总线通过总线u盘片盘片对主机对主机对硬盘（设备）对硬盘（设备）磁盘控制器磁盘控制器 是是主机与磁盘驱动器之间的主机与磁盘驱动器之间的 接口接口l 由硬质铝合金材料制成由硬质铝合金材料制成（2）硬磁盘存储器结构）硬磁盘存储器结构l 半导体盘半导体盘l 提高磁盘记录密度提高磁盘记录密度l 提高磁盘的数据传输率和缩短平均存取时间提高磁盘的数据传

20、输率和缩短平均存取时间 （3）硬磁盘存储器的发展动向）硬磁盘存储器的发展动向（自学问题（自学问题3）l 采用磁盘阵列采用磁盘阵列RAID（4）硬磁盘的磁道记录格式）硬磁盘的磁道记录格式 l 定长记录格式定长记录格式l 不定长记录格式不定长记录格式（1）概述）概述l 速度速度l 磁头磁头l 盘片盘片l 价格价格l 环境环境硬盘硬盘软盘软盘高高低低固定、活动固定、活动活动活动固定盘、盘组固定盘、盘组大部分不可换大部分不可换可换盘片可换盘片苛刻苛刻浮动浮动接触盘片接触盘片高高低低（2）软盘片）软盘片由聚酯薄膜制成由聚酯薄膜制成保护套保护套主轴孔主轴孔实际的软盘片实际的软盘片写保护口写保护口读读/写磁

21、头访问槽写磁头访问槽衬里衬里/清洁材料清洁材料（1）概述）概述采用光存储技术采用光存储技术采用非磁性介质采用非磁性介质采用磁性介质采用磁性介质第一代光存储技术第一代光存储技术第二代光存储技术第二代光存储技术不可擦写不可擦写可擦写可擦写（2）光盘的存储原理）光盘的存储原理只读型和只写一次型只读型和只写一次型可擦写光盘可擦写光盘热作用热作用（物理或化学变化）（物理或化学变化）热磁效应热磁效应利用激光写入和读出利用激光写入和读出（1）多项式多项式 l 一个二进制数可以以一个多项式来表示。一个二进制数可以以一个多项式来表示。l 如如1011 表示为多项式表示为多项式X3+X1+X0，X并不表示并不表示

22、 未未知数这个概念，如果把这里的知数这个概念，如果把这里的X替换成替换成2，这个，这个多项式的值是该数的值。多项式的值是该数的值。l 从这个转换可以看出多项式最高次幂为从这个转换可以看出多项式最高次幂为n，则转则转换为二进制数有换为二进制数有n+1 位。位。（2）编码的组成编码的组成 （3）生成）生成多项式多项式 l 由由k k位信息码如何生成位信息码如何生成R R位的校验码的关键在于生位的校验码的关键在于生成多项式成多项式，这个这个多多项式是编码方程和解码方程共项式是编码方程和解码方程共同约定的同约定的。l 编码方程将信息码的多项式除以生成多项式，将编码方程将信息码的多项式除以生成多项式，将

23、得到余数多项式作为校验码，解码方程收到的信得到余数多项式作为校验码，解码方程收到的信息除以生成多项式，如果余数为息除以生成多项式，如果余数为0 0，则认为没有，则认为没有错误。如果不为错误。如果不为0 0，余数则作为确定错误位置的，余数则作为确定错误位置的依据。依据。l 生成多项式必须具备以下条件：最高位和最低位生成多项式必须具备以下条件：最高位和最低位均为均为1 1。数据发生错误时，余数不为。数据发生错误时，余数不为0 0，对余数补，对余数补0 0 后，继续做按位除，余数循环出现，这也是循后，继续做按位除，余数循环出现，这也是循环冗余校验中循环一词的来源。环冗余校验中循环一词的来源。 （4）

24、校验码的生成校验码的生成 l 将将k k位数据位数据C C（X X）左移）左移R R位，给校验位留下空间，位，给校验位留下空间，得到移位后的多项式：得到移位后的多项式：C C（X X）* *XRXR。l 将移位后的信息多项式除以生成多项式，得到将移位后的信息多项式除以生成多项式，得到R R位的余数多项式，方法是模位的余数多项式，方法是模2 2除法，即以除法，即以2 2为为模，加减时不进位不借位，和逻辑运算一致。模，加减时不进位不借位，和逻辑运算一致。l 将余数嵌入信息位左移后的空间。将余数嵌入信息位左移后的空间。 1. 在主存和在主存和CPU之间增加之间增加Cache存储器的目存储器的目 的是的是_ 。 A. 增加内存容量增加内存容量 B. 提高内存可靠性提高内存可靠性 C. 解决解决CPU和主存之间的速度匹配问题和主存之间的速度匹配问题 D. 增加内存容量，同时加快存取速度增加内存容量，同时加快存取速度 答案：答案：C2. 某单片机的系统程序，不允许用户在执行某单片机的系统程序，不允许用户在执行 时改变，则可以选用时改变，则可以选用_作为存储芯片。作为存储芯片。 A. SRAM B. 闪速存储器闪速存储器 C. Cache D.辅助存储器辅助存储器 答案：答案：B3. 软