湖南大学计算机与通信学院

第九章存储层次9.1存储器的层次结构9.2Cache存储器9.3虚拟存储器9.4基本Cache和虚拟存储器的扩展9.5实例：Pentium/Windows个人计算机上的内存管理同济大学软件学院19.1存储器的层次结构图9.1一般的存储器层次物理内存：由动态RAM组成。Cache存储器：由静态RAM构成，比DRAM快得多，但也昂贵的多。Cache是物理内存的部分副本。虚拟存储器：空间比物理内存大得多的逻辑空间。29.2Cache存储器目标：弥补主存速度的不足9.2.1相联存储器◆一般存储器 接收一个地址，访问该地址中的数据。◆相联存储器：按内容访问的存储器。并行搜索所有单元，标记那些与特定数据匹 配的单元，然后连续读出匹配的数据值。31.相联存储器的内部组织结构42.读数据CPU必须给出两个值：

◆第一个值：要被匹配的数据值（参数或数据）

◆第二个值：哪些位需要检查（屏蔽位或关键位） 如果满足如下的公式，则匹配就会发生5例如(参考图9.2)：屏蔽寄存器K1111000000000000数据寄存器D1010XXXXXXXXXXXX数据位M1010110100000111执行0000XXXXXXXXXXXX执行1111XXXXXXXXXXXX执行111111111111111163.将数据写回相联存储器CPU把数据送到数据寄存器并发出写信号。相联存储器检查所有单元的有效位，并找到有效位为0的一个单元，如果找到，把数据存到这个单元，同时将有效位设为1。如果没有找到，必须采用替换算法清除一个单元来保存数据。7常见的替换算法FIFOLRURANDOM9.2.2相联映象的Cache存储器864K8位内存9◆作用于数据行或数据块的相联存储器109.2.3直接映象的Cache存储器一种利用标准的SRAM、廉价的Cache映射方案。11◆

索引Cache地址的低位，用来选择Cache的一个特定单元。◆

标识

原始地址中不是索引的那些高位。

设M＝2m，则当表示为二进制数时，j实际

上就是i的低m位：m位ji：i：主存地址j：Cache地址12◆

Cache容量:1K13◆

相对简单的CPU中，块大小为4字节的直接映像Cache149.2.4组相联映像的cache存储器15◆

考察大小为1k的2路组相联cache该cache有1k个数据入口，每个单元2个数据值，因此有512个单元用9个地址位选择cache单元，剩下的7位说明标识值计数值用来纪录数据什么时候被访问过了组数16◆

相对简单CPU中具有4字节数据行的2路组相联cache179.2.5在cache中替换数据问题的引出：当cache已满时，又有新数据要调入cache

，需将哪个数据移出cache。FIFO先进先出原则LRU近期最少使用原则随机策略18例：在一个4路组相联cache单元中应用LRU策略TDCVTDCVTDCVTDCVCc21Bb11Aa01---01.Cache单元的当前状态2.CPU访问DCc31Bb21Aa11Dd013.CPU访问E4.CPU访问AEe01Bb31Aa21Dd11Ee11Bb31Aa01Dd21199.2.6写数据到cache写直达法 每次信息从CPU写入cache单元中时，也要写回相应的物理内存单元中回写法 写入cache中的值并不总是被写回物理内存。仅在数据被移出cache时写回物理内存。20处理写失效问题按写分配法

把单元装入cache，然后使用写直达法或写回法把数据写到cache

不按写分配法

直接更新物理内存中的值，而不把值写回Cache。219.2.7cache的性能1.评判性能的标准◆命中率与失效率Cache命中率：CPU访问Cache时，在Cache中找到数据的概率。Cache失效率：CPU访问Cache时，在Cache中找不到数据的概率。◆平均访问时间Tm=hTc＋(1－h)Tp22表9.1hTm(单位ns)0600.1550.2500.3450.4400.5350.6300.7250.8200.915110Tc=10nsTp=60ns结论：增加命中率能够减少平均访问时间232.如何计算命中率和平均访问时间？例：CPU访问下列顺序单元：每一个值的下标是由物理内存地址的低3位来描述的。

A0B0C2A0D1B0E4F5A0C2D1B0G3C2H7I6A0B0现在我们确定在三种不同cache配置下的命中率和平均访问时间。假设：Tc=10nsTp=60ns24◆

8字节相联cache

初始化为空，使用FIFO的替换策略。

访问：18次命中：7次命中率：h=0.389平均访问时间：Tm=40.56ns

25◆直接映射cacheDataABCADBEFACDBGCHIAB0ABBAABBBAAABBBBBABC1

DDDDDDDDDDDDDDA2

CCCCCCCCCCCCCCCCC3

GGGGGGH4

EEEEEEEEEEEEE5

FFFFFFFFFFF6

|||7

HHHHHit?

