第九讲-存储器的层次结构-part3
存储器的层次结构与作用
存储器的层次结构与作用计算机的存储器是指用于存储和获取数据以及指令的部件。
它在计算机系统中起着至关重要的作用，不仅影响着计算机的性能和功能，还直接关系到计算机体系结构的设计和优化。
存储器按照其访问速度和容量大小的差异，可以划分为多个层次，并通过不同的存储介质实现，这就是存储器的层次结构。
1. 寄存器寄存器是位于CPU内部的最快速的存储器，其容量非常有限，一般以字节为单位。
寄存器直接参与计算机指令的执行，用于暂时存放指令和数据，速度非常快，可以达到纳秒级别。
由于寄存器的速度非常高，因此在计算机体系结构中被用来存储最常使用的数据和指令，用来提高计算机的运行速度。
2. 高速缓存存储器（Cache）高速缓存存储器是位于CPU和主存之间的存储器，其作用是作为CPU和主存之间的“缓冲区”，以减少CPU访问主存的次数。
高速缓存存储器的容量相对来说比寄存器大，可以达到几十KB或者几百KB级别，但是仍然远远小于主存。
由于高速缓存存储器的访问速度比主存快得多，因此可以有效提高CPU对数据和指令的访问速度，缓解了CPU访问主存的瓶颈。
3. 主存储器（RAM）主存储器是计算机中容量最大的存储器，用来存放正在被执行的程序和数据。
主存储器的容量通常以GB为单位，其访问速度相对较慢，但是比较便宜。
主存储器是CPU和外部存储器之间的桥梁，CPU通过访问主存中的数据和指令来执行程序。
主存储器中存放的数据具有易失性，断电后数据会丢失，因此需要定期进行数据的备份和恢复。
4. 辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）辅助存储器主要指的是硬盘、固态硬盘等外部存储介质，其容量通常非常大，可以达到TB或者PB级别。
辅助存储器的访问速度相对较慢，但是可以长期保存数据，不会丢失。
辅助存储器中的数据需要通过主存储器复制到CPU中才能执行，因此访问速度较慢，但是它具有容量大、价格便宜等优点，适合存储大量的数据和程序。
存储器的层次结构可以形象地比喻为水缸和水桶的关系，寄存器和高速缓存存储器相当于水桶，容量虽然小但是访问速度快；主存储器相当于水缸，容量大但是访问速度相对较慢；辅助存储器则相当于水库，容量巨大但是访问速度最慢。
第3章 存储器层次结构
• 只读存储器(Read Only Memory，ROM)：一种对其 内容只能随机读出而不能写入的存储器 。
存放某些系统程序，专用的子程序，或用作函 数发生器、字符发生器以及微程序控制器中的控制 存储器。
2018/11/16
计算机组成与结构 第3章 存储器层次结构
4
• 串行访问存储器(Serial Access Storage, SAS):只能按
地 址 译 码 器
地址 n
存储矩阵
...
... 读/ 写 控制 读/ 写放大器 ... B0 B1 Bm-1
2018/11/16
计算机组成与结构 第3章 存储器层次结构
17
（ 1）线性译码方 式的优点是结构 简单，缺点是选 择线太多；
（ 2）双向译码方 式选择线少，结 构复杂；
址 译 码
择 驱 动
取数时间 tA ：从地址线上 的信号稳定到数据能从存 储器读出所需的最短时间
tA
tCO:从片选信号有效到数据 能被读出所需的最短时间
t CO tR
tR: 读操作所需的最 小周期，在此周期 内，地址不能改变
地址
CS
R/W D OUT
2018/11/16
计算机组成与结构 第3章 存储器层次结构
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• SRAM的写操作顺序： (1)先使地址信号和读/写信号有效,数据信号放到数据 总线上，等待； (2)上述各信号稳定后,使片选信号有效,延时一段时间, 数据被写入到相应的存储单元中； (3)撤去片选信号,延时一段时间,撤去地址信号和其它 控制信号.
