第6章存儲(chǔ)器及管理技術(shù)

1、第第6 6章章 6.1 存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器管理體系采用的是一種層次結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器管理體系采用的是一種層次結(jié)構(gòu)，它的最頂層的、與它的最頂層的、與CPUCPU聯(lián)系最密切的存儲(chǔ)部件是微處理聯(lián)系最密切的存儲(chǔ)部件是微處理器內(nèi)部的寄存器。然后，就是一級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器器內(nèi)部的寄存器。然后，就是一級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器L1L1，二級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器二級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器L2L2。接下來(lái)的就是微處理器必須。接下來(lái)的就是微處理器必須配置的主存儲(chǔ)器，它們都是微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部存儲(chǔ)器。配置的主存儲(chǔ)器，它們都是微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部存儲(chǔ)器。再下一個(gè)層次的存儲(chǔ)器就是外部存儲(chǔ)器，通常是硬盤(pán)、再下一個(gè)層次的存儲(chǔ)器就是外部存儲(chǔ)

2、器，通常是硬盤(pán)、光盤(pán)等光盤(pán)等，如圖，如圖 CPU 寄存器組一級(jí)Cache 二級(jí)Cache 主存儲(chǔ)器 外部 存儲(chǔ)器 所謂存儲(chǔ)管理，其實(shí)是一個(gè)硬件機(jī)制，由于它的存在可以讓操作系統(tǒng)為眾多運(yùn)行的程序創(chuàng)造一個(gè)便于管理的和諧的存儲(chǔ)環(huán)境。 通過(guò)微處理器的總線訪問(wèn)的存儲(chǔ)器叫做物理存儲(chǔ)器。它是由一系列的（由8位二進(jìn)制的）字節(jié)組成的，而且給每一個(gè)字節(jié)都分配了一個(gè)惟一地址，把這種地址稱之為物理地址。像Pentium可訪問(wèn)的物理存儲(chǔ)器的范圍為4GB（232 1）。 Pentium微處理器片內(nèi)存儲(chǔ)管理部件負(fù)責(zé)對(duì)物理存儲(chǔ)器實(shí)施安全可靠且行之有效的存儲(chǔ)管理操作。 6.2 6.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 1. 內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存

3、儲(chǔ)器 內(nèi)存儲(chǔ)器是指微機(jī)系統(tǒng)中存放程序和數(shù)據(jù)的部件，是CPU能直接進(jìn)行存取操作的部件，它是由一組或多組具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、以及能進(jìn)行讀寫(xiě)操作的大規(guī)模集成電路組成。內(nèi)存儲(chǔ)器條。2. 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM RAM是一種既能讀出也能寫(xiě)入的存儲(chǔ)器，它適合于存放用戶程序和數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@類信息是經(jīng)常變化的 RAM有3個(gè)特點(diǎn) 可以讀出,也可以寫(xiě)入 讀出時(shí)并不損壞所存儲(chǔ)的內(nèi)容 只有在寫(xiě)入時(shí)才修改原來(lái)所存儲(chǔ)的內(nèi)容 所謂隨機(jī)存取,意味著存取任一單元所需的時(shí)間相同 因?yàn)榇鎯?chǔ)單元排成二維陣列 就象通過(guò)X Y兩個(gè)坐標(biāo)就能確定一個(gè)點(diǎn)那樣 當(dāng)斷電后,存儲(chǔ)的內(nèi)容立即消失,又稱為NOVRAM( Nonvolatile

4、RAM )或NVRAM RAM的分類的分類 在RAM中，又被分為雙極性RAM、和MOS RAM這樣兩大類。 （1）雙極性RAM （2） MOS RAM SRAM （Static RAM，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器） SRAM的運(yùn)行速度非?？?，像CPU內(nèi)的一級(jí)、二級(jí)緩沖存儲(chǔ)器就使用了SRAM，其運(yùn)行頻率與CPU的時(shí)鐘同步。SRAM高速度的特點(diǎn)，對(duì)提高系統(tǒng)性能非常有利，但價(jià)格較貴。 DRAM（Dynamic RAM，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）3只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器(Read Only Memory) 常用的只讀存儲(chǔ)器又分成以下幾類： （1） ROM：一般由生產(chǎn)廠家把編好的程序固化在ROM中。 （2） PROM：是可編程