√√

√

命中率：h=0.167平均访问时间：Tm=50.67ns

26◆

8字节的2路组相联cacheCache使用LRU替换策略。

命中率：h=0.389

平均访问时间：Tm=40.56ns27考虑这个同样的系统。有2字节的数据行组成相关行的数据对；A和J；B和D；C和G；E和F；I和H使用相同的替换策略（相联cache采用FIFO，组相联采用LRU）相同的访问时间（Tc=10ns,Tp=60ns）28DataABCADBEFACDBGCHIAB

AAAAAAAAAAAAAA||||CJJJJJJJJJJJJJJJHHHHA

BBBBBBBBBBBBBBBAAC

DDDDDDDDDDDDDDDJJH

CCCCCCCCCCCCCCCBE

GGGGGGGGGGGGGGGD

EEEEEEEEEEEE

FFFFFFFFFFFFHit?

√√√

√√√√√√√

√

相联cache：命中率h=0.611平均访问时间Tm=29.44ns

29DataABCADBEFACDBGCHIAB0ABBABBBBAABBBBBBABC1JDDJDDDDJJDDDDDDJDA2

CCCCCCCCCCCCCCCCC3

GGGGGGGGGGGGGGGGH4

EEEEEEEEEEEEE5

FFFFFFFFFFFF6

|||7

HHHHHit?

√

√

√

√√√

√

直接映射cache：h=0.389Tm=40.56ns309.3虚拟存储器存储管理单元 在物理内存和较慢的存储设备间移动数据虚拟存储器的主要实现方法：分页和分段交换磁盘交换文件319.3.1分页

页面：在分页技术中，整个逻辑地址空间被划分为连续的块叫做页面页面的特点：每个页尺寸相同页面不可重叠，每个逻辑地址确切地 属于某个页面32一个页面或者包含程序指令或者包含数据，不能同时包含两者4.可能导致内部碎片问题内部碎片：假设MMU实现的页式存储器中每个页面大小为4K，一个4K+1大小的程序需要MMU分配两个存储器页面，尽管它的第二个页面只用了4K单元的一个单元，这就是所谓的内存碎片33图9.10相对简单CPU一种可能的内存配置它具有64k的逻辑地址空间，16k的物理内存，页面大小4k34分页系统必须解决的问题：何时将某页移入内存？CPU如何在物理内存找到数据，尤其逻辑地址和物理地址不一至的情况下？当所有页框都装有页面，而CPU需要访问的数据不在这些页面怎么办？35存储管理单元处理上述所有问题完成逻辑地址到物理地址的转换产生缺页故障，将数据从页面装入到物理内存产生请求页，把新的请求页移入到物理内存36图9.11存储器层次结构中的MMU配置37

在处理器需要访问数据，MMU将数据从逻辑地址装入物理地址的整个处理过程中，CPU没有访问物理单元的任何信息 例：指令LDAC4324H如何理解？ 答案：把数据从逻辑地址4234H装入累加器将逻辑单元4234H的数据装入累加器，此数据实际存储在物理单元3234H中系统更倾向解释成138页表的概念MMU用页表来跟踪哪一页存储在哪个帧中

页表的组成（如图9.12）：帧指示域(frame)有效位(valid)计数值（count,有些页表不需要）脏位(dirty)39图9.12（a）为页表，（b）为对应的物理内存

相对简单CPU的页表，有16K的物理内存，页面大小为4K。页表包含了16个单元，每一单元对应逻辑地址空间的一个页面，它包含一个2bit的域，表明了该逻辑页存储在哪一个页框中每一单元还包含一个有效位

0页，对应于逻辑地址0000H~1FFFH，存储在1号页框中，物理地址为1000H~1FFFH

40MMU中逻辑地址到物理地址的转换MMU将逻辑地址看作两个部分 页和偏移量例：考虑LDAC4234H，MMC如何将逻辑 地址4234H转换成物理地址（如图9.13）41图9.13用页表将逻辑地址转换成物理地址高4位逻辑地址表明页号，剩下的12位为偏移量四个高位为0100

页框号11表明页被映射到页框3此值与12位的偏移量拼接，生成物理地址1100100011010042图9.13所示的MMU并没有很好的转换地址

? 因为从页表中读页框号会有一个延时，并且由于取出相邻的指令，系统可能连续的成百上千次的读这一相同的值

变换旁视缓冲器可以解决上述问题（图9.14），其功能跟页表一样，可产生帧值，但它更快，这样就提高了性能43图9.14使用TLB转换逻辑地址到物理地址注意TLB没有必要包含计数位或者脏位，因为这些信息仍然保存在页表中。TLB中的每一个地址入口包含在页表中，但反过来不成立