某种顺序来存取，存取时间与存储单元的物理位臵
有关 . 又可分为顺序存取存储器 (Sequential Access Memory, SAM) 和 直 接 存 取 存 储 器 (Direct Access Memory, DAM)。 顺序存取存储器是完全的串行访问存储器，如磁带，
存储器的层次结构及组成原理
存储器的层次结构及组成原理一、引言存储器是计算机中非常重要的组成部分，它用于存储和读取数据。
随着计算机技术的发展，存储器也在不断地升级和改进。
存储器的层次结构是指不同类型的存储器按照速度、容量和成本等方面的差异被组织成一种层次结构。
本文将介绍存储器的层次结构及其组成原理。
二、存储器的层次结构1. 存储器分类根据存取速度不同，可将存储器分为主存（RAM）、高速缓存（Cache）、二级缓存、三级缓存等多级缓存以及辅助存储器（ROM、磁盘等）。
2. 层次结构主要分为三个层次：CPU内部高速缓冲寄存器（L1 Cache）、CPU外部高速缓冲寄存器（L2 Cache）和主内存（RAM）。
3. 层次结构优点层次结构能够充分利用各种类型的硬件设备，使得计算机系统能够更加高效地运行。
在执行指令时，CPU首先从最快的L1 Cache中查找数据，如果没有找到，则会查找L2 Cache，最后才会查找主内存。
这样的层次结构设计可以大大提高CPU访问数据的速度，减少CPU等待的时间。
三、存储器的组成原理1. 静态随机存取存储器（SRAM）SRAM是一种使用静电场来存储数据的存储器。
它由多个存储单元组成，每个单元由一个触发器和两个传输门组成。
SRAM的读写速度非常快，但是它比较昂贵，并且需要更多的电源。
2. 动态随机访问存储器（DRAM）DRAM是一种使用电容来存储数据的存储器。
它由多个存储单元组成，每个单元由一个电容和一个开关组成。
DRAM比SRAM更便宜，但是读写速度相对较慢。
3. 双倍数据率SDRAM（DDR SDRAM）DDR SDRAM是一种高速内存技术，可以在每个时钟周期传输两次数据。
这使得DDR SDRAM比普通SDRAM更快。
4. 图形双倍数据率SDRAM（GDDR SDRAM）GDDR SDRAM是一种专门为图形处理器设计的高速内存技术。
它具有更高的频率和带宽，适用于处理大量图像和视频数据。
5. 闪存闪存是一种非易失性存储器，可以在断电时保存数据。
组成原理（三）存储器的层次结构
组成原理（三）存储器的层次结构第三章存储器的层次结构3.1 存储器分类1. 按存储介质分类（1）半导体存储器：TTL，MOS，SSD。
易失（2）磁表⾯存储器：磁头，载磁体⾮易失（3）磁芯存储器：硬磁材料，环状元件⾮易失（4）光盘存储器：激光，慈光⾮易失2. 按存取⽅式（1）存取时间与物理地址⽆关（随机存取）类⽐于数据结构中的线性表数组(取数组某个元素的时间和物理地址⽆关，只和index有关)（a）随机存储器：程序执⾏过程中可读可写（b）只读存储器：程序执⾏过程中只读（2）存取时间与物理地址有关（串⾏访问）类⽐于数据结构中的链表（a）顺序存取存储器：磁带（b）直接存取存储器：磁盘（根据物理地址，直接移动磁头）3. 按在计算机中的作⽤分类（1）主存（a）RAM：操作系统被加载到RAMSRAM：（Static Random Access Memory）静态随机存储器。
常⽤制作⼆级缓存。
不必刷新电路就能保存数据。
但体积⼤，集成度低DRAM：（Dynamic Random Access Memory）动态随机存取存储器。
常⽤语制作系统内存DRAM⽤电容存储数据，需要定时充电，刷新电路，否则出处的数据丢失。
集成度⾼（b）ROM：存储机器⾃检和引导程序，BIOS等程序MROM：（Mask Read-Only Memory）掩模式只读存储器。
MROM的内容在出⼚前⼀次写⼊，之后不能更改PROM：（Programmable Read-Only Memory）－可编程只读存储器。
