958-第8章高速缓冲存储器和虚拟存储器.ppt

第8章
高速缓冲存储器和虚拟存储器
本章主要内容
高速缓冲存储器(Cache)
高速缓存的基本运行原理
高速缓存的3种映像方式
高速缓存使用中的几个问题
虚拟存储器
虚拟存储器概述
段式存储管理
页式存储管理
2
微电子技术发展趋势
CPU与DRAM性能比较
3
程序的局部性原理
程序在一定时间段内通常只访问较小的地址空间
两种局部性:时间局部性和空间局部性
时间局部性:最近被访问的信息很可能还要被访问。
将最近被访问的信息项装入到Cache中。
空间局部性:最近被访问的信息临近的信息也可能被访问。
将最近被访问的信息项临近的信息一起装入到Cache中。
地址空间
访问概率
4
高速缓冲存储器(Cache)
用途:设置在 CPU 和主存储器之间,完成高速与 CPU 交换信息,尽量避免 CPU不必要地多次直接访问慢速的主存储器,从而提高计算机系统的运行效率。
实现:这是一个存储容量很小,但读写速度更快的,以关联存储器方式运行、用静态存储器芯片实现的存储器系统。
要求:有足够高的命中率,既当 CPU需用主存中的数据时,多数情况可以直接从CACHE中得到,称二者之比为命中率。
5
CACHE的基本运行原理
Cache存储单元的组成部分
数据字段:保存从主存单元复制过来的数据
标志字段:保存相应主存单元的地址信息
有效位字段:标识数据字段和标志字段是否有效
提高Cache性能,降低成本
Cache单元的大小:cache line size(几个主存字,减少标志位位数,较少Cache总容量)
Cache与主存交换数据的单位: cache line size(充分利用空间局部性)
Cache单元与主存单元的对应关系,例如:
完全随意对应、一对多硬性对应和多对多有限随意对应
Cache的容量、分层组织、接入方式等方面
6
CACHE的基本运行原理
MEMORY
CACHE CONTROL
数据总线
译码选一单元
比较选一行
读过程为例
地址总线
ADDR DATA
CACHE
CPU
7
CACHE的3种映像方式
地址映像:把一主存单元的数据复制到CACHE中时,还要把该主存单元的地址,经过某种函数关系处理后写进CACHE的标志字段,这一过程被称为CACHE的地址映像。
地址变换:在程序执行时,还要把主存地址变换为访问CACHE的地址,这一过程被叫做CACHE的地址变换。
CACHE存储器通常使用3种映像方式,它们是全相联映像方式、直接映像方式、多路组相联映像方式,3种映像方式有各自的优缺点。
8
全相联映像方式
全相联映像方式:是指主存的一个字块可以映像到整个CACHE的任何一个字块中。
全相联映像方式特点:
主存的字块可以和Cache的任何字块对应,利用率高,方式灵活。
标志位较长,比较电路的成本太高。如果主存空间有2m块,则标志位要有m位。同时,如果Cache有n块,则需要有n个比较电路。
使用成本太高
9
全相联映像方式
C P U
数据
主存字块标记
有效位
主存储器
CACHE
比较
译码
标志
数据
主存字块标记
块内地址
主存地址
10