44例：考虑一台含有相对简单CPU，相同内存配置的计算机。它必须取、翻译和执行下列程序（如表9.8）0000H:LDAC4234H0003H:STAC4235H0006H:JUMP1000H1000-1063H:(100registerinstructions)1064H:JUMP2000H2000H-2031H:(50registerinstructions)2032H:JUMP0100H0100H-01C7H:(200registerinstructions)01C8H:JUMP3000H3000H-3063H:(100registerinstructions)3064H:JUMP0000H4234H:27H(datavalue)45PageTableAdress0000H0003H0006H1000H-1064H2000H-2032H0100H-01C8H3000H-3064H0000HPageFVCDFVCDFVCDFVCDFVCDFVCDFVCDFVCD00110011001100110012001100110011012100211021202130-0--231003110312031303110011204110011011111112111311131-0--2100表9.8使用LRU替换算法的部分页表和TLB值TLBPFVPFVPFVPFVPFVPFVPFVPFV001001001001001001001001411411411411411411311311000121121121121421000023123123123146PageTableAdress0000H0003H-0006H1000H-1064H2000H-2032H0100H-01C8H3000H-3064H0000HPageFVDFVDFVDFVDFVDFVDFVD0010010010010010--0-1101210210210210--0-231031031031030100104110111111111111111210表9.9使用FIFO替换算法的部分页表和TLB值PFVPFVPFVPFVPFVPFVPFV00100100100100130130141141141141141141101100121121121121421000231231231231479.3.1分段

分段：在分段技术中，程序被划分为几段，每段为一个自包含的单元分段的特点：每个段大小可以变化分段存在外部碎片问题48外部碎片：内存驻留有3个段，另有8K自由空间。而这8K空间被划分开了，于是不移动或撤除某个当前载入段的话，大小超过3K的段已无法装入内存（如图9.16）图9.16由于分段引起的物理内存外部碎片49分段机制中逻辑地址到物理地址的转换

图9.15分段机制中逻辑地址到物理地址的转换逻辑地址被剖分为段号和偏移量

50段号输入到段表中，如果段已被装入内存，输出段的起始地址和段大小如果段不在物理内存中，就产生一个缺段，MMU装入新段到内存中偏移量与段大小进行比较，如果前者大于后者，或者相等，说明所访问单元不在段内，就产生一个错误如果偏移量有效，则与段地址的起始值相加，形成一个正确的物理内存地址

51分段机制中的一个严重缺陷 在分页机制中，页号送到页表（和TLB）以产生页框号。该值和偏移量拼接构成物理地址。而在分段机制中，通过页表或TLB产生的起始地址要与偏移量相加，此过程消耗的时间比拼接要多得多

52带分页的分段分页和分段两种机制的结合体在内存中不必是一个连续整块逻辑地址被划分为三个部分段号2.页号3.偏移量53图9.17段页式机制中逻辑地址转换为物理地址54段页式机制中的优点：不需要找一个足够大的连续块来装载整个段，物理内存的段分配相对简单组成段的页可被放在物理内存的任意位置，减少了外部碎片不再需要在段表中显式的存储段的大小当明确产生页框号后，也不再需要加上偏移量来生成一个值；而是使用更快的拼接

559.3.3存储器保护

9.4基本的cache和虚拟内存的扩展9.4.1基本cache的扩展现在大部分计算机中使用的是两级cache：一个指令cache只存程序指令，一个数据cache只存数据569.4.2基本虚拟存储器的扩展图9.18多级页表层次结构

579.5实例：Pentium/Windows个人计算机上的内存管理

图9.19Pentium/WindowsNT的内存层次结构

589.6总结大部分计算机的存储层次不仅仅包括物理内存，还包括cache和虚拟内存。Cache存储器是一个介于CPU和物理存储器间的高速存储器；cache的一级经常置入CPU芯片内。Cache存储器可以是统一起来的，也可以分离成单独的指令cache和数据cache。Cache的性能很大程度上由命中率和平均访问时间决定。Cache存储器可使用三种映射策略中的一种。相联映射是最灵活的，但它要求使用相对昂贵的相联存储器而不是标准的静态RAM。直接映射灵活性少些，但也便宜些。组相联映射综合了直接映射的优点以及相联映射的某些灵活性。使用组性联的存储器使用FIFO、LRU或者是随机替换策略。59虚拟存储器使用辅存，比如磁盘，来扩展处理器可用的内存空间。它比给系统加物理内存要便宜很多，且不会严重降低系统性能。内存管理单元把处理器发布的虚拟地址映射为相应的物理地址。一个虚拟存储器系统可使用分页或分段机制。分页系统在物理内存和虚拟内存间交换固定大小的页框。MMU用页表和TLB来跟踪哪一个页框对应于每一页面。段式系统可管理不同尺寸的段。它减少了内部碎片，但引入了外部碎片。一个系统中结合这两种方法是可行的，可以用可变数目的固定长度页来构造可变大小的段。60谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH——“ifen”酒新品发布活动策划爱奋斗•爱生活目录010203040506活动概述“ifen”酒新品发布会“爱奋斗•爱生活”品酒晚宴“我爱奋斗”高校乐队演唱会活动执行活动费用活动概述2012年05月20日-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.活动时间湖南锦绣潇湘文化产业园活动地点新品发布会/品酒晚宴/高校乐队演唱会活动构架活动概述活动目的：提升代理商对ifen酒的认识，有效促进合作。通过新闻发布会的召开向外界传达强势品牌的印象和