5、只讀存儲(chǔ)器(Programmable Read Only Memory), 它與ROM的性能一樣 存儲(chǔ)的程序在處理過(guò)程不會(huì)丟失,也不會(huì)被替換 （3）EPROM：可擦除的ROM 這是一種可由用戶編程并可擦除的ROM。存放在EPROM中的信息可以擦除，然后再寫(xiě)入，且能多次改寫(xiě)其中的內(nèi)容，只是寫(xiě)入速度較慢 （4）EEPROM：電可擦除可重寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器（或E2PROM）。也叫“電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM” 、或被稱之為EAROM，是電可擦除PROM、或電可改寫(xiě)ROM。 （5）閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory） 閃速存儲(chǔ)器是一種特殊類型的EEPROM類的存儲(chǔ)器，是目前較理想的一類存儲(chǔ)器，具有

6、密度高、讀/寫(xiě)速度快、成本低和不易丟失的特點(diǎn)。Flash的主要優(yōu)點(diǎn)是： 不易丟失性： 相比于SRAM，F(xiàn)lash不需后備電源來(lái)保持信息。 易更新性：與EEPROM相比，F(xiàn)lash的成本更低，密度和可靠性更高。4內(nèi)存儲(chǔ)器條內(nèi)存儲(chǔ)器條 內(nèi)存儲(chǔ)器條是微機(jī)系統(tǒng)用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的實(shí)際存儲(chǔ)器，主要有兩種類型： （1）第一種是單邊直插式存儲(chǔ)器模塊SIMM（Single Inline Memory Module），早期的30線、72線的內(nèi)存儲(chǔ)器條屬于這種類型。 72線內(nèi)存儲(chǔ)器條多用在80486、早期的Pentium微處理器上，其容量有4MB、8MB、16MB和32MB等，可提供32位有效數(shù)據(jù)位。 （2）第二

7、種是雙邊直插式存儲(chǔ)器模塊DIMM（Double Inline Memory Module），像168線的SDRAM和184線的DDR SDRAM內(nèi)存儲(chǔ)器條屬于這種類型。5. 內(nèi)存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)內(nèi)存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo) 內(nèi)存儲(chǔ)器容量：內(nèi)存儲(chǔ)器容量： 即內(nèi)存儲(chǔ)器所能容納的字節(jié)總數(shù)； 存取速度：存取速度： 即從內(nèi)存儲(chǔ)單元中將二進(jìn)制信息讀出到存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器中（或反之）所需的時(shí)間； 存儲(chǔ)器的可靠性存儲(chǔ)器的可靠性： 用平均無(wú)故障時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)表征，即兩次故障之間的平均時(shí)間間隔； 性能價(jià)格比。性能價(jià)格比。 5.3 5.3 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù) 1. 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù) (1) 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)

8、器 虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)是使程序所用的存儲(chǔ)容量，不取決于實(shí)際隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM容量，程序可以運(yùn)行在比實(shí)際存儲(chǔ)器大得多的存儲(chǔ)器上的一種方法 在虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，磁盤(pán)成了事實(shí)上的主存儲(chǔ)器,而實(shí)際隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM則是變成了用來(lái)暫時(shí)存放微處理器當(dāng)前正在使用的指令代碼和數(shù)據(jù)的一個(gè)區(qū)域，在主存儲(chǔ)器內(nèi)存放的是，微處理器正在執(zhí)行的或?qū)⒁獔?zhí)行的保存在磁盤(pán)上的部分程序的拷貝。 虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)為了能把虛擬地址虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)為了能把虛擬地址( (也稱其為邏輯也稱其為邏輯地址地址) )轉(zhuǎn)換成實(shí)地址轉(zhuǎn)換成實(shí)地址( (稱物理地址稱物理地址) )，在硬件上提供了，在硬件上提供了關(guān)鍵性的技術(shù)支持。關(guān)鍵性的技術(shù)支持。 (2) (2) 虛擬存儲(chǔ)

