计算机组成原理(4-3

1、4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器一、概述一、概述1. 问题的提出问题的提出避免避免 CPU “空等空等” 现象现象(调整调整CPU 和主存（和主存（DRAM）的速度差异的速度差异)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依据程序访问的局部性原理依据程序访问的局部性原理以联想方式运行以联想方式运行2. Cache 的工作原理的工作原理(1) 主存和缓存存储空间基本结构及地址格式主存和缓存存储空间基本结构及地址格式主存和缓存按块组织主存和缓存按块组织 块的大小相同块的大小相同B 为块长为块长 主存块号主存块号主存储器主存储器012m1块块 0块块 1块块 M1主存

2、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 块块 0块块 1块块 C1012c1标记标记Cache缓存块号缓存块号e.g: 主存主存64个存储单元，缓存个存储单元，缓存16个存储单元，快长个存储单元，快长4个个存储单元。试分析主存和缓存空间结构。存储单元。试分析主存和缓存空间结构。 主存块号主存块号主存储器主存储器块块 0块块 1块块 15主存块号主存块号块内地址块内地址4位位2位位6位位16块块缓存块号缓存块号块内地址块内地址2位位2位位4块块 块块 0块块 1块块 3标记标记Cache缓存块号缓存块号(2) 命

3、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 标记标记记录与某缓存块建立了对应关系的记录与某缓存块建立了对应关系的 主存块号主存块号命中命中未命中未命中主存块与缓存块主存块与缓存块 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(3) Cache 的命中率的命中率CPU 欲访问的信息在欲访问的信息在 Cache 中的中的 比率比率命中率命中率 与与 Cache 的的 容量容量 、 块长块长 、与主存、与主存地址映射规则、替换策略地址映射规则、替

4、换策略有关有关 。Cache容量、块长并非越大越好。容量、块长并非越大越好。h = Nc / (Nc+Nm)Nc:访问访问Cache命中次数命中次数Nm：(未命中时未命中时)访问主存总次数访问主存总次数(4) Cache 主存系统的效率主存系统的效率效率效率 e 与与 命中率命中率 有关有关 设设 Cache 命中率命中率 为为 h，访问访问 Cache 的时间为的时间为 tc ， 访问访问 主存主存 的时间为的时间为 tm则则 e = 100% tc h tc+ (1h) tm 访问访问 Cache 的时间的时间 平均访问时间平均访问时间 e = 100%Cache主存系统平均访问时间：主存

5、系统平均访问时间： ta=htc+(1-h)tm3. Cache 的基本结构的基本结构Cache替换机构替换机构Cache存储体存储体主存主存Cache地址映射地址映射变换机构变换机构由由CPU完成完成4. Cache 的的 读写读写 操作操作 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 开始开始是是否否是是否否读读Cache由由CPU访问主存启动访问主存启动Cache操作类型由操作类型由CP

6、U访问访问主存操作类型决定主存操作类型决定Cache 和主存的一致性和主存的一致性 4. Cache 的的 读写读写 操作操作写写 写直达法写直达法（Write through） 写回法写回法（Write back） 写操作时数据既写入写操作时数据既写入Cache又写入主存又写入主存 写操作时只把数据写入写操作时只把数据写入 Cache 而不写入主存而不写入主存当当 Cache 数据被替换出去时才写回主存数据被替换出去时才写回主存 需增加标记：清、浊写操作时间就是访问主存的时间写操作时间就是访问主存的时间写操作时间就是访问写操作时间就是访问 Cache 的时间的时间减少访问主存次数，但有风险。

7、减少访问主存次数，但有风险。（未命中时）（未命中时） 4. Cache 的的 读写读写 操作操作写写 写分配法写分配法 非写分配法非写分配法 写操作时数据写入主存写操作时数据写入主存 同时相应主存块调入Cache写操作时只把数据写入主存写操作时只把数据写入主存缓存缓存CPU主存主存4. Cache 的的 读写读写 操作操作字字块块字字5. Cache 的改进的改进(1) 增加增加 Cache 的级数的级数片载（片内）片载（片内）Cache片外片外 Cache(2) 统一缓存和分立缓存统一缓存和分立缓存指令指令 Cache数据数据 Cache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

8、指令执行的控制方式有关是否流水是否流水32K 指令指令 Cache 32K 数据数据 Cache 256KB 、 21MB、L1 L2 (L3)e.g: 主存主存64个存储单元，缓存个存储单元，缓存16个存储单元，快长个存储单元，快长4个个存储单元。试分析主存和缓存空间结构。存储单元。试分析主存和缓存空间结构。 主存块号主存块号主存储器主存储器块块 0块块 1块块 15主存块号主存块号块内地址块内地址4位位2位位6位位16块块缓存块号缓存块号块内地址块内地址2位位2位位4块块 块块 0块块 1块块 3标记标记Cache缓存块号缓存块号 Cache 读读操作操作: 访问访问Cache取出信息送取

