第08章 高速緩沖存儲器和虛擬存儲器ppt課件.ppt

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1、第8章高速緩沖存儲器和虛擬存儲器本章主要內(nèi)容高速緩沖存儲器（Cache）高速緩存的基本運(yùn)行原理、高速緩存的3種映像方式、高速緩存使用中的問題虛擬存儲器虛擬存儲器概述、段式存儲管理、頁式存儲管理2程序的局部性原理程序在一定時間段內(nèi)通常只訪問較小的地址空間兩種局部性：時間局部性和空間局部性時間局部性：最近被訪問的信息很可能還要被訪問。將最近被訪問的信息項(xiàng)裝入到Cache中?？臻g局部性：最近被訪問的信息臨近的信息也可能被訪問。將最近被訪問的信息項(xiàng)臨近的信息一起裝入到Cache中。地址空間訪問概率38.1高速緩沖存儲器（Cache）高

2、速緩沖存儲器(Cache)是插在CPU和主存之間的一個快速小容量的存儲器，它主要是為解決CPU和主存之間的速度匹配問題而設(shè)置的。它的速度比主存快，具有和CPU相近的速度，有了Cache，就能高速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)，從而加快了程序的執(zhí)行速度。48.1高速緩沖存儲器（Cache）用途：設(shè)置在CPU和主存儲器之間，完成高速與CPU交換信息，盡量避免CPU不必要地多次直接訪問慢速的主存儲器，從而提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。實(shí)現(xiàn)：這是一個存儲容量很小，但讀寫速度更快的，以關(guān)聯(lián)存儲器方式運(yùn)行、用靜態(tài)存儲器芯片實(shí)現(xiàn)的存儲器系統(tǒng)。要求：有

3、足夠高的命中率，既當(dāng)CPU需用主存中的數(shù)據(jù)時，多數(shù)情況可以直接從CACHE中得到，稱二者之比為命中率。58.1高速緩沖存儲器（Cache）目的：就是在性能上使主存儲器的平均讀出時間盡可能的接近與Cache的讀出時間。要實(shí)現(xiàn)這個目的，就是要將CPU將要讀取的主存單元內(nèi)容先預(yù)先讀到Cache中。由于程序編制的局部性，即程序總是按順序編寫和編址的，指令按地址順序存放在存儲器中;一條指令執(zhí)行后一般是執(zhí)行緊接著的那條指令，只有遇到轉(zhuǎn)移指令時才會跳到另一個區(qū)域，但跳轉(zhuǎn)之后又會順序執(zhí)行;還有就是當(dāng)執(zhí)行一個循環(huán)程序時，會在一塊小的區(qū)域內(nèi)重復(fù)循

4、環(huán)執(zhí)行若干指令;對于存儲的數(shù)據(jù)也是如此。按照一定的預(yù)讀算法，可以實(shí)現(xiàn)很高的Cache命中率。68.1高速緩沖存儲器（Cache）當(dāng)CPU要從主存中讀取一個字，先把這個字的地址傳給Cache，檢查這個字是否在Cache中，如果在，就把這個字直接從Cache送到CPU中，如果不在，則把這個地址傳給主存，從主存中讀出這個字。同時，把這個字附近地址單元的內(nèi)容取到Cache中，以滿足下次訪問的字能在Cache中。7CPU和主存之間的速度大約相差一個數(shù)量級，為了彌補(bǔ)主存速度的不足，在CPU和主存之間設(shè)置了一級容量不大，但速度很高的高速緩沖

5、存儲器（Cache），簡稱高速緩存或快存。CPU在某一小段時間內(nèi)所要訪問的程序和數(shù)據(jù)被事先從主存中調(diào)入Cache中，當(dāng)CPU需要這些程序和數(shù)據(jù)時，就直接去Cache中讀取，這樣將大大提高存取速度。Cache和主存借助于輔助硬件構(gòu)成一個整體。8.1高速緩沖存儲器（Cache）8從整體看，Cache－主存層次的存取速度接近于Cache的存取速度，但容量接近于主存，每位價格也接近于主存的每位平均價格。因此，解決了高速度和低成本之間的矛盾。由于這個層次完全由硬件實(shí)現(xiàn)，不用系統(tǒng)輔助軟件干預(yù)，所以對用戶是透明的。8.1高速緩沖存儲器（Ca

6、che）98.1.1CACHE的基本運(yùn)行原理1.Cache存儲單元的組成部分?jǐn)?shù)據(jù)字段：保存從主存單元復(fù)制過來的數(shù)據(jù)標(biāo)志字段：保存相應(yīng)主存單元的地址信息有效位字段：標(biāo)識數(shù)據(jù)字段和標(biāo)志字段的是否有效2.提高Cache性能，降低成本Cache單元的大?。篶achelinesize（幾個主存字，減少標(biāo)志位位數(shù)，較少Cache總?cè)萘浚〤ache與主存交換數(shù)據(jù)的單位：cachelinesize（充分利用空間局部性）Cache單元與主存單元的對應(yīng)關(guān)系，例如：完全隨意對應(yīng)、一對多硬性對應(yīng)和多對多有限隨意對應(yīng)Cache的容量、分層組織、接入方式

7、等方面標(biāo)志數(shù)據(jù)有效位108.1.1CACHE的基本運(yùn)行原理MEMORY數(shù)據(jù)總線譯碼選一單元讀過程為例地址總線CACHECONTROL比較選一行CACHEADDRDATACPU113.CACHE的3種映像方式地址映像：把一主存單元的數(shù)據(jù)復(fù)制到CACHE中時，還要把該主存單元的地址，經(jīng)過某種函數(shù)關(guān)系處理后寫進(jìn)CACHE的標(biāo)志字段，這一過程被稱為CACHE的地址映像。地址變換：在程序執(zhí)行時，還要把主存地址變換為訪問CACHE的地址，這一過程被叫做CACHE的地址變換。CACHE存儲器通常使用3種映像方式，它們是全相聯(lián)映像方式、直接映

8、像方式、多路組相聯(lián)映像方式，3種映像方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。12全相聯(lián)映像方式全相聯(lián)映像方式：是指主存的一個字塊可以映像到整個CACHE的任何一個字塊中。全相聯(lián)映像方式特點(diǎn)：主存的字塊可以和Cache的任何字塊對應(yīng)，利用率高，方式靈活。內(nèi)存與CACHE之間的關(guān)系，多對多。標(biāo)志位較