计算机组成原理复习第7章

1、1计算机组成原理Principles of Computer Organization广义双语教学课程青岛理工大学 校级精品课程2第七章第七章 存储系统存储系统存储系统的层次结构存储系统的层次结构高速缓冲存储器高速缓冲存储器 CacheMemory System复习3评价存储器性能的主要依据是容量容量，速度速度，价格价格。主存储器容量 SM = W l m=存储器字长每个存储器的字数并行工作的存储器个数 设计存储系统的主要目标是：在尽可能低的价格下提供尽可能高的速度及尽可能大的存储容量。存储层次存储层次 Memory Hierarchy 存储体系（存储层次）是从系统结构上，通过软硬结合，把不同

2、速度的存储器统一成一个整体。 使得从整体来看，其速度接近于最快最贵的存储器，容量却是慢速的存储器的，每位价格也接近于廉价慢速的存储器。4解决主存容量不足的方法是： 用存储层次的方法把高速度小容量的主存和低速度大容量的辅存统一成一个整体，形成的存储层次（主存主存-辅存层次辅存层次）能够具有辅存的容量，接近于主存的等效速度和辅存的每位成本，使用户可以按比主存大得多的虚拟存储空间编制程序。解决主存与CPU速度差距的方法：在CPU中设置通用寄存器多模块交叉存储器存储层次的方法 存储层次的方法是在CPU和主存之间设置高速缓冲存储器，构成Cache-主存层次主存层次。 Cache-主存层次的效果，从CPU

3、看，有了一个接近于CPU速度的高速的主存储器，但每位价格却是接近于慢速的主存的。5存储体系的评价存储体系的评价CPUM1M2c1，SM1，TA1c2，SM2，TA2设二级存储层次由高速度小容量的M1和低速度大容量的M2组成。1. 存储层次的每位平均价格212211MMMMSSScSccTwo-Level Memories62命中率 Hit Ratio 存储层次的命中率H 定义为由CPU产生的逻辑地址能在M1访问到（命中Hit）的概率。H = 命中次数 / 访存总次数。 若逻辑地址流中能在M1访问到的次数为R1，不能在M1访问到（在M2中还未调到M1）的次数为R2，则命中率211RRRH3. 访

4、问存储层次的平均访问时间TA= HTA1 +（1H）TA2TA2是在M1未命中的代价。7主存储器存储器的访问方式随机存取 Random Access磁盘存储器直接存取 Direct Access磁带存储器顺序存取 Sequential Access相联存储器相联存取 Associative Access8Cache-主存层次主存层次Cache 是位于CPU与主存之间的一个高速小容量的存储器。 Cache一般采用和CPU相同的半导体工艺制成，在物理位置上尽量靠近CPU，而不在主存模块中，最好在处理器芯片内。其速度与CPU的速度相匹配。 Cache的管理全部用硬件实现。TA=HTA1 +（1H）T

5、A2 =Cache-主存层次的平均访问时间为HTC +（1H）（TM+ TC）主存-Cache地址映射变换（ Mapping Function ）： 直接映射，相联映射（全相联），组相联映射。常用的Cache替换算法有：LRU，FIFO，LFU，Random。TA=HTA1 +（1H）TA2 =HTC +（1H）TM原理上，Cache-主存层次有两种工作方式：方式1. CPU对Cache和主存都有直接访问路径。方式2. CPU只直接访问Cache，不直接访问主存。Cache既是Cache-主存层次中的一层，也是一个旁路存储器。CPUCache主存CPUCache主存 CPU发出的地址同时访问C

6、ache和主存。如果Cache命中，则放弃对主存的访问。如果Cache不命中，则从主存读出。 当CPU需要访问存储器时，先检查Cache，此时，地址不出现在地址总线上。如果Cache不命中，才通过总线访问主存。标准的二级存储层次。TA= HTC +（1H）（TM）TA= HTC +（1H）（TM+ TC）10Cache 行 i主存块 j01m-10，m，2m，2S-m1，m+1，2 m+1，2S-m+1m-1，2 m-1，3 m-1，2S-1（1）直接映射直接映射 Direct Mapping主存的每一块只能映射到Cache的一个特定的行。若Cache有m行，每行n字，主存有2S块，则直接映射