9、方案虛擬存儲(chǔ)方案 就目前的虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，虛擬存儲(chǔ)方案有如下三種: 分段存儲(chǔ)方案，即把虛擬存儲(chǔ)器分成大小可以變化的若干個(gè)段； 分頁(yè)存儲(chǔ)方案，這種方案是把虛擬存儲(chǔ)器分成大小固定的若干個(gè)頁(yè)； 混合方案,是在大小可以變化的段的基礎(chǔ)上，再把段細(xì)分成大小固定的若干個(gè)頁(yè) 2 2 分段存儲(chǔ)管理技術(shù)分段存儲(chǔ)管理技術(shù) (1) Pentium實(shí)施的分段存儲(chǔ)管理技術(shù)實(shí)施的分段存儲(chǔ)管理技術(shù) 存儲(chǔ)管理是由分段存儲(chǔ)管理和分頁(yè)存儲(chǔ)管理組成，分段存儲(chǔ)管理模式是建立在可靠性和高性能的基礎(chǔ)之上的一項(xiàng)管理技術(shù)。所謂分段，就是將Pentium的4GB的存儲(chǔ)空間分成若干個(gè)各自獨(dú)立的被保護(hù)的地址空間。每一個(gè)應(yīng)用程序都可以使用若干個(gè)大小不等

10、的段。 分段部件是一種可以提供多個(gè)各自獨(dú)立地址空間的機(jī)構(gòu)。所以段實(shí)際上就是一個(gè)獨(dú)立的被保護(hù)的地址空間。 (2) 段信息的流程段信息的流程 分段需要的操作步驟、分段操作過(guò)程、及幾個(gè)需要知道的基本概念和技術(shù)術(shù)語(yǔ)。 分段所需要的操作過(guò)程，是由Pentium的存儲(chǔ)管理（即分段部件和分頁(yè)部件）負(fù)責(zé)控制執(zhí)行。 Pentium器配備有6個(gè)16位的段寄存器，與80386的6個(gè)16位的段寄存器同宗、同名、同功能。段寄存器的另一種稱呼叫段選擇符。 在段寄存器內(nèi)存放的信息表示的就是段選擇符的信息，用這個(gè)段選擇符的信息，可以從兩個(gè)段描述符表中的其中一個(gè)之中，找出這個(gè)段的描述符信息。從段寄存器上的信息，到得到段描述符的

11、信息的過(guò)程，可用一個(gè)如下的流程圖表示之。段寄存器段選擇符段描述符表段描述符 段寄存器段寄存器 段寄存器上的信息是用來(lái)說(shuō)明本次指示的是6種段中的哪一類段（是代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段）。 段選擇符段選擇符 由于存放在段寄存器上的內(nèi)容，實(shí)際上是段的選擇符信息，它指明了本次段選擇符上的內(nèi)容所指示著的段描述符，是在兩個(gè)段描述符表中的哪一個(gè)之中。為更清楚說(shuō)明問(wèn)題起見(jiàn)，圖中展示出段寄存器（段選擇符）的結(jié)構(gòu)。 圖中符號(hào)說(shuō)明: 1. 位0位1 (RPL)；請(qǐng)求特權(quán)級(jí)字段 RPL=00 表示最高特權(quán)級(jí) RPL=11 表示最低特權(quán)級(jí) 2. 位2( Ti)；字段是指示符字段 Ti=0 指向全局描述符表 Ti=1 指向局

12、部描述符表 3. 位15位3； 索引字段 索 引 字 段 012315RPLTi 段描述符表段描述符表 段描述符表，是用來(lái)段描述符表，是用來(lái)保存段描述符的地方。保存段描述符的地方。也就是說(shuō)，段描述符表也就是說(shuō)，段描述符表是由各種段（代碼段、是由各種段（代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段、附加數(shù)據(jù)段、堆棧段、附加數(shù)據(jù)段）的描述符組成數(shù)據(jù)段）的描述符組成。 Pentium配備的段描述表為兩個(gè)表，其一叫全局描述符表GDT，另一個(gè)則叫局部描述符表LDT，如圖所示。全局描述符表是供系統(tǒng)中所有程序使用的。而局部描述符表是供各自運(yùn)行程序使用的。 Ti RPL段界限基地址段界限基地址訪問(wèn)控制局部描述符表全局描述符表Ti=