9、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 开始开始是是否否是是否否Cache由由CPU访问主存启动访问主存启动Cache操作类型由操作类型由CPU访问访问主存操作类型决定主存操作类型决定Cache命中率命中率:CPU 欲访问的信息在欲访问的信息在 Cache 中的中的 比率比率命中率命中率 与与 Cache 的的 容量容量 、 块长块长 、与主存、与主存地址映射规则、替换策略地址映射规则、替换策略有关有关 。Cache容

10、量、块长并非越大越好。容量、块长并非越大越好。h = Nc / (Nc+Nm)Nc:访问访问Cache命中次数命中次数Nm：(未命中时未命中时)访问主存总次数访问主存总次数Cache 主存系统效率主存系统效率:效率效率 e 与与 命中率命中率 有关有关 设设 Cache 命中率命中率 为为 h，访问访问 Cache 的时间为的时间为 tc ， 访问访问 主存主存 的时间为的时间为 tm则则 e = 100% tc h tc+ (1h) tm 访问访问 Cache 的时间的时间 平均访问时间平均访问时间 e = 100%Cache主存系统平均访问时间：主存系统平均访问时间： ta=htc+(1-

11、h)tm二、替换算法二、替换算法1. 先进先出先进先出 （ FIFO ）算法算法 2. 近期最少使用（近期最少使用（ LRU）算法算法3. 随机法随机法三、三、Cache 主存的地址映射主存的地址映射地址映射：地址映射： Cache 主存存储空间设主存存储空间设计。用某种函数或规则使主存地址与计。用某种函数或规则使主存地址与Cache 地址具有某种逻辑对应关系。地址具有某种逻辑对应关系。地址变换：地址变换：CPU存储器访问时，将主存储器访问时，将主存地址按映射规则换算成存地址按映射规则换算成Cache 地址地址的过程。的过程。e.g: 主存主存64个存储单元，缓存个存储单元，缓存16个存储单元

12、，快长个存储单元，快长4个存储单元。试分析主存和缓存的全相联映射关系。个存储单元。试分析主存和缓存的全相联映射关系。 主存块号主存块号主存储器主存储器块块 0块块 1块块 15主存块号主存块号块内地址块内地址4位位2位位6位位 缓存缓存主存块标记主存块标记缓存块号缓存块号块内地址块内地址2位位2位位 块块 0块块 1块块 3标记标记Cache缓存块号缓存块号1. 全相联映射全相联映射主存主存 中的中的 任一块任一块 可以映射到可以映射到 缓存缓存 中的中的 任一块任一块块块2m1块块2c1块块1 字块字块0块块2c1块块1块块0标记标记标记标记标记标记 主存块标记主存块标记 字块内地址字块内地

13、址主存地址主存地址 m 位位b位位 m Cache 存储器存储器主存储器主存储器块块0 块块2m1 字块字块2c+1 块块2c+11 块块2c +1 字块字块2c块块2c1 块块1 字块字块0主存储体主存储体 块块 1 标记标记 字块字块 0 标记标记块块 2c1标记标记Cache存储体存储体t位位012c1 块块字块地址字块地址 主存主存 块标记块标记t 位位c 位位b 位位主存地址主存地址 比较器（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2. 直接映射直接映射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

14、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 块块2c+1 块块2c 块块0 块块 0缓存块缓存块号号主存块主存块号号缓存块缓存块数数e.g: 主存主存64个存储单元，缓存个存储单元，缓存16个存储单元，快长个存储单元，快长4个个存储单元。试分析主存和缓存的直接地址映射关系。存储单元。试分析主存和缓存的直接地址映射关系。 主存块号主存块号主存储器主存储器块块 0块块 1块块 15 缓存缓存主存块标记主存块标记块内地址块内地址2位位2位位缓存块号缓存块号块内地址块内地址2位位2位位 块块 0块块 1块块 3标记标记Cache缓存块号缓存块

15、号2位位缓存块号缓存块号 块块2m1字块字块2c-r+1 块块2c-r + 1 字块字块2c-r 块块2c-r 块块1 字块字块0 块块 3标记标记 字块字块 1标记标记块块 2c1标记标记 块块 2标记标记 字块字块 0标记标记块块 2c2标记标记 块内地址块内地址组地址组地址 主存块标记主存块标记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（，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

16、Q直接映射直接映射全相联映射全相联映射3. 组相联映射组相联映射 块块0 块块 1 块块 0 块块2c-r 块块2c-r+1e.g: 主存主存64个存储单元，缓存个存储单元，缓存16个存储单元，分两组，快长个存储单元，分两组，快长4个存储单元。试分析主存和缓存的组相联映射关系。个存储单元。试分析主存和缓存的组相联映射关系。 主存块号主存块号主存储器主存储器块块 0块块 1块块 15 缓存缓存主存块标记主存块标记块内地址块内地址3位位2位位6位位组内组内块内地址块内地址1位位2位位组组地址地址013标记标记Cache块块组组0121位位1位位缓存组缓存组地址地址两路组相联映射两路组相联映射例例4