7、可表示为Cache的行号i = 主存的块号j（Modulo m）012m-1Cache0主存12m-1mm+1m+22m-1km-1kmnm-12m2m+111设 m=2r ，n=2W若Cache有m行，每行n字，主存有2S块，主存地址（S+w位）Cache地址（r+w位）Tag字 0字 1字 n-1Cache的内容选中1行选中行内1个字标志Tag行地址Line字地址WordS r位r位w位行地址Line字地址WordS- r = 8位r = 14位w = 2位主存容量16MB，按字节编址，Cache容量64KB，每行4个字节。主存地址（S+w位）选中1行选中行内1个字Cache地址（r+w位

8、）TagW0W1W2W38位8位8位8位8位Cache 的内容 CPU访存时，用主存地址中间的r=14位作为Cache行地址，选中1行Cache。把该行的Tag与主存地址中的高8位Tag比较。 若相同，则命中，用主存地址最低2位作为字地址取出1个字节数据。 若不命中，则22位地址S用于从主存中取出1个块（4字节）数据至Cache。例如：标志Tag行地址Line字地址Word行地址Line字地址Word13（2）相联映射相联映射 Associative Mapping（全相联映射全相联映射Fully Associative Mapping）主存的任何块都能映象到Cache的任何行。 把主存行地址

9、作为标志项和数据一道存入Cache。该标志项唯一地识别主存的一块。为了确定1个块是否在Cache中，Cache的控制逻辑必须同时检查每一行的标志项是否相符。例：主存容量16MB，Cache容量64KB，16K行，每行4个字节。主存地址TagWord22位2位TagW0W1W2W322位8位8位8位8位Cache的内容14主存的任一块j只能映象到Cache的组i。块j可映射到组i中任一行。（3）组相联映射组相联映射 Set- associative Mapping 组相联映射是对直接映射和全相联映射技术的折中，避免了二者的缺点。组间是直接映象，组内各行间是全相联映象。设Cache有m行，主存分成

10、与Cache行同样大小的 2S块，每块n字。0主存12678453Cache0Tag1Set 001Set 101Set 201Set 3Cache分成v组，每组k行。m=vkv=2dCache的组号i = 主存块号j（Modulo v）主存容量16MB，Cache容量64KB，每行4个字节，2路组相联。Cache 行数= 16K行， K = 2，v = 8K=2d主存地址（S+w位）选中1组选中行内1个字标志Tag组地址Set字地址Word9位13位2位组地址Set字地址WordCache地址（d+w位） CPU访存时，用主存地址中间的d=13位作为Cache组地址，选中1组Cache。把该

11、组的2行的Tag同时与主存地址中的高9位Tag比较。若某行的Tag与主存地址中的Tag相符合，则命中，用主存地址最低2位作为字地址从该行中取出1个字节数据。若不命中，则用22位地址S从主存中取出1个块（4字节）数据至Cache。1673 设某流水线计算机有一个指令和数据合一的Cache，已知Cache的读/写时间为10 nS，主存的读/写时间为100 nS，取指的命中率为98%，数据的命中率为95%，在执行程序时，约有1/5指令需要存/取一个操作数。为简化起见，假设指令流水线在任何时候都不阻塞。问设置Cache后与无Cache比较，计算机的运算速度可提高多少倍？解一：无Cache，执行5条指令

12、的时间 T1=（5+1）100 = 600 nS有Cache，执行5条指令的时间T2 =(100.98+(100+10)0.02)5 + 100.95+(100+10)0.05= 60+15 = 75 nS速度提高倍数= T1 / T2 = 600 / 75 = 8 倍执行5条指令，共有6次访存。1773 设某流水线计算机有一个指令和数据合一的Cache，已知Cache的读/写时间为10 nS，主存的读/写时间为100 nS，取指的命中率为98%，数据的命中率为95%，在执行程序时，约有1/5指令需要存/取一个操作数。为简化起见，假设指令流水线在任何时候都不阻塞。问设置Cache后与无Cach