13、1Ti=0段選擇符01215局部描述符表寄存器LDTR全局描述符表寄存器GDTR 段描述符段描述符 圖展示出了一個(gè)Pentium使用的段描述符，它是由8個(gè)字節(jié)（64位）組成。 07811 109121314151619202122232431段界限 15 00基地址15 00段界限19 16基地址2316基地址3124DPL類型AVLD/B0GPS段描述符符號(hào)說(shuō)明： AVL 通過(guò)系統(tǒng)軟件可以使用 DPL 描述符特權(quán)級(jí) D/B 缺省操作數(shù)大小尺寸 （0=16位的段， 1=32位的段 G 粒位 P 段存在位 S 描述符類型（0=系統(tǒng)級(jí)， 1=應(yīng)用級(jí)） 類型 段的類型 基地址 段的基地址(3) 分段

14、部件的轉(zhuǎn)分段部件的轉(zhuǎn)換操作換操作 系統(tǒng)給出的地址以及程序給定的地址都是邏輯地址，段選擇符內(nèi)容再加上這個(gè)段的偏移量，被Pentium當(dāng)成一個(gè)邏輯地址處理。 邏輯地址也稱為虛擬地址。這是因?yàn)樗且粋€(gè)只有應(yīng)用程序才能看到的地址。經(jīng)過(guò)分段部件的操作之后，其結(jié)果是經(jīng)由分段部件將邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址。16位段選擇符 32位的偏移量 3122211211048位的邏輯地址32位基地址 段描述符 描述符表311500線性地址偏移量頁(yè)表頁(yè)目錄3. 分頁(yè)存儲(chǔ)管理技術(shù)分頁(yè)存儲(chǔ)管理技術(shù) （1）分頁(yè)存儲(chǔ)管理）分頁(yè)存儲(chǔ)管理 分頁(yè)存儲(chǔ)管理是Pentium的另一種形式的存儲(chǔ)管理模式。是用一種規(guī)模、容量相對(duì)說(shuō)來(lái)比較小的存儲(chǔ)器

15、空間和磁盤(pán)，去模擬一個(gè)大容量的不分段的存儲(chǔ)空間。 Pentium的分頁(yè)部件為訪問(wèn)比實(shí)際用存儲(chǔ)空間還要大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供了一種技術(shù)支持，具體做法就是，將這個(gè)大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一部分保存在存儲(chǔ)器中，而將另一部分保存在磁盤(pán)存儲(chǔ)器中。 Pentium是將4KB地址空間定義為一個(gè)頁(yè)。分頁(yè)部件可將線性地址空間分成若干大小為4KB的被稱之為頁(yè)的存儲(chǔ)模塊。邏輯地址空間首先經(jīng)分段部件轉(zhuǎn)換成線性地址空間，然后再將線性地址空間轉(zhuǎn)換成一定數(shù)量的頁(yè)。（2） 分頁(yè)步驟分頁(yè)步驟 48位的邏輯地址經(jīng)分段部件之后，就被轉(zhuǎn)換成了32位的線性地址。如果不分頁(yè)，此時(shí)的線性地址就是物理地址。如果需要分頁(yè)，則要經(jīng)分頁(yè)部件，再將32位的線性地址轉(zhuǎn)

16、換成物理地址，這是分頁(yè)部件的職責(zé)。 分頁(yè)的基礎(chǔ) 48位的邏輯地址經(jīng)分段部件之后，要先被轉(zhuǎn)換成32位的線性地址。 允許分頁(yè) Pentium的控制寄存器CRO的位31（PG位）是允許分頁(yè)控制位，若將控制寄存器CRO的位31置成1，才表示分頁(yè)機(jī)構(gòu)允許分頁(yè)。 線性地址的結(jié)構(gòu) 下圖展示出線性地址的結(jié)構(gòu)。32位的線性地址被進(jìn)一步分成3個(gè)字段，其中高端10位（位31位22）是頁(yè)目錄索引字段，中間的10位（位21位12）是頁(yè)表索引字段。而剩下的低端12位字段，所表示的則是一個(gè)存儲(chǔ)器頁(yè)內(nèi)的4KB個(gè)地址。 頁(yè)目錄索引 頁(yè)表索引 偏移量01112213122頁(yè)目錄 線性地址中的高端10位（位31位22）是頁(yè)目錄索引

