4.3高速緩沖存儲器一、概述1.問題的提出避免CPU“空等”現(xiàn)象CPU和主存（DRAM）的速度差異緩存CPU主存容量小速度高容量大速度低程序訪問的局部性原理2.Cache的工作原理(1)主存和緩存的編址主存和緩存按塊存儲塊的大小相同B

為塊長~~~~……主存塊號主存儲器012m－1字塊0字塊1字塊M－1主存塊號塊內地址m位b位n位M塊B個字緩存塊號塊內地址c位b位C塊B個字~~~~……字塊0字塊1字塊C－1012c－1標記Cache緩存塊號4.3(2)命中與未命中緩存共有C

塊主存共有M

塊M>>C主存塊調入緩存主存塊與緩存塊建立了對應關系用標記記錄與某緩存塊建立了對應關系的主存塊號命中未命中主存塊與緩存塊未建立對應關系主存塊未調入緩存4.3(3)Cache的命中率CPU欲訪問的信息在Cache中的比率命中率與Cache的容量與塊長有關一般每塊可取4~8個字塊長取一個存取周期內從主存調出的信息長度CRAY_116體交叉塊長取16個存儲字

IBM370/1684體交叉

塊長取4個存儲字（64位×4

=

256位）4.3(4)Cache–主存系統(tǒng)的效率效率e

與命中率有關

設Cache命中率為h，訪問Cache

的時間為tc

，

訪問主存的時間為tm

4.3則

e=×100%tc

h

×

tc+(1－h(huán))×tm

訪問Cache的時間

平均訪問時間

e=×100%3.Cache的基本結構4.3Cache替換機構Cache存儲體主存Cache地址映射變換機構由CPU完成4.Cache的讀寫操作

訪問Cache取出信息送CPU

訪問主存取出信息送CPU將新的主存塊調入Cache中執(zhí)行替換算法騰出空位

結束命中？Cache滿？CPU發(fā)出訪問地址

開始是否是否讀4.3Cache和主存的一致性4.Cache的讀寫操作寫4.3寫直達法（Write–

through）寫回法（Write–

back）寫操作時數據既寫入Cache又寫入主存

寫操作時只把數據寫入Cache而不寫入主存當Cache數據被替換出去時才寫回主存

寫操作時間就是訪問主存的時間，讀操作時不涉及對主存的寫操作，更新策略比較容易實現(xiàn)寫操作時間就是訪問Cache的時間，讀操作Cache失效發(fā)生數據替換時，被替換的塊需寫回主存，增加了Cache的復雜性5.Cache的改進(1)增加Cache的級數片載（片內）Cache片外Cache(2)統(tǒng)一緩存和分立緩存指令Cache數據Cache與主存結構有關與指令執(zhí)行的控制方式有關是否流水Pentium8K指令Cache8K數據CachePowerPC62032K指令Cache

32K數據Cache4.3

字塊2m－1

字塊2c+1

字塊2c+1－1

字塊2c

+1

字塊2c

字塊2c－1

字塊1字塊0………主存儲體字塊1

標記字塊0

標記字塊2c－1標記Cache存儲體t位012c－1…字塊字塊地址主存字塊標記t

位c

位b

位主存地址比較器（t位）=≠不命中有效位=1？*m位Cache內地址否是命中二、Cache–

主存的地址映射1.直接映射每個緩存塊

i

可以和若干個主存塊對應每個主存塊

j

只能和一個緩存塊對應i=j

mod

C4.3

字塊2c+1

字塊2c字塊0字塊02.全相聯(lián)映射主存中的任一塊可以映射到緩存中的任一塊字塊2m－1字塊2c－1字塊1

字塊0……字塊2c－1字塊1字塊0…標記標記標記主存字塊標記

字塊內地址主存地址m=t+c

位b位m

=

t+cCache存儲器主存儲器

字塊04.3字塊2m－1字塊2c-r+1

字塊2c-r+

1字塊2c-r字塊2c-r

－

字塊1字塊0………字塊3標記字塊1標記字塊2c－1標記字塊2標記字塊0標記字塊2c－2標記…………字塊內地址組地址主存字塊標記s=t+r

位q=

c－r

位b

位組012c-r－1主存地址Cache主存儲器m

位共Q

組，每組內兩塊（r=1)1某一主存塊

j

按模Q

映射到緩存的第i

組中的任一塊i=j

mod

Q直接映射全相聯(lián)映射3.組相聯(lián)映射4.3字塊0字塊1字塊0字塊2c-r字塊2c-r+1三、替換算法1.先進先出（FIFO）算法2.近期最少使用（LRU）算法小結某一主存塊只能固定映射到某一緩存塊直接全相聯(lián)組相聯(lián)某一主存塊能映射到任一緩存塊某一主存塊只能映射到某一緩存組中的任一塊不靈活成本高4.34.4輔助存儲器一、概述1.特點不直接與CPU交換信息2.磁表面存儲器的技術指標道密度Dt位密度DbC=n×

k×

s尋道時間+等待時間(1)記錄密度(2)存儲容量(3)平均尋址時間(4)數據傳輸率(5)誤碼率輔存的速度尋址時間磁頭讀寫時間Dr

=

Db

×V出錯信息位數與讀出信息的總位數之比二、磁記錄原理和記錄方式1.磁記錄原理寫4.4局部磁化單元載磁體寫線圈SNI局部磁化單元寫線圈SN鐵芯磁通磁層寫入“0”寫入“1”IN讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運動方向運動方向ssttffee讀出“0”讀出“1”4.4讀1.磁記錄原理2.磁表面存儲器的記錄方式011100010數據序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期4.4例

NRZ1的讀出代碼波形0110010數據序列驅動電流磁通變化感應電勢同步脈沖讀出代碼4.4三、硬磁盤存儲器1.硬磁盤存儲器的類型(1)固定磁頭和移動磁頭(2)可換盤和固定盤2.硬磁盤存儲器結構磁盤控制器磁盤驅動器盤片主機4.4磁盤磁盤組主軸磁頭音圈電機位置檢測定位驅動模擬控制放大閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由磁盤控制器送來的目標磁道信號測速輸出讀寫臂傳動機構主軸定位驅動數據控制(1)磁盤驅動器4.4(2)磁盤控制器接收主機發(fā)來的命令，轉換成磁盤驅動器的控制命令實現(xiàn)主機和驅動器之間的數據格式轉換控制磁盤驅動器讀寫通過總線(3)盤片對主機對硬盤（設備）磁盤控制器是主機與磁盤驅動器之間的接口由硬質鋁合金材料制成4.4四、軟磁盤存儲器1.概述速度磁頭盤片價格環(huán)境硬盤軟盤高低固定、活動活動固定盤、盤組大部分