品牌强势运作的信息。借助新闻发布会的召开传递产品信息和品牌价值，形

成事件传播。活动概述活动意义：新闻发布会的意义在于能够激发和巩固代理商积极销售的信心，

同时可以对于ifen酒品牌的上市做一个正式的通告，

借以带动业界对于ifen酒的认同和认识和关注，是对

于ifen酒的整个传播体系的推动和帮助。以新闻与活动的结合表现形式确立ifen酒目标群体中的显赫地位新品发布会爱奋斗•爱生活

——2012ifen酒新品发布会发布会主题-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.锦绣潇湘“芙蓉国剧场”发布会地点15:30——17:20发布会时间新品发布会特色互动环节：ifen销售达人赛场外场内连线互动：在活动开展前期，在长沙步行街开展小型户外活动——ifen酒销售达人赛，然后将现场火热疯抢的画面剪辑成视频，在发布会上进行播放，让经销商看到ifen酒受广大市民（年轻消费者）的追捧。第一次连线：将现场疯抢的画面拍摄下来，随即采访一下消费者，问其为何要买酒，对酒的印象等。第二次连线：要求摄像拍摄出现场产品售罄的状态。表现形式：安排两百位学生扮演消费者到现场配合工作，现场随即采访消费者的购买心得。微电影VCR展播主持人开场新品发布会发布会流程：

蝶舞九天女子时尚电声组开场来宾签到（微电影VCR热场）第一次场外连线：让经销商看到场外热闹疯抢的状况与ifen酒品牌展示，从而给经销商留下好的印象，让他们看到该产品的市场前景。颜总致辞（宣布政策）第二次连线新品发布会发布会流程：现场调酒演示（品酒师点评）第一次连线第二次场外连线：此次连线需看到产品即将售罄的状态，以求再次打动在坐经销商的心，让产品热销，好销，有市场等一切优秀品质进入经销商的心，从而使经销商从心动变为行动。签约仪式“ifen酒”荣耀现世新品发布会发布会流程：

经销商代表发言此环节后附详细流程

合影自由洽谈签约仪式500万奖金现场助阵，活动至高潮。新品发布会1、“ifen酒”荣耀现世：嘉宾触摸LED点光球，特制酒保箱绽放,同时烟雾升起.冷焰火四射，ifen酒在绽放的仪器中荣耀现世。新品发布会2、“ifen酒”500万重奖销售机制建立：“ifen”酒业老总亲自向经销商代表颁发“ifen酒”500万销售奖励机制承诺书。新品发布会3、“ifen酒”品酒塔：这里我们用传统的香滨灌注香滨塔,改成“ifen”灌注,体现另外一种引用模式，同时，音乐响起，两位模特手捧“ifen”走秀。新品发布会新品发布会会场布置：易拉宝签到台喷绘、海报新品发布会新品发布会网络直播：我们与湖南最权威的媒体网络之一“文明在线”合作，全程紧密跟踪直播新品发布会。新品发布会新品发布会主持人：湖南电视台魏哲浩侯文ifen品酒晚宴爱奋斗•爱生活

——2012ifen品酒晚宴晚宴主题-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.湘府韩城（岳麓区阜埠河路）晚宴地点17:20开始晚宴时间ifen品酒晚宴晚宴酒店简介：长沙湘府韩城湘府韩城韩系餐厅是一家经国家相关部门批准注册的合法企业,湘府韩城韩系餐厅以经营主营餐饮美食服务为主，以合理的价格、优良的服务与众多用户及企业建立了长期的合作关系。湘府韩城韩系餐厅位于岳麓区阜埠河路(近湖南大学天马学生公寓)。大众点评网5星好评！ifen品酒晚宴晚宴酒店布置：开始用餐17:4517：20—17:40ifen品酒晚宴