17、.8 (P120)例例4.11 (P122)4.4 辅助存储器辅助存储器1. 辅存特点辅存特点2. 辅存类型及发展趋势特点辅存类型及发展趋势特点3. 辅存技术指标辅存技术指标4. 硬磁盘寻址硬磁盘寻址5. CRC码码4.4 辅助存储器辅助存储器一、概述一、概述1. 特点特点容量大、成本低、非易失性容量大、成本低、非易失性通过通过I/O接口与主机交换信息接口与主机交换信息形成主存形成主存辅存层次辅存层次一、概述一、概述2. 类型类型(按存储介质按存储介质)(1) 磁表面：磁表面：(2) 光学介质光学介质(3) 半导体介质：半导体介质： 固态硬盘固态硬盘磁带、磁盘、磁盘阵列磁带、磁盘、磁盘阵列【4

18、.4.7 光盘存储器光盘存储器盘片结构：盘片结构： 印刷层、保护层、反射层印刷层、保护层、反射层(金、银金、银)、记录层、记录层(非磁性介质、磁性介质非磁性介质、磁性介质)、基板、基板利用聚焦的激光束处理记录介质，存储和再生信息。利用聚焦的激光束处理记录介质，存储和再生信息。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 】3. 磁表面存储器的技术指标磁表面存储器的技术指标道密度道密度 Dt位密度位密度 DbC = n k s 格式化格式化 非格式化非格式化寻道时间寻道时间 + 等待时间等

19、待时间(1) 记录密度记录密度(2) 存储容量存储容量(3) 平均寻址时间平均寻址时间(4) 数据传输率数据传输率(5) 误码率误码率辅存的速度：辅存的速度： 平均寻址时间平均寻址时间读写时间读写时间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传输时间传输时间4. 磁记录原理磁记录原理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”IN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

20、读磁表面存储器的记录方式电流波形：磁表面存储器的记录方式电流波形：011100010数据序列数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期位周期二、硬磁盘存储器二、硬磁盘存储器1. 硬磁盘存储器的类型硬磁盘存储器的类型(1) 固定磁头和移动磁头固定磁头和移动磁头(2) 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

21、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(1) 磁盘驱动器磁盘驱动器(2) 磁盘控制器磁盘控制器 接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令 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 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 接口接口主机与设备标准接口：主机与设备标准接口： IDE SATA SCSI 光纤通道光纤通道 3. 硬磁盘存储器发

22、展动向硬磁盘存储器发展动向提高磁盘记录密度提高磁盘记录密度提高磁盘数据传输率及缩短平均存取时间提高磁盘数据传输率及缩短平均存取时间磁盘阵列（磁盘阵列（RAID）半导体盘半导体盘存储卡存储卡 固态硬盘固态硬盘由硬质铝合金材料为基底附着磁性物质制成由硬质铝合金材料为基底附着磁性物质制成(3) 盘片盘片4. 硬磁盘磁道记录格式硬磁盘磁道记录格式 -数据块在盘面分布规律数据块在盘面分布规律（1） 定长记录格式定长记录格式（2）不定长记录格式）不定长记录格式 -根据需要决定记录块长度根据需要决定记录块长度定长记录格式：定长记录格式：磁盘寻址：磁盘寻址：定长记录格式：定长记录格式：例例4.12 (P135

23、) 例例4.13 (P136)（1）基于模2运算编码方法（不考虑进位） 模2加减: 异或逻辑 0 0=0; 0 1=1; 1 0=1; 1 1=0. 模2乘: 模2除: 1 0 1 0 1 0 1/ 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 11 0 1三三. . 循环冗余校验循环冗余校验(CRC)(CRC)码码n位信息码位信息码+k位校验码位校验码(2) 循环冗余校验循环冗余校验(CRC)码码 用左移用左移k位后的位后的n位信息码位信息码M(x)xk除除以以(k+1)

24、位生成多项式位生成多项式G(x)，所得，所得k位余数位余数R(x)作为作为k位校验位，形成位校验位，形成CRC码码: M(x)xk+ R(x)M(x)xk+ R(x)/ G(x)=?余数余数=0 例4.15 (P145) M(x)= x3 + x2= 1100 G(x)= x3 + x +1= 1011 M(x)x3= x6 + x5= 1100000 M(x)x3 1100000 010 G(x) 1011 1011 M(x)x3 +R(x)= 1100000 +010 = 1100010 CRC码称为(7,4)码,即n+k=7,n=4=1110+(3) CRC码一位纠错码一位纠错M(x)xk+ R(x)/ G(x) R(X)=0 正确正确M(x)xk+ R(x)/ G(x) R(X)0 有错有错 出错位不同，余数不同出错位不同，余数不同 余数与余数与G(x)有关有关 对余数继续作模对余数继续作模2除，余数循环除，余数循环A1A2A3A4A5A6A7余余 数数正确正确11000100 0 0A7错错11000110 0 1A6错错11000000 1 0A5错错11001101 0 0A4错错11010100 1 1A3错错11100101 1 0A2错错10000101 1 1A1错错01000101 0