文档介绍：第七章存储系统
存储保护
存储系统的层次结构
高速缓冲存储器Cache
虚拟存储器
双端口存储器
相联存储器
1
存储系统的层次结构
CPU
CACHE
主存(内存)
辅存(外存)
根据各种存储器的存储容量、存取速度和价格比的不同,将它们按照一定的体系结构组织起来,使所放的程序和数据按照一定的层次分布在各种存储器中。
2
1、主存和高速缓存之间的关系
Cache引入:
为解决CPU和主存之间的速度差距,提高整机的运算速度,在CPU和主存之间插入的由高速电子器件组成的容量不大,但速度很快的存储器。
Cache特点
存取速度最快,容量小,价格贵,存储控制和管理由硬件实现。
Cache工作原理——程序访问的局部性
在较短时间内由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。这种对局部的存储器地址频繁访问,而对此范围以外的地址范围甚少的现象就称为程序访问的局部性。
CPU与Cache之间的数据交换是以字为单位,而Cache与主存之间的数据交换是以块(页)为单位,一个块(页)是由若干字组成,是定长度的。
演示
3
Cache功能演示
4
2、主存与辅存之间的关系
主存:(半导体存储器组成)
优:速度快
缺:容量居中,单位成本较高, 价格居中。
辅存:(光盘,磁盘)
优:容量大,信息长久保存,单位成本低.
缺:存取速度慢
CPU将要运行的程序和数据存放在主存中,而暂时不用的程序和数据存放在辅存中。
辅存只与主存进行数据交换,不能直接运行,需靠辅助的软、硬件来实现之。
演示
5
高速缓冲存储器Cache
组成: 由高速小容量的SRAM和高速缓存控制器组成。
功能: 将CPU当前快要用到的部分数据块由主存复制到容量小、速度快的Cache 中,再由Cache 向CPU直接提供它所需要的数据。它内部存放的是部分主存内容的副本。
Cache存储器介于 CPU和主存之间,它的工作速度数倍于主存,全部功能由硬件实现。由于转换速度快,软件人员丝毫未感到Cache的存在,这种特性称为Cache的透明性。Cache内部是用同主存内部同样大小的块组成,故由于Cache存储容量小,所以块的数目少
在Cache中,每一块外加有一个标记,指明它是主存的哪一块的副本,所以该标记的内容相当于主存中块的编号,块内字节数与主存相同。
6
Cache的组成和工作原理
标志块号块内地址
主存地址
主
存
块号块内地址
Cache
标记
Cache地址
比较器
替
换
算
法
Cache
数据
去CPU
来自CPU
不命中
命中
Cache满
访数据
修改标记
访标记
NO
7
数据总线
Cache
替换机构
可装进?
命中?
主存Cache
地址映象
变换机构
主存
访问主
存替换
Cache
Cache
存储体
块号
块内地址
直接通路
访问主存装入Cache
N
N
Y
Y
块号
块内地址
CPU
主存地址
地址总线
Cache地址
Cache 的基本结构
Cache
替换机构
由 CPU 完成
Cache
存储体
主存Cache
地址映象
变换机构
8
Cache 的工作原理
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
0
1
2m-1
字块 0
字块 1
字块 M-1
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 C-1
0
1
2c-1
标记
Cache
缓存块号
9
Cache工作原理演示
10