计算机组成原理 第十二课

1、唐朔飞唐朔飞 第版第版 高 等 教 育 出 版 社高 等 教 育 出 版 社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量的容量 为为8KB。每字块有。每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路位，设计一个四路 组相联映射的组相联映射的Cache组织。组织。 （1）画出主存地址字段中各段的位数）画出主存地址字段中各段的位数 （2）设）设Cache初态为空，初态为空，CPU依次从主存第依次从主存第 0,1,2,99号单元读出号单元读出100个字（主存一次读出一个个字（主存一次读出一个 字），并重复此次序读字）

2、，并重复此次序读10次，问命中率是多少？次，问命中率是多少？ （3）若）若Cache的速度是主存速度的的速度是主存速度的5倍，试问有倍，试问有Cache 和无和无Cache相比，速度提高多少倍？相比，速度提高多少倍？ （4）系统的效率为多少？）系统的效率为多少？ 【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为的容量为8KB。 每字块有每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的位，设计一个四路组相联映射的Cache 组织。组织。 （1）画出主存地址字段中各段的位数）画出主存地址字段中各段的位数 解：解： （1 1）组相联映射方式下，主存地址格

3、式如图所示）组相联映射方式下，主存地址格式如图所示 每个字块每个字块8 8个字，每个字个字，每个字3232位，则字块容量为位，则字块容量为8 832=32B32=32B，字，字 块内地址块内地址b b为为2 2b b=32=32，得，得b b=5=5 CacheCache容量为容量为8KB8KB，则一共含有，则一共含有8KB/32B=2568KB/32B=256块块 四路组映射，则一共分成四路组映射，则一共分成256/4=64256/4=64组，因而组地址组，因而组地址q q满足满足 2 2q q=64=64，得，得q q=6=6 又由于主存容量为又由于主存容量为16MB=216MB=224

4、24B B，因而主存地址线为 ，因而主存地址线为2424，24-24-b b- - q q=13=13，得主存字块标记为，得主存字块标记为1313 主存字块标记主存字块标记组地址组地址字块内地址字块内地址 1365 【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为的容量为8KB。 每字块有每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的位，设计一个四路组相联映射的Cache 组织。组织。 （2 2）设）设CacheCache初态为空，初态为空，CPUCPU依次从主存第依次从主存第0,1,2,990,1,2,99号号 单元读出单元读出100100个字

5、（主存一次读出一个字），并重复此次序读个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读 1010次，问命中率是多少？次，问命中率是多少？ 解：解： （2 2）每个字块有）每个字块有8 8个字，初态个字，初态Cache Cache 为空，因此为空，因此CPUCPU读第读第0 0号号 单元时，未命中，必须访问内存，同时将该字所在的主存块单元时，未命中，必须访问内存，同时将该字所在的主存块 调入调入CacheCache的第的第0 0组中的任何一块内，接着组中的任何一块内，接着CPUCPU读读1-71-7号单元时号单元时 均命中。同理，均命中。同理，CPUCPU读第读第8 8，1616，9696号单元时均未

6、命号单元时均未命 中。可见中。可见CPUCPU在连续在连续100100个字中共有个字中共有1313次未命中，而后次未命中，而后9 9次循次循 环读环读100100个字全部命中，命中率为个字全部命中，命中率为 10010010-1310-13 1001001010 = 0.987= 0.987 【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为的容量为8KB。 每字块有每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的位，设计一个四路组相联映射的Cache 组织。组织。 （3 3）若）若CacheCache的速度是主存速度的的速度是主存速度的5 5倍，试

7、问有倍，试问有CacheCache和无和无 CacheCache相比，速度提高多少倍？相比，速度提高多少倍？ 解：解： （3 3）设）设CacheCache的存取周期为的存取周期为t t，主存的存取周期为，主存的存取周期为5 5t t，命中，命中 率为率为0.9870.987，则加入，则加入CacheCache后的系统平均访问时间后的系统平均访问时间t ta a为为 t ta a=0.987=0.987t t+ +（1-0.9871-0.987）5 5t t=1.052=1.052t t 则有则有CacheCache和没有和没有CacheCache相比，速度提高的倍率为相比，速度提高的倍率为3

8、.753.75倍倍 加入加入CacheCache后，速度是原来的后，速度是原来的5 5t t/1.052/1.052t t = 4.75 = 4.75倍倍 【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为的容量为8KB。 每字块有每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的位，设计一个四路组相联映射的Cache 组织。组织。 （4 4）系统的效率为多少？）系统的效率为多少？ 解：解： 则系统的效率则系统的效率e e为为 （4 4）CacheCache的存取周期的存取周期t tc c= =t t，系统平均访问时间，系统平均访问时间t ta a=1