13、e比较，计算机的运算速度可提高多少倍？解二：平均每5次取指令有1次存取操作数，所以平均命中率HA=（0.985+0.95）/ 6 = 0.975TA= 0.97510+0.025(100+10) = 9.75+2.75 = 12.5 nS速度提高倍数= T1 / T2 = 100 / 12.5 = 8 倍18 Cache的读/写时间为10 nS，主存的读/写时间为100 nS，取指的命中率为98%，数据的命中率为95%，在执行程序时，约有1/5指令需要存/取一个操作数。假设指令流水线在任何时候都不阻塞。 74 接上题，如果采用哈佛结构（分开的指令Cache和数据Cache），运算速度可提高多少

14、倍？解： 采用哈佛结构可以并行访问指令Cache和数据Cache。如果指令Cache和数据Cache的命中率仍然和上题一样。在5次取指令中，有4次的命中率为0.98，有1次取指令的同时有存取操作数，命中率应该按0.95。平均命中率HA=（0.984+0.95）/ 5 = 0.974TA= 0.97410+0.026(100+10)= 9.74+2.86 = 12.6 nS速度提高倍数= TM / TA = 120 / 12.6 = 9.524 倍1975 设某计算机的Cache采用四路组相联映象，已知Cache容量为16KB，主存容量为2MB，每个字块有8个字，每个字有32位。请回答：（1）主

15、存地址多少位（按字节编址），各字段如何划分（各需多少位）？解： （1）主存按字节编址，容量2MB，每个可寻址单元的容量为1个字节。2M=221， 主存地址为21位。Cache容量16KB，每个字是32bit = 4B每行8个字，字地址3位字节地址2位Cache的总字数=16KB/4B = 4K字Cache的行数= 41024 / 8 = 512行（四路组相联） Cache的组数= 512 / 4 = 128 组 组地址7位地址结构：Tag组号字地址字节地址7位9位3位2位20（2）设Cache起始为空，CPU从主存单元0，1，100，依次读出101个字（主存一次读出1个字），并重复按此次序读1

16、1次，问命中率为多少？若Cache速度是主存的5倍，问采用Cache与无Cache比较速度提高多少倍？75解：（2） 分析Cache-主存映象关系：主存的第i块映象到Cache的第i组（每组4行）。主存的0100单元在012块中。程序运行时，读0单元不命中，将第0块（8个字）装入Cache的0组。接下去读17单元都命中。读8单元不命中，将第1块（8个字）装入Cache的1组。这样，一直到读100单元，总共有13次不命中。由于Cache有128组，所以Cache不满，在这个过程中不发生替换。装入Cache的101个字在以后的重复访问中全部命中。21命中率 H = 命中次数 / 访存的总次数75H

17、 =（1110113） /（11101）= 1098 / 1111 = 0.9883TA=HTC +（1H）（TM+ TC ）TA / TM = 1 / 5 + （1H） =0.2+0.0117 = 0.2117= TC +（1H） TM TC = TM / 5 TA = TM / 5 +（1H） TM 采用Cache速度提高倍数 = TM / TA = 1 / 0.2117 = 4.72 倍（2）若Cache速度是主存的5倍，问采用Cache与无Cache比较速度提高多少倍？解：22第第8章章 辅助存储器辅助存储器Auxiliary Memory / External Memoryn辅助存储

18、器的种类与技术指标辅助存储器的种类与技术指标n磁盘存储器磁盘存储器复习23主存用来存放需立即使用的程序和数据，要求存取速度快。 辅存用于存放当前不需要立即使用的信息，在需要时与主存成批交换数据，是主存的后备和补充。 保存在辅存上的程序和数据必须首先装入主存，然后才能被CPU使用。辅存的特点是容量大容量大，成本低成本低和非易失性非易失性。24辅助存储器的种类辅助存储器的种类硬磁盘存储器软磁盘存储器磁带存储器电子盘(固态盘)IC卡只读光盘CD-ROM可写一次的光盘WORM可擦除重写的光盘CD-RW盘磁表面存储器光盘存储器辅助存储器25 硬磁盘存储器、软磁盘存储器和磁带存储器都属于磁表面存磁表面存储

