4.4 存储器的扩展技术（课件） - 《计算机原理》（电工版第五版）同步精品课堂

第4章 存储系统 第5课时 存储器的扩展技术 第5版 《计算机原理》 教学目标 一 掌握存储器扩展的相关概念和工作原理。 1 2 了解存储器的扩展技术。 教学重难点 二 了解高速缓冲存储器Cache 的结构。 1 2 掌握高速缓冲存储器Cache中所采用的主要技术及实现。 3 了解虚拟存储器技术。 导入新课 三 高速缓冲存储器 高速缓冲存储器（Cache）是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。 提出采用高速缓冲存储器（Cache）的设计思想是1967年由GIBSON首次提出，并在IBM-360/85型的大型机中采用、实现。 导入新课 三 磁盘缓存 在微型计算机中也普遍采用该技术思想。 例如为了加速读写速度而采用磁盘Cache，以缓解速度不匹配的问题。 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 1. Cache的结构 在整个计算机系统中，CPU执行指令的速度比主存读写的速度要快的多。 为了解决主存储器和CPU处理速度不匹配的问题，在两者之间增加了一级高速缓冲存储器。 Cache存储器一般用与制作CPU相同的半导体工艺做成，速度可同CPU项匹配属于同一个量级 。 高速缓冲存储器的设计，实质上，利用的是程序访问的局部性原理。 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 1. Cache的结构 PC中一般采用“三级存储，两级Cache”的设计思想。 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 2. 高速缓冲存储器Cache中所采用的主要技术及实现 （1）地址映像 地址映像用来确定主存的数据块和Cache的槽号之间的对应关系。 槽号就是在Cache中所存放的各个数据块的逻辑编号。 Cache中通过地址映像把主存中的所需数据块地址转换成Cache中某一个槽的位置，以确定一个主存的数据块应存放到Cache的哪一个槽中。 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 2. 高速缓冲存储器Cache中所采用的主要技术及实现 （1）地址映像 假设在某个计算机系统中Cache的容量为1KB，数据块的大小为8B 此Cache中所需的槽数 C=1024/8=128 主存容量为64KB，按字节编制216=64K 主存的地址空间为16位译码 主存中所含数据块的总数为M=64K/8=8K 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 2. 高速缓冲存储器Cache中所采用的主要技术及实现 （1）地址映像 1）直接地址映像 直接地址映像是最简单的映像方法，利用“模取余”的方法实现。 采用直接地址映像时，主存的每个数据块只允许存放到Cache中的一个特定的槽中。 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 2. 高速缓冲存储器Cache中所采用的主要技术及实现 （1）地址映像 1）直接地址映像 地址映像的算法公式为: S=A mod C S为Cache中的槽号; A为主存地址中数据块的编号; C为Cache中槽的总数。 优点是硬件简单，制造成本低。 缺点是每个主存块只能固定地存放到Cache中特定的槽中，缺少灵活性，Cache的利用率很低。 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 2. 高速缓冲存储器Cache中所采用的主要技术及实现 （1）地址映像 2）全相联地址映像 针对直接地址映像方法的缺点一Cache利用率低、命中率低和灵活性差，可采用全相连地址映像加以解决。在全相连方法中，每个主存块允许存放到Cache中的任何一个槽中。 优点是主存数据块能灵活地写入Cache中的任何一个槽中，数据块之间的冲突小，命中率高，Cache的空间利用率高。 缺点就是逻辑电路的设计十分复杂，制造成本高。 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 2. 高速缓冲存储器Cache中所采用的主要技术及实现 （1）地址映像 3）组相连地址映像 组相连地址映像方法是直接地址映像和全相连地址映像的折中方法。它把Cache中的所有槽号分成若干组，每组又包含若干个槽号。 当主存数据块读入Cache中时，首先要找该数据块在Cache中的槽的组号，然后进行组内译码找到确切的槽号，最后进行数据块内的译码工作，进而找到相应的数据单元。 新知讲授 四 数据块之间的替换 当一个新的主存块要写入Cache中已有数据块占用的槽号时，就存在数据块之间的替换问题。 对于直接地址映像，只有一种选择，即直接替换特定槽中已有的旧数据块。 对于全相连和组相连地址映像，就要综合考虑从允许替换的多个槽号中替换哪一个最合理的问题。 新知讲授 四 （一）高速缓冲存储器 2. 高速缓冲存储器Cache中所采用的主要技术及实现 （2）换算法 1）近期最少使用的算法(LRU) 该替换算法总是替换掉Cache中最长时间没有用过的数据块，这种算法的核心思想同样利用了程序访问的局部性原理。 近期概率 新知讲授 四 （一）高速缓