17、字段，10位的頁(yè)目錄最多可以索引、定位1024個(gè)頁(yè)目錄項(xiàng)。也就是說(shuō)，頁(yè)目錄是由1024個(gè)頁(yè)目錄項(xiàng)組成。頁(yè)表 線性地址的中間10位（位21位12）是頁(yè)表索引字段，10位的頁(yè)表最多可以索引、定位1024個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。也就是說(shuō)，頁(yè)表是由1024個(gè)頁(yè)表項(xiàng)組成。 由于10位的頁(yè)目錄最多可以索引、定位1024個(gè)頁(yè)目錄項(xiàng)，而10位的頁(yè)表最多可以索引、定位1024個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。這樣線性地址的高端20位，就可以索引、定位1M個(gè)頁(yè)地址（即10241024=1M頁(yè)）。 存儲(chǔ)器頁(yè) Pentium約定，把4KB大小的存儲(chǔ)器空間規(guī)定成一個(gè)頁(yè)。所以，Pentium的4GB的存儲(chǔ)器空間可以分成1M個(gè)頁(yè)（即4GB/4KB=1M）。（3

18、） 分頁(yè)部件的轉(zhuǎn)換操作分頁(yè)部件的轉(zhuǎn)換操作 系統(tǒng)給出的地址以及程序給定的地址都是邏輯地址，經(jīng)過(guò)分段部件的操作之后是將邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址。分頁(yè)部件的作用就是將線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址。 下面說(shuō)明分頁(yè)部件的轉(zhuǎn)換操作的條件和步驟： 允許分頁(yè)位允許分頁(yè)位 Pentium的控制寄存器CRO的位31（PG位）是允許分頁(yè)控制位，若將控制寄存器CRO的位31置成1，則表示分頁(yè)機(jī)構(gòu)允許分頁(yè)。 線性地址的轉(zhuǎn)換線性地址的轉(zhuǎn)換 圖中所展示出的是，Pentium怎樣用兩級(jí)頁(yè)表，將線性地址字段中的頁(yè)目錄索引字段、頁(yè)表索引字段以及偏移量字段轉(zhuǎn)換成物理地址的。 32位線性地址存儲(chǔ)器頁(yè)頁(yè)表頁(yè)目錄頁(yè)目錄項(xiàng)頁(yè)表項(xiàng)操作數(shù)12 112

19、2 21310頁(yè)目錄索引頁(yè)表索引偏移量 頁(yè)表頁(yè)表 所謂頁(yè)表，實(shí)際上是由若干個(gè)大小為所謂頁(yè)表，實(shí)際上是由若干個(gè)大小為32位（位（4個(gè)字節(jié)）的頁(yè)表項(xiàng)組成的一個(gè)陣個(gè)字節(jié)）的頁(yè)表項(xiàng)組成的一個(gè)陣列。頁(yè)表本身也是一個(gè)頁(yè)，其規(guī)模大小為列。頁(yè)表本身也是一個(gè)頁(yè)，其規(guī)模大小為4096個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，所以其內(nèi)最多可個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，所以其內(nèi)最多可保存保存1K個(gè)個(gè)32位的頁(yè)表項(xiàng)，如上圖。位的頁(yè)表項(xiàng)，如上圖。 在這種在這種4KB的頁(yè)內(nèi)當(dāng)然也保存著頁(yè)目錄的頁(yè)內(nèi)當(dāng)然也保存著頁(yè)目錄項(xiàng)、頁(yè)表項(xiàng)。項(xiàng)、頁(yè)表項(xiàng)。 頁(yè)表項(xiàng)頁(yè)表項(xiàng) 兩級(jí)頁(yè)表中，雖頁(yè)表項(xiàng)和頁(yè)目錄項(xiàng)的內(nèi)容不同，但頁(yè)表項(xiàng)的格式卻是一樣的（頁(yè)目錄內(nèi)缺少臟位這種情況除外）。圖中

