计算机的存储代理人---高速缓冲存储器

1、 高速缓冲存储器一、概述1. 问题的提出避免 CPU “空等” 现象CPU 和主存（DRAM）的速度差异缓存CPU主存容量小速度高容量大速度低程序访问的局部性原理For: 新闻 From: 分类信息2. Cache 的工作原理(1) 主存和缓存的编址主存和缓存按块存储 块的大小相同B 为块长 主存块号主存储器012m1字块 0字块 1字块 M1主存块号块内地址m位b位n位M块B个字缓存块号块内地址c位b位C块B个字 字块 0字块 1字块 C1012c1标记Cache缓存块号For: 新闻 From: 分类信息(2) 命中与未命中缓存共有 C 块主存共有 M 块M C主存块 调入 缓存主存块与缓

2、存块 建立 了对应关系用 标记记录 与某缓存块建立了对应关系的 主存块号命中未命中主存块与缓存块 未建立 对应关系主存块 未调入 缓存For: 新闻 From: 分类信息(3) Cache 的命中率CPU 欲访问的信息在 Cache 中的 比率命中率 与 Cache 的 容量 与 块长 有关 一般每块可取 4 8 个字块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度 CRAY_1 16体交叉 块长取 16 个存储字 IBM 370/168 4体交叉 块长取 4 个存储字（64位4 = 256位）For: 新闻 From: 分类信息(4) Cache 主存系统的效率效率 e 与 命中率 有关 设 Cac

3、he 命中率 为 h，访问 Cache 的时间为 tc ， 访问 主存 的时间为 tm 则 e = 100% tc h tc+ (1h) tm 访问 Cache 的时间 平均访问时间 e = 100%For: 新闻 From: 分类信息3. Cache 的基本结构Cache替换机构Cache存储体主存Cache地址映射变换机构由CPU完成For: 新闻 From: 分类信息4. Cache 的 读写 操作 访问Cache取出信息送CPU 访问主存取出信息送CPU将新的主存块调入Cache中执行替换算法 腾出空位 结束命中？Cache满？CPU发出访问地址 开始是否是否读For: 新闻 From

4、: 分类信息Cache 和主存的一致性 4. Cache 的 读写 操作写 写直达法（Write through） 写回法（Write back） 写操作时数据既写入Cache又写入主存 写操作时只把数据写入 Cache 而不写入主存当 Cache 数据被替换出去时才写回主存 写操作时间就是访问主存的时间，读操作时不涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现写操作时间就是访问 Cache 的时间，读操作 Cache 失效发生数据替换时，被替换的块需写回主存，增加了 Cache 的复杂性For: 新闻 From: 分类信息5. Cache 的改进(1) 增加 Cache 的级数片载（片内）Cach

5、e片外 Cache(2) 统一缓存和分立缓存指令 Cache数据 Cache与主存结构有关与指令执行的控制方式有关是否流水Pentium 8K 指令 Cache 8K 数据 CachePowerPC620 32K 指令 Cache 32K 数据 CacheFor: 新闻 From: 分类信息 字块2m1 字块2c+1 字块2c+11 字块2c +1 字块2c 字块2c1 字块1 字块0主存储体 字块 1 标记 字块 0 标记字块 2c1标记Cache存储体t位012c1 字块字块地址 主存字 块标记t 位c 位b 位主存地址 比较器（t位）= 不命中有效位=1？*m位 Cache内地址否是命中

6、二、Cache 主存的地址映射1. 直接映射每个缓存块 i 可以和 若干 个 主存块 对应每个主存块 j 只能和 一 个 缓存块 对应i = j mod C 字块2c+1 字块2c 字块0 字块 0For: 新闻 From: 分类信息2. 全相联映射主存 中的 任一块 可以映射到 缓存 中的 任一块字块2m1字块2c1字块1 字块0字块2c1字块1字块0标记标记标记主存字块标记 字块内地址主存地址m = t + c 位b位m = t+cCache 存储器主存储器 字块0For: 新闻 From: 分类信息字块2m1字块2c-r+1 字块2c-r + 1 字块2c-r字块2c-r 字块1 字块0

7、 字块 3标记 字块 1标记字块 2c1标记 字块 2标记 字块 0标记字块 2c2标记 字块内地址组地址主存字块标记s = t + r 位q = cr 位b 位组012c-r1主存地址Cache主存储器m 位共 Q 组，每组内两块（r = 1)1某一主存块 j 按模 Q 映射到 缓存 的第 i 组中的 任一块i = j mod Q直接映射全相联映射3. 组相联映射 字块0 字块 1 字块 0 字块2c-r 字块2c-r+1For: 新闻 From: 分类信息三、替换算法1. 先进先出 （ FIFO ）算法 2. 近期最少使用（ LRU）算法小结某一 主存块 只能固定 映射到 某一 缓存块直接

8、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For: 新闻 From: 分类信息4.4 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For: 新闻 From: 分类信息二、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

9、元写线圈SN铁芯磁通磁层写入“0”写入“1”IFor: 新闻 From: 分类信息N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For: 新闻 From: 分类信息2. 磁表面存储器的记录方式011100010数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期For: 新闻 From: 分类信息例 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For: 新闻 From: 分类信息三、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

10、 制 器磁 盘 驱 动 器盘 片主 机For: 新闻 From: 分类信息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For: 新闻 From: 分类信息(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For: 新闻 From: 分类信息四、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For: 新闻 From: 分类信息2. 软盘片由聚酯薄膜制成保护套主轴孔实际的软