計算機的存儲代理人---高速緩沖存儲器

1、 高速緩沖存儲器一、概述1. 問題的提出避免 CPU “空等” 現(xiàn)象CPU 和主存（DRAM）的速度差異緩存CPU主存容量小速度高容量大速度低程序訪問的局部性原理For: 新聞 From: 分類信息2. Cache 的工作原理(1) 主存和緩存的編址主存和緩存按塊存儲 塊的大小相同B 為塊長 主存塊號主存儲器012m1字塊 0字塊 1字塊 M1主存塊號塊內(nèi)地址m位b位n位M塊B個字緩存塊號塊內(nèi)地址c位b位C塊B個字 字塊 0字塊 1字塊 C1012c1標(biāo)記Cache緩存塊號For: 新聞 From: 分類信息(2) 命中與未命中緩存共有 C 塊主存共有 M 塊M C主存塊 調(diào)入 緩存主存塊與緩

2、存塊 建立 了對應(yīng)關(guān)系用 標(biāo)記記錄 與某緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系的 主存塊號命中未命中主存塊與緩存塊 未建立 對應(yīng)關(guān)系主存塊 未調(diào)入 緩存For: 新聞 From: 分類信息(3) Cache 的命中率CPU 欲訪問的信息在 Cache 中的 比率命中率 與 Cache 的 容量 與 塊長 有關(guān) 一般每塊可取 4 8 個字塊長取一個存取周期內(nèi)從主存調(diào)出的信息長度 CRAY_1 16體交叉 塊長取 16 個存儲字 IBM 370/168 4體交叉 塊長取 4 個存儲字（64位4 = 256位）For: 新聞 From: 分類信息(4) Cache 主存系統(tǒng)的效率效率 e 與 命中率 有關(guān) 設(shè) Cac

3、he 命中率 為 h，訪問 Cache 的時間為 tc ， 訪問 主存 的時間為 tm 則 e = 100% tc h tc+ (1h) tm 訪問 Cache 的時間 平均訪問時間 e = 100%For: 新聞 From: 分類信息3. Cache 的基本結(jié)構(gòu)Cache替換機構(gòu)Cache存儲體主存Cache地址映射變換機構(gòu)由CPU完成For: 新聞 From: 分類信息4. Cache 的 讀寫 操作 訪問Cache取出信息送CPU 訪問主存取出信息送CPU將新的主存塊調(diào)入Cache中執(zhí)行替換算法 騰出空位 結(jié)束命中？Cache滿？CPU發(fā)出訪問地址 開始是否是否讀For: 新聞 From

4、: 分類信息Cache 和主存的一致性 4. Cache 的 讀寫 操作寫 寫直達(dá)法（Write through） 寫回法（Write back） 寫操作時數(shù)據(jù)既寫入Cache又寫入主存 寫操作時只把數(shù)據(jù)寫入 Cache 而不寫入主存當(dāng) Cache 數(shù)據(jù)被替換出去時才寫回主存 寫操作時間就是訪問主存的時間，讀操作時不涉及對主存的寫操作，更新策略比較容易實現(xiàn)寫操作時間就是訪問 Cache 的時間，讀操作 Cache 失效發(fā)生數(shù)據(jù)替換時，被替換的塊需寫回主存，增加了 Cache 的復(fù)雜性For: 新聞 From: 分類信息5. Cache 的改進(jìn)(1) 增加 Cache 的級數(shù)片載（片內(nèi)）Cach

5、e片外 Cache(2) 統(tǒng)一緩存和分立緩存指令 Cache數(shù)據(jù) Cache與主存結(jié)構(gòu)有關(guān)與指令執(zhí)行的控制方式有關(guān)是否流水Pentium 8K 指令 Cache 8K 數(shù)據(jù) CachePowerPC620 32K 指令 Cache 32K 數(shù)據(jù) CacheFor: 新聞 From: 分類信息 字塊2m1 字塊2c+1 字塊2c+11 字塊2c +1 字塊2c 字塊2c1 字塊1 字塊0主存儲體 字塊 1 標(biāo)記 字塊 0 標(biāo)記字塊 2c1標(biāo)記Cache存儲體t位012c1 字塊字塊地址 主存字 塊標(biāo)記t 位c 位b 位主存地址 比較器（t位）= 不命中有效位=1？*m位 Cache內(nèi)地址否是命中