9、.052=1.052t t e e = = t tc c/ /t ta a100% = 100% = t t/1.052/1.052t t100% = 95%100% = 95% 三、替换算法三、替换算法 1. 先进先出先进先出 （ FIFO ）算法算法 2. 近期最少使用（近期最少使用（ LRU）算法：算法：一般采用一般采用 简化方法，只记录每个块最近一次使用的时间简化方法，只记录每个块最近一次使用的时间 小结小结 某一某一 主存块主存块 只能固定只能固定 映射到映射到 某一某一 缓存块缓存块直接直接 全相联全相联 组相联组相联 某一某一 主存块主存块 能能 映射到映射到 任一任一 缓存块缓

10、存块 某一某一 主存块主存块 只能只能 映射到映射到 某一某一 缓存缓存 组组 中的中的 任一块任一块 不灵活不灵活成本高成本高 一、概述一、概述 1. 特点特点不直接与不直接与 CPU 交换信息交换信息 2. 磁表面存储器的技术指标磁表面存储器的技术指标 道密度道密度 Dt位密度位密度 Db C = n k s 寻道时间寻道时间 + 等待时间等待时间 (1) 记录密度记录密度 (2) 存储容量存储容量 (3) 平均寻址时间平均寻址时间 (4) 数据传输率数据传输率 (5) 误码率误码率 辅存的速度辅存的速度 寻址时间寻址时间 磁头读写时间磁头读写时间 Dr = Db V 出错信息位数与读出信

11、息的总位数之比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二、磁记录原理和记录方式 1. 磁记录原理磁记录原理 写写 局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体 写线圈写线圈 SN I 局部磁化单元局部磁化单元 写线圈写线圈 SN 铁芯铁芯 磁通磁通 磁层磁层 写入写入“0” 写入写入“1” I N 读线圈读线圈 S 读线圈读线圈 SN 铁芯铁芯 磁通磁通 磁层磁层 运动方向运动方向运动方向运动方向 ss tt ff ee 读出读出 “0” 读出读出 “1” 读读 1. 磁记录原理磁记录原理 2. 磁表面存储器的记录方式磁表面存储器的记录方式 011100010 数据序列数据序列 R

12、Z NRZ NRZ1 PM FM MFM T 位周期位周期 例例 NRZ1 的读出代码波形的读出代码波形 0110010数据序列数据序列 驱动电流驱动电流 磁通变化磁通变化 感应电势感应电势 同步脉冲同步脉冲 读出代码读出代码 三、硬磁盘存储器三、硬磁盘存储器 1. 硬磁盘存储器的类型硬磁盘存储器的类型 (1) 固定磁头和移动磁头固定磁头和移动磁头 (2) 可换盘和固定盘可换盘和固定盘 2. 硬磁盘存储器结构硬磁盘存储器结构 磁磁 盘盘 控控 制制 器器 磁磁 盘盘 驱驱 动动 器器 盘盘 片片 主主 机机 磁盘磁盘 磁磁 盘盘 组组 主轴主轴磁头磁头 音圈音圈 电机电机 位置检测位置检测 定

13、位驱动定位驱动 模拟控制模拟控制 放放 大大 闭环自动控制系统闭环自动控制系统 由磁盘控制由磁盘控制 器送来的目器送来的目 标磁道信号标磁道信号 测测 速速 输输 出出 读写臂读写臂 传动机构传动机构 主轴主轴定位驱动定位驱动数据控制数据控制 (1) 磁盘驱动器磁盘驱动器 (2) 磁盘控制器磁盘控制器 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控制磁盘驱动器读写 通过总线通过总线 (3) 盘片盘片 对主机对主机 对硬盘（设备）对硬盘（设备） 磁盘控制器磁盘

14、控制器 是是 主机与磁盘驱动器之间的主机与磁盘驱动器之间的 接口接口 由硬质铝合金材料制成由硬质铝合金材料制成 P135 例例4.12 例例4.14 四、软磁盘存储器四、软磁盘存储器 1. 概述概述 速度速度 磁头磁头 盘片盘片 价格价格 环境环境 硬盘硬盘软盘软盘 高高低低 固定、活动固定、活动活动活动 固定盘、盘组固定盘、盘组 大部分不可换大部分不可换 可换盘片可换盘片 苛刻苛刻 浮动浮动接触盘片接触盘片 高高低低 2. 软盘片软盘片 由聚酯薄膜制成由聚酯薄膜制成 保护套保护套 主轴孔主轴孔 实际的软盘片实际的软盘片 写保护口写保护口 读读/写磁头访问槽写磁头访问槽 衬里衬里/清洁材料清洁

