Cache 与辅助存储器 @

Cache 概述 @

为什么使用 Cache？ @

  • 避免 CPU”空等”现象
  • CPU 和主存(DRAM)的速度差异

  • 程序访问的局部性原理

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。缓存的块远远小于主存的块，如果主存要和 Cache 映射，那么至少要保证主存中每块大小应与 Cache 中每块大小相同。

每个字块包含 N 个字，主存的地址应该分成两部分，一部分用来寻找某个字块，另一部分用来寻找该字块中的字或字节。

命中与未命中 @

缓存共有 C 块，主存共有 M 块，M»C.

  • 命中: 主存块调入缓存，主存块与缓存块 建立了对应关系。
  • 未命中: 主存块未调入缓存，主存块与缓存块未建立对应关系。

用标记记录与某缓存块建立了对应关系的主存块号。

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。
  • IBM370/168，4 体交叉，块长取 4 个存储字，一个存储字 64 位，一次取 256 位。

Cache-主存系统的效率 @

效率 e 与命中率有关，e=访问 Cache 的时间/平均访问时间 100%。 _设 Cache 命中率为 h，访问 Cache 的时间为 tc，访问主存的时间为 tm，则 e=tc/h_tc+(1-h)_tm_100%.

Cache 的基本结构 @

Cache 的读写操作 @

读操作 @

写操作 @

  • 写直达法(Write-through) 写操作时数据既写入 Cache，又写入主存。 写操作时间就是访问主存的时间，Cache 块退出时，不需要对主存执行写操作，更新策略比较容易实现。
  • 写回法(Write-back) 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 Cache 的时间，Cache 块退出时，被替换的块需写回主存 ，增加了 Cache 的复杂性。

Cache 的改进 @

  1. 增加 Cache 的级数，如片载(片内)Cache,片外 Cache。
  2. 统一缓存和分立缓存，冯诺依曼结构将指令 Cache 和数据 Cache 统一整合，现在计算机可以将指令 Cache 与数据 Cache 分开，这个方式与指令执行的控制方式有关。
  3. Pentium，8K 指令 Cache，8K 数据 Cache。
  4. PowerPC620，32K 指令 Cache，32K 数据 Cache。

Cache-主存的地址映射 @

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 i 只能和一个缓存块对应

全相联映射 @

主存中的任一块可以映射到缓存中的任一块

组相联映射 @

某一主存块 j 按模 Q 映射到缓存的第 i 组中的任一块，当组相联只有一组时，此时组相联映射等同于全相联映射，当每组只有一块时，此时组相联映射等同于直接映射。

替换算法 @

  1. 先进先出(FIFO)算法
  2. 近期最少使用(LRU)算法

小结 @

  • 直接，某一主存块只能固定映射到某一缓存块
  • 全相联，某一主存块能映射到任一缓存块
  • 组相联，某一主存块只能映射到某一缓存组中的任一块

辅助存储器 @

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

    • 记录密度，道密度 Dt，位密度 Db
    • 存储容量，C=n_k_s
    • 平均寻址时间，寻道时间 + 等待时间
      • 辅存的速度
        • 寻址时间
        • 磁头读写时间
    • 数据传输率，Dr=Db*V
    • 误码率，出错信息位数与读出信息的总位数之比。

磁记录原理和记录方式 @

磁记录写原理 @

磁记录读原理 @

硬磁盘存储器 @

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

硬磁盘存储器结构 @

  1. 磁盘驱动器

  1. 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
    • 磁盘控制器是主机和磁盘驱动器之间的接口
      • 对主机，通过总线
      • 对硬盘(设备)

  2. 盘片 由硬质铝合金材料制成

软磁盘存储器 @

概述 @

软盘片 @

光盘存储器 @

概述 @

采用光存储技术，利用激光写入和读出

  • 第一代光存储技术，采用非磁性介质，不可擦写
  • 第二代光存储技术，采用磁性介质，可擦写

光盘的存储原理 @

只读型和只写一次型—热作用(物理或化学变化)

可擦写光盘—热磁效应