4.4.1- 高速缓冲存储器（教案）-《计算机原理》同步教学（电子工业出版社第3版）

教案 编号：PTGZ-289 流水号：056 （首页）共 4页 课程 《计算机原理》 一体化 理论 章节（课题）及内容 高速缓冲存储器 班级日期 中职 2024.04 授课方式 讲授与任务驱动相结合 课时 1 作业题数 1 拟用时间 40分钟 教学目标 使学生理解以下理论知识： · 了解高速缓冲存储器（Cache）的基本概念和工作原理。 · 掌握高速缓冲存储器的地址映射方式和替换算法。 · 分析高速缓冲存储器对计算机性能的影响。 教学资源准备 多媒体设备 课本教材 学生练习素材 教学重点 1. 高速缓冲存储器的基本概念和工作原理。 2. 高速缓冲存储器的地址映射方式和替换算法。 教学难点 1. 如何理解高速缓冲存储器的工作原理和地址映射方式。 2. 如何分析高速缓冲存储器对计算机性能的影响。 教学方法 讲授法、任务驱动法、演示法、体验探究法等。 1. 直观展示法：通过电路图和时序图直观展示高速缓冲存储器的结构和工作原理。 2. 对比分析法：对比高速缓冲存储器与其他存储器（如主存、外存）的特性和性能。 3. 案例分析法：结合具体的计算机系统应用案例，分析高速缓冲存储器的实际应用。 授课教师： 审阅签名： 教学过程 教学活动内容 时间分配教学方法 课前导入 1. 提问引导：大家知道计算机中的存储器有哪些种类吗？它们各自的特点是什么？ 2. 背景介绍：简要介绍计算机存储器的发展历程，引出高速缓冲存储器的概念。 2分钟 讲授新课 练习指导 · 高速缓冲存储器的基本概念 · · 介绍高速缓冲存储器的定义，以及它在计算机系统中的作用。 · 分析高速缓冲存储器与主存之间的关系。 · 高速缓冲存储器的工作原理 · · 阐述高速缓冲存储器的基本工作原理，包括命中与缺失的概念。 · 解释高速缓冲存储器如何提高计算机系统的性能。 · 高速缓冲存储器的地址映射方式 · · 介绍直接映射、全相联映射和组相联映射三种地址映射方式。 · 分析每种映射方式的优缺点。 高速缓冲存储器（Cache）是一种位于中央处理器（CPU）和主存储器（RAM）之间的高速小容量存储器。它在计算机存储系统的层次结构中构成一级存储器，与主存储器一起工作。 Cache的基本工作原理如下： 1. **地址映射**：主存储器被划分为若干行，每行进一步划分为若干组。高速缓冲存储器也采用相同的行和列结构，但行数较少。当CPU存取主存储器时，硬件首先对地址的列号字段进行译码，然后与高速缓冲存储器中相应列的所有行号进行比较。如果有匹配的行号，表示要访问的数据已经在Cache中，称为“命中”。否则，称为“脱靶”。 2. **数据调入与替换**：如果命中，CPU可以直接从Cache中读取数据。如果脱靶，硬件将主存储器中对应的数据组调入Cache中的空位置。同时，硬件将该组在主存储器中的行号存入Cache中的联想存储器单元。当Cache已满且需要调入新数据时，根据替换算法（如最近最少使用法、先进先出法或随机法）选择一个旧数据组进行替换。 3. **写操作处理**：对于写操作，有两种处理方式：写直达法和写回法。写直达法是指同时写入主存储器和Cache，而写回法是指只写入Cache并标记该组已修改。当需要淘汰Cache中的数据组时，写回法需要将修改过的数据写回主存储器。 Cache的性能通常用命中率来衡量，即CPU访问的数据在Cache中命中的比例。命中率越高，表示Cache的效率越高，CPU访问主存储器的次数越少，系统性能越好。 在计算机系统中，高速缓冲存储器（Cache）的地址映射方式和替换算法是其工作原理的重要组成部分 1. **地址映射方式**： - **直接映射**：直接映射是最简单的地址映射方式，主存储器的每一行都映射到Cache的一行。例如，如果Cache有4行，主存储器的每4行都映射到Cache的一行。这种方式的优点是简单，但缺点是Cache的利用率较低，因为不同的主存储器行可能映射到同一个Cache行，导致Cache行的争用。 - **全相联映射**：全相联映射是指主存储器的每一行都可以映射到Cache的任意一行。这种方式的优点是Cache的利用率较高，但缺点是需要更复杂的硬件来实现地址映射和替换。 - **组相联映射**：组相联映射是介于直接映射和全相联映射之间的一种方式，主存储器的每一组都映射到Cache的一组。例如，如果Cache有4组，主存储器的每4组都映射到Cache的一组。这种方式的优点是既能提高Cache的利用率，又不需要像全相联映射那样复杂的硬件。 2. **替换算法**：