20、展示出了頁(yè)表項(xiàng)的格式。頁(yè)目錄中的臟位D(Dirty)位保留供將來(lái)用。0132456789113112頁(yè)框地址3112PWUAD00PWTPCDAVAIL系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可用可寫(xiě)存在用戶頁(yè)透明寫(xiě)頁(yè)Cache禁止存取操作臟位保留 6 64 4 高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器CacheCache （1 1）存儲(chǔ)器系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)）存儲(chǔ)器系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)是由幾種容量大小、存取速度、性能價(jià)格、在微機(jī)系統(tǒng)中所處的位置等均有所不同的存儲(chǔ)器組成。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器管理體系采用的是一種層次結(jié)構(gòu) 1.它的最頂層的、與CPU聯(lián)系最密切的存儲(chǔ)部件是微處理器內(nèi)部的寄存器。然后，就是配置在CPU芯片內(nèi)一級(jí)Cache L

21、1。 2.在Pentium II等高檔的微處理器芯片內(nèi)，增配了二級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器Cache L2。 3. 而在Pentium 4等更高檔的微處理器芯片內(nèi)，甚至又新增配了三級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器Cache L3。 CPU 寄存器組 一級(jí) Cache L1 主存儲(chǔ)器（物理存儲(chǔ)器）外部存儲(chǔ)器（虛擬存儲(chǔ)器）三級(jí)Cache L3二級(jí)Cache L2 4.接下來(lái)的就是微處理器必須配置的主存儲(chǔ)器（也被稱之為物理存儲(chǔ)器），通常是由動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM組成。 5.再下一個(gè)層次的存儲(chǔ)器就是外部存儲(chǔ)器（也叫虛擬存儲(chǔ)器），通常是硬盤(pán)、光盤(pán)等 （2） Cache 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 Cache存儲(chǔ)器是一種高速的，但其規(guī)模大小相對(duì)

22、于主存儲(chǔ)器而言又是比較小的位于處理器和操作速度比較低的主存儲(chǔ)器之間的一種存儲(chǔ)設(shè)備，其內(nèi)保存的是目前處理器正在使用的主存儲(chǔ)器的副本，處理器使用Cache 可以快速地從其內(nèi)取得所需的指令和數(shù)據(jù)。由于裝備有Cache，相應(yīng)地減少了訪問(wèn)主存儲(chǔ)器的次數(shù).（3）Cache 的作用和有效性的作用和有效性 Cache存儲(chǔ)器的作用和有效性表現(xiàn)在：微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的Cache存儲(chǔ)器，確實(shí)擁有保存微處理器當(dāng)前經(jīng)常使用的指令和數(shù)據(jù)的能力，而且還具有存取速度快、命中率高的特點(diǎn)，這些特征充分表現(xiàn)出Cache技術(shù)的有效性。 說(shuō)明Cache 有效性的另一個(gè)重要標(biāo)志是微機(jī)系統(tǒng)的性能。在正常情況下，由于訪問(wèn)Cache 的速度要比訪問(wèn)主

23、存儲(chǔ)器的速度快38倍。這樣就明顯地增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)性能。（4 4）局部性原理）局部性原理 為使Cache 更加有效，要求程序有高度的暫時(shí)性和局部性。配備Cache的基礎(chǔ)是基于程序訪問(wèn)的局部性原理，即要被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)大多集中在存儲(chǔ)器的某個(gè)局部區(qū)域。從程序執(zhí)行的過(guò)程上來(lái)說(shuō)，它不可能長(zhǎng)時(shí)間地僅執(zhí)行位于存儲(chǔ)器內(nèi)某個(gè)局部區(qū)域中的某一段程序，被執(zhí)行的程序段有可能會(huì)隨著程序的結(jié)構(gòu)被更換，但在短時(shí)間內(nèi)CPU訪問(wèn)的程序段還是固定的幾個(gè)程序段。 研究表明，大部分程序都是串行的、順序執(zhí)行的，除分支轉(zhuǎn)移指令和調(diào)用指令外，在大多數(shù)情況下，下一次要取的指令往往是緊跟著上一次剛?cè)〉哪且粭l指令。 圖中展示出了Cache 中內(nèi)容相