19、器储器，都是利用磁记录技术保存和读写信息的。 硬磁盘存储器在工作时，磁头与磁盘是非接触的，无磨损。磁表面存储器磁表面存储器 磁盘存储器常用的磁记录方式有：调频制调频制FM 和改进调频制改进调频制MFM。 磁带存储器常用的磁记录方式有：调相制调相制PM 和成组编码成组编码GCR。 目前大量应用的温盘（Winchester Disk）是一种可移动磁头固定盘片的硬磁盘存储器。磁盘存储器属于直接存取存储器直接存取存储器 Direct-Access Storage。磁带存储器属于顺序存取存储器顺序存取存储器 Sequential-Access Storage。26磁道Track是存储在介质表面上的信息的

20、磁化轨迹。磁盘上的磁道是一系列同心圆组成的记录轨迹。多个存储面处于同一半径的磁道组成圆柱面 Cylinder。相邻2条磁道中心线间的距离称为道距。磁盘上最外圈的磁道是第0道。磁盘格式化就是在磁盘上形成磁道和扇区的过程。 磁盘存储器的数据按存储面、圆柱面（磁道）和扇区组织，扇区是磁盘的最小可寻址单位。 磁盘地址由磁盘机号，磁头号（存储面/记录面号），磁道号（柱面号），扇区号组成。磁盘采用CAV(恒角速度)伺服Constant Angular Velocity Servo磁带磁带存储器的磁道是平行于磁带长度方向的直线。27辅助存储器（磁表面存储器和光盘存储器）的主要技术指标：1存储密度存储密度 R

21、ecording Density单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。磁盘磁盘存储器的存储密度分位密度和道密度。 磁盘磁盘沿盘半径方向单位长度的磁道数称为道密度道密度 Track Density，单位是道/英寸TPI（Track Per inch），或道/毫米TPM。 单位长度磁道能记录的二进制代码的位数称为磁盘存储器的位密度位密度 Track-recording Density，单位是位/英寸bpi（bits per inch）或位/毫米bpm。磁带磁带存储器的存储密度一般用位密度表示。282存储容量存储容量能存储的二进制信息总量。用Byte和bit表示。磁盘存储器的容量分格式化容

22、量和非格式化容量。非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。 格式化容量Formatted Capacity是指按某种特定的记录格式所能存储信息的总量（可用）。格式化容量约为非格式化容量的6070%。磁道的（非格式化）存储容量=最内层的磁道长度内层位密度磁盘组的存储容量=每个磁道的存储容量柱面数存储面数磁道的（格式化）存储容量=扇区容量每磁道扇区数293寻址时间寻址时间磁盘存储器的寻址时间寻址时间包括两部分： 一是磁头寻找目标磁道所需要的寻道时间 Seek Time（找道时间）； 二是找到磁道以后，磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所需要的等待时间 Rotational Latenc

23、y。平均寻址时间Ta =平均寻道时间+平均等待时间22minmaxminmaxWWSSWaSaattttTTT读写1个记录块的时间=寻道时间+等待时间+读写时间304数据传输率数据传输率 Data Transfer Rate 数据传输率是磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数。磁盘的数据传输率=磁道的存储容量每秒转速(内部数据传输率)3176 设某计算机采用直接映象Cache，已知容量为4096 B。（1）若CPU依次从主存单元0，1，99和4096，4097，4195交替取指令，循环执行10次，问命中率为多少？（2）如Cache存取时间为10ns，主存存取时间为100ns，Cache命中率为95%，求平均存取时间。（1）主存地址0和4096，1和4097，99和4195分别映象到Cache的同一个地址单元。解：因此，该程序运行时，每个地址在Cache都不命中，H = 0。（2） TA = HTC +（1H）（TM+ TC ） = 0.9510+（1 0.95）（100 + 10） = 9.5+5.5 = 15 nS32测验 5请写好自己的姓名、学号、班级33一、（共35分）设磁盘组有6个盘片，存储区域内直径22cm，外直径33cm，道密度40道/cm，内层位密度400位/cm，转速3600转/分。 共有多少存储面可用？ 共有多少柱面？ 盘组总