计算机组成原理第十二课范例

计算机组成原理第十二课范例【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB。每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织。（1）画出主存地址字段中各段的位数（2）设Cache初态为空，CPU依次从主存第0,1,2,···,99号单元读出100个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读10次，问命中率是多少？（3）若Cache的速度是主存速度的5倍，试问有Cache和无Cache相比，速度提高多少倍？（4）系统的效率为多少？【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB。每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织。（1）画出主存地址字段中各段的位数解：（1）组相联映射方式下，主存地址格式如图所示每个字块8个字，每个字32位，则字块容量为8×32=32B，字块内地址b为2b=32，得b=5Cache容量为8KB，则一共含有8KB/32B=256块四路组映射，则一共分成256/4=64组，因而组地址q满足2q=64，得q=6又由于主存容量为16MB=224B，因而主存地址线为24，24-b-q=13，得主存字块标记为13主存字块标记组地址字块内地址1365【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB。每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织。（2）设Cache初态为空，CPU依次从主存第0,1,2,···,99号单元读出100个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读10次，问命中率是多少？解：（2）每个字块有8个字，初态Cache为空，因此CPU读第0号单元时，未命中，必须访问内存，同时将该字所在的主存块调入Cache的第0组中的任何一块内，接着CPU读1-7号单元时均命中。同理，CPU读第8，16，···，96号单元时均未命中。可见CPU在连续100个字中共有13次未命中，而后9次循环读100个字全部命中，命中率为100×10-13100×10=0.987【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB。每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织。（3）若Cache的速度是主存速度的5倍，试问有Cache和无Cache相比，速度提高多少倍？解：（3）设Cache的存取周期为t，主存的存取周期为5t，命中率为，则加入Cache后的系统平均访问时间ta为ta=0.987×t+（）×5tt则有Cache和没有Cache相比，速度提高的倍率为倍加入Cache后，速度是原来的5tt倍【例4.11】设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为8KB。每字块有8个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的Cache组织。（4）系统的效率为多少？解：则系统的效率e为（4）Cache的存取周期tc=t，系统平均访问时间tate=tc/ta×100%=tt×100%=95%三、替换算法1.先进先出（FIFO）算法2.近期最少使用（LRU）算法：一般采用简化方法，只记录每个块最近一次使用的时间小结某一主存块只能固定映射到某一缓存块直接全相联组相联某一主存块能映射到任一缓存块某一主存块只能映射到某一缓存组中的任一块不灵活成本高4.4辅助存储器一、概述1.特点不直接与CPU交换信息2.磁表面存储器的技术指标道密度Dt位密度DbC=n×

k×

s寻道时间+等待时间(1)记录密度(2)存储容量(3)平均寻址时间(4)数据传输率(5)误码率辅存的速度寻址时间磁头读写时间Dr

=

Db

×V出错信息位数与读出信息的总位数之比二、磁记录原理和记录方式1.磁记录原理写局部磁化单元载磁体写线圈SNI局部磁化单元写线圈SN铁芯磁通磁层写入“0”写入“1”IN读线圈S读线圈SN铁芯磁通磁层运动方向运动方向ssttffee读出“0”读出“1”读1.磁记录原理2.磁表面存储器的记录方式011100010数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期例

NRZ1的读出代码波形0110010数据序列驱动电流磁通变化感应电势同步脉冲读出代码三、硬磁盘存储器1.硬磁盘存储器的类型(1)固定磁头和移动磁头(2)可换盘和固定盘2.硬磁盘存储器结构磁盘控制器磁盘驱动器盘片主机磁盘磁盘组主轴磁头音圈电机位置检测定位驱动模拟控制放大闭环自动控制系统由磁盘控制器送来的目标磁道信号测速输出读写臂传动机构主轴定位驱动数据控制(1)磁盘驱动器(2)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通过总线(3)盘片对主机对硬盘（设备）磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口由硬质铝合金材料制成P135例4.12–例四、软磁盘存储器1.概述速度磁头盘片价格环境硬盘软盘高低固定、活动活动固定盘、盘组大部分不可换可换盘片苛刻浮动接触盘片高低2.软盘片由聚酯薄膜制成保护套主轴孔实际的软盘片写保护口读/写磁头访问槽衬里/清洁材料4.4.6循环冗余校验码（CRC）基于模2运算而建立编码规律的校验码【模2四则运算】①模2加法(按位加，不考虑进位)： 0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0(mod2)；②模2减法（按位减，不考虑借位）： 0-0=0，1-0=1，0-1=1，1-1=0(mod2)；③模2乘法：按二进制乘法求出部分积，再用模2加法求部分积之和，不考虑进位。④模2除法：按模2减法求部分余数，不借位。上商规则：余数最高位为1，商为1，余数最高位为0，商为0；余数位数少于除数位数即为最后余数。模2加法和模2减法的结果是相同的，即：模2减法可用模2加法代替两个相同数的模2和恒为0【例】(1)已知x=1010，y=101，求x×y(mod2)(2)x=10000，y=101，求x÷y（mod2）【解】1010101×10100000101010001010000101101101010000100101011.CRC码的编码方式设待编的信息码组为Dn-1Dn-2···D2D1D0，共n位，可用多项式M(x)表示：M(x)=Dn-1xn-1+Dn-2xn-2+···+D1x1+D0x0将信息码组左移k位，得M(x)·xk，即成n+k位信息组Dn-1+kDn-2+k……D2+kD1+kD0+k000……00k位空出的k位用来接k位校验位CRC校验码就是用多项式M(x)·xk除以生成多项式G(x)（即产生校验码的多项式），所得余数作为校验位为了得到k位余数（校验位），G(x)必须是k+1位设所得余数为R(x)，商为Q(x)，则有M(x)·xk=Q(x)·G(x)+R(x)将余数拼接在左移了ｋ位后的信息位后面，就构成了这个有效信息的CRC码。这个CRC码用多项式表示为M(x)·xk+R(x)=[Q(x)·G(x)+R(x)]+R(x)=[Q(x)·G(x)]+[R(x)+R(x)]=Q(x)·G(x)（模2和）CRC码是一个可被生成多项式G(x)除尽的数码若CRC码在传输过程中不出错，其余数必为0；若出错，则余数不为0，由该余数指出哪一位出错，即可纠正【例4.15】已知有效信息为1100，试用生成多项式G(x)=1011将其编成CRC码解：有效信息M(x)=1100，得n=4G(x)=1011，得k+1=4，从而k=3，即需加3位校验位有效信息左移3位后再被G(x)模2除，即有效信息M(x)·x3=1100000M(x)·x3/G(x)=1100000/1011=1110+010/1011（模2除）所以M(x)·x3+R(x)=1100000+010=1100010为CRC校验码R(x)总的信息位为7位，有效信息位为4位，故上述码又称为（7，4）码循环码的纠错原理【以G(x)=1011为例】若接收到的循环校验码V´(x)能被G(x)整除，则无错，余数非0则出错,余数为101时是左起第一位出错；余数非0又非101时，继续做模2除，若除p次后得余数101，则左起p+1位出错，将出错位变反得