6、二、Cache 主存的地址映射1. 直接映射每個緩存塊 i 可以和 若干 個 主存塊 對應(yīng)每個主存塊 j 只能和 一 個 緩存塊 對應(yīng)i = j mod C 字塊2c+1 字塊2c 字塊0 字塊 0For: 新聞 From: 分類信息2. 全相聯(lián)映射主存 中的 任一塊 可以映射到 緩存 中的 任一塊字塊2m1字塊2c1字塊1 字塊0字塊2c1字塊1字塊0標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記主存字塊標(biāo)記 字塊內(nèi)地址主存地址m = t + c 位b位m = t+cCache 存儲器主存儲器 字塊0For: 新聞 From: 分類信息字塊2m1字塊2c-r+1 字塊2c-r + 1 字塊2c-r字塊2c-r 字塊1 字塊0

7、 字塊 3標(biāo)記 字塊 1標(biāo)記字塊 2c1標(biāo)記 字塊 2標(biāo)記 字塊 0標(biāo)記字塊 2c2標(biāo)記 字塊內(nèi)地址組地址主存字塊標(biāo)記s = t + r 位q = cr 位b 位組012c-r1主存地址Cache主存儲器m 位共 Q 組，每組內(nèi)兩塊（r = 1)1某一主存塊 j 按模 Q 映射到 緩存 的第 i 組中的 任一塊i = j mod Q直接映射全相聯(lián)映射3. 組相聯(lián)映射 字塊0 字塊 1 字塊 0 字塊2c-r 字塊2c-r+1For: 新聞 From: 分類信息三、替換算法1. 先進(jìn)先出 （ FIFO ）算法 2. 近期最少使用（ LRU）算法小結(jié)某一 主存塊 只能固定 映射到 某一 緩存塊直接

8、全相聯(lián)組相聯(lián)某一 主存塊 能 映射到 任一 緩存塊某一 主存塊 只能 映射到 某一 緩存 組 中的 任一塊不靈活成本高For: 新聞 From: 分類信息4.4 4.4 輔助存儲器一、概述1. 特點不直接與 CPU 交換信息2. 磁表面存儲器的技術(shù)指標(biāo)道密度 Dt位密度 DbC = n k s尋道時間 + 等待時間(1) 記錄密度(2) 存儲容量(3) 平均尋址時間(4) 數(shù)據(jù)傳輸率(5) 誤碼率輔存的速度尋址時間磁頭讀寫時間Dr = Db V出錯信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比For: 新聞 From: 分類信息二、磁記錄原理和記錄方式1. 磁記錄原理寫局部磁化單元載磁體寫線圈SNI局部磁化單

9、元寫線圈SN鐵芯磁通磁層寫入“0”寫入“1”IFor: 新聞 From: 分類信息N讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運動方向運動方向ssttffee讀出 “0”讀出 “1”讀1. 磁記錄原理For: 新聞 From: 分類信息2. 磁表面存儲器的記錄方式011100010數(shù)據(jù)序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期For: 新聞 From: 分類信息例 NRZ1 的讀出代碼波形0110010數(shù)據(jù)序列驅(qū)動電流磁通變化感應(yīng)電勢同步脈沖讀出代碼For: 新聞 From: 分類信息三、硬磁盤存儲器1. 硬磁盤存儲器的類型(1) 固定磁頭和移動磁頭(2) 可換盤和固定盤2. 硬磁盤存儲器結(jié)構(gòu)磁 盤 控

10、 制 器磁 盤 驅(qū) 動 器盤 片主 機For: 新聞 From: 分類信息磁盤磁盤組主軸磁頭音圈電機位置檢測定位驅(qū)動模擬控制放大閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由磁盤控制器送來的目標(biāo)磁道信號測速輸出讀寫臂傳動機構(gòu)主軸定位驅(qū)動數(shù)據(jù)控制(1) 磁盤驅(qū)動器For: 新聞 From: 分類信息(2) 磁盤控制器 接收主機發(fā)來的命令，轉(zhuǎn)換成磁盤驅(qū)動器的控制命令 實現(xiàn)主機和驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 控制磁盤驅(qū)動器讀寫通過總線(3) 盤片對主機對硬盤（設(shè)備）磁盤控制器 是主機與磁盤驅(qū)動器之間的 接口由硬質(zhì)鋁合金材料制成For: 新聞 From: 分類信息四、軟磁盤存儲器1. 概述速度磁頭盤片價格環(huán)境硬盤軟盤高低固定、活動活動固定盤、盤組大部分不可換可換盤片苛刻浮動接觸盤片高低For: 新聞 From: 分類信息2. 軟盤片由聚酯薄膜制成保護(hù)套主軸孔實際的軟