24、對(duì)于主存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)是暫時(shí)的和局部的。CPUloop 主存儲(chǔ)器地址總線Cache控制控制loop數(shù)據(jù)總線（5） Cache 存儲(chǔ)器數(shù)目和容量存儲(chǔ)器數(shù)目和容量 Pentium芯片內(nèi)采用的是指令Cache和數(shù)據(jù)Cache各自獨(dú)立、各為一體的分離式分離式Cache。也就是說(shuō)，Pentium配備有兩個(gè)Cache，一個(gè)是指令Cache，另一個(gè)是數(shù)據(jù)Cache。在指令Cache內(nèi)，只是存放目前CPU正在執(zhí)行的程序指令。而在數(shù)據(jù)Cache內(nèi)，則僅僅存放目前CPU正在執(zhí)行的程序所需要的數(shù)據(jù)。 目前已經(jīng)達(dá)到了三級(jí)Cache 。分別是一級(jí)Cache L1，二級(jí)Cache L2，三級(jí)Cache L3。3Cache 存儲(chǔ)

25、器性能存儲(chǔ)器性能 （1）命中率（）命中率（Hit rate） Cache 存儲(chǔ)器的性能主要表現(xiàn)在Cache命中率的高低、和不命中率頻率上。當(dāng)CPU欲訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，首先會(huì)到Cache內(nèi)尋找本次操作所需的數(shù)據(jù)。若這時(shí)欲尋找的數(shù)據(jù)保存在Cache內(nèi)，本次訪問(wèn)Cache的操作就叫作命中。否則，則稱之為不命中。 （2）影響）影響Cache 性能的因素性能的因素 影響Cache 性能的因素有很多 Cache 規(guī)模大小規(guī)模大小 締合方式締合方式(Associaivity) Cache 行大小行大小 寫(xiě)回和記入式寫(xiě)寫(xiě)回和記入式寫(xiě) 配置配置（3） Cache 大小規(guī)模和性能大小規(guī)模和性能 表中列出了各種配置的一

26、級(jí)Cache 命中率。表中所列這些統(tǒng)計(jì)數(shù)字還是比較保守的數(shù)字，這是因?yàn)檫@些數(shù)字是通過(guò)分析大量的主機(jī)運(yùn)行情況后統(tǒng)計(jì)出的最低命中率。而且這個(gè)命中率也不是絕對(duì)數(shù)，命中率與軟件也是息息相關(guān)的。 本表的意義在于可以對(duì)各種不同配置的Cache 進(jìn)行一番比較。通過(guò)這張表，可以說(shuō)明欲使Cache 達(dá)到一定的效率，其硬件的復(fù)雜程度應(yīng)如何。表中列出的一級(jí)Cache 的命中率分別是直接映像、二路相聯(lián)以及四路相聯(lián)Cache 結(jié)構(gòu)下的命中率。 4 4 Cache Cache 存儲(chǔ)器映射存儲(chǔ)器映射1Cache締合方式締合方式 Cache 內(nèi)保存的內(nèi)容是主存儲(chǔ)器內(nèi)容的映像，是通過(guò)把主存儲(chǔ)器的地址映射到Cache 的存儲(chǔ)單元的辦法把數(shù)據(jù)和指令復(fù)制到Cache 中去的。2直接映像直接映像Cache 直接映像的Cache 是一項(xiàng)Cache交換技術(shù)，為存儲(chǔ)器中每一存儲(chǔ)器單元，對(duì)應(yīng)分配Cache中惟一的一個(gè)存儲(chǔ)單元。3二路相聯(lián)二路相聯(lián)Cache 二路相聯(lián)Cache 是N路相聯(lián)的Cache的一個(gè)特例，是全相聯(lián)