15、材料 4.4.6 循环冗余校验码（循环冗余校验码（CRC） 基于模基于模2 2运算而建立编码规律的校验码运算而建立编码规律的校验码 【模模2 2四则运算四则运算】 模模2 2加法加法( (按位加，不考虑进位按位加，不考虑进位) )： 0+0=00+0=0，0+1=10+1=1，1+0=11+0=1，1+1=0 (mod 2)1+1=0 (mod 2)； 模模2 2减法（按位减，不考虑借位）：减法（按位减，不考虑借位）： 0-0=00-0=0，1-0=11-0=1，0-1=10-1=1，1-1=0 (mod 2)1-1=0 (mod 2)； 模模2 2乘法：按二进制乘法求出部分积，再用模乘法：按

16、二进制乘法求出部分积，再用模2 2加法加法 求部分积之和，不考虑进位。求部分积之和，不考虑进位。 模模2 2除法：按模除法：按模2 2减法求部分余数，不借位。减法求部分余数，不借位。 上商规则：余数最高位为上商规则：余数最高位为1 1，商为，商为1 1，余数最高位为，余数最高位为0 0，商，商 为为0 0； 余数位数少于除数位数即为最后余数。余数位数少于除数位数即为最后余数。 模模2 2加法和模加法和模2 2减法的结果是相同的，减法的结果是相同的， 即：模即：模2 2减法可用模减法可用模2 2加法代替加法代替 两个相同数的模两个相同数的模2和恒为和恒为0 【例例】 (1)(1)已知已知 x=1

17、010 x=1010，y=101y=101，求，求x xy(mod 2) y(mod 2) (2) x=10000(2) x=10000，y=101y=101，求，求x xy y（mod 2mod 2） 【解解】 10101010 101101 10101010 00000000 10101010 100010100010 1000010000101101 101101 101101 010010 000000 100100 101101 0101 1. CRC码的编码方式码的编码方式 设待编的信息码组为设待编的信息码组为Dn-1Dn-2D2D1D0，共，共n位，可用多项位，可用多项 式式M(

18、x)表示：表示： M(x)=Dn-1xn-1 + Dn-2xn-2 + + D1x1 + D0 x0 将信息码组左移将信息码组左移k位，得位，得M(x)xM(x)xk k，即成，即成n+kn+k位信息组位信息组 Dn-1+kDn-2+kD2+kD1+kD0+k00000 k位位 空出的空出的k位用来接位用来接k位校验位位校验位 CRC校验码就是用多项式校验码就是用多项式M(x)xM(x)xk k除以生成多项式除以生成多项式G(x)（即（即 产生校验码的多项式），所得余数作为校验位产生校验码的多项式），所得余数作为校验位 为了得到为了得到k位余数（校验位），位余数（校验位），G(x)必须是必须是

19、k+1位位 设所得余数为设所得余数为R(x)，商为，商为Q(x)，则有，则有 M(x)xk= Q(x)G(x)+R(x) 将余数拼接在左移了位后的信息位后面，就构成了这个将余数拼接在左移了位后的信息位后面，就构成了这个 有效信息的有效信息的CRC码。这个码。这个CRC码用多项式表示为码用多项式表示为 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（模2和）和） CRC码是一个可被生成多项式码是一个可被生成多项式G(x)除尽的数码除尽的数码 若若CRC码在传输过程中不出错，其余数必为码在传输过程中不出错，其余数必为0；若出错，则；若出错，则 余数不为余数不为0，由该余数指出哪一位出错，即可纠正，由该余数指出哪一位出错，即可纠正 【例例4.15】 已知有效信息为已知有效信息为1100，试用生成多项式，试用生成多项式G(x)=1011 将其编成将其编成CRC码码 解：解： 有效信息有效信息M(x)=1100，得，得n=4 G(x)=1011，得，得k+1=4，从而，从而k=3，即需加，即需加3位校验位位校验位 有效信息左移有效信息左移3位后再被位后再被G(x)模模2除，即除，即 有效信息有效信息M(x)x3=1100000 M(x)x3/G(