只能写⼊⼀次数据的只读存储器，写⼊错误只能更换存储芯⽚ EPROM：（Erasable Programmable Read Only Memory）可擦除可编程只读寄存器EEPROM： (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，电可擦可编程只读存储器。
SSD（2）辅存磁盘，磁带，光盘3.2 存储器的存储结构1. 存储结构综述（1）cpu只能和主存，cache进⾏数据交互，⽽不能直接获得辅存的数据（2）辅存的数据只能调⼊主存，不能直接进⼊缓存中。
第3章存储器层次结构-3
计算机组成原理
7
3.4.1 只读存储器
读出原理：二维译码的行线接T2的控制栅G2、列 线接T1的栅极；片选线CS为高电平时读出数据， 数据线D0有电流为1、无电流为0; 擦除原理：紫外光照射浮空删G1使得其中聚集的电 子获得足够的能量而穿越氧化层回到衬底中，这样 浮空删G1无大量电子而使晶体管导通，相当于存入 1； 擦除结果：存储器全1；
计算机组成原理 5
3.4.1 只读存储器
(2) 掩膜ROM的逻辑符号和内部逻辑框图
计算机组成原理
6
3.4.1 只读存储器
2、光擦除可编程只读存储器EPROM：可据需写入 ，当需更新时将原存储内容抹去，再写入新内容。 浮栅雪崩注入型MOS管为存储元的EPROM结构： 两个栅极G1和G2，G1没有引线、被SiO2包围构 成浮空删，G2有引线为控制删； 若漏极D加几十伏脉冲电压使沟道中的电场足够强 而造成雪崩，产生大量高能电子，此时若控制删 G2加正电压，沟道中的电子穿过氧化层而注入浮 空删G1，使得G1聚集大量电子(长期保存)；这种 情况下，MOS管的开启电压很高，即使控制删G2 为高电平，MOS管也不导通，相当于存储了0；即 ：浮空删G1有电子截止存储0，无电子导通存储1
计算机组成原理
2
3.4 只读存储器和闪速存储器
3.4.1 只读存储器ROM
1、掩膜ROM 2、可编程ROM
3.4.2 FLASH存储器
1、FLASH存储元 2、FLASH存储器的基本操作 3、FLASH存储器的阵列结构
计算机组成原理
3
3.4.1 只读存储器
只读存储器ROM：工作时只能读，不能写，存储的数据 须在工作前写入，工作可靠，保密性强，主要有两类： (1)掩模ROM：由生产厂家根据用户提供的存储内容，利 用掩膜技术把数据写入存储器中，制作完成后存储内容固 定，不可更改。 (2)可编程ROM：制作完成后，存储内容为全1或全0，用 户可根据需要，利用特殊设备将内容改写，因改写次数不 同，分一次编程PROM和多次编程EPROM、E2PROM。
存储器层次结构课件
优化成本：通过降低存储器的成 本来提高系统的性价比。例如， 使用更便宜的存储元件、优化设
计和批量生产等。
04 存储器层次结构性能评估 与优化方法
存储器层次结构性能评估指标
01
02
03
04
读取命中率
评估层次结构在读取操作中的 性能，衡量从存储器中获取所
需数据的速度和效率。
带宽
评估层次结构在数据传输方面 的性能，包括每秒传输的字节 数和每秒进行的操作次数。
存储器层次结构特点：存储器层次结构具有以下特点：1）访问速度逐层递减， 价格逐层递增；2）离CPU越近的存储器访问速度越快，价格也越高；3）离CPU 越远的存储器访问速度越慢，价格也越低。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构应用场景- 嵌入式系统
服务器和数据中心：在服务器和数据中心中，由于需要处理大量的数据 和要求，通常采用较大的存储器层次结构，如主存储器、辅助存储器和
磁盘优化
采用更高效的磁盘技术 ，如SSD、HDD等，提 高磁盘I/O性能和存储容
量。
系统优化
通过优化操作系统、文 件系统和网络协议等，
提高整体系统性能。
存储器层次结构性能提升策略
负载均衡
通过公道分配负载，避免系统 过载或空载，提高整体性能。
缓存预热
在程序运行前，将热点数据提 前加载到缓存中，提高读取命 中率。
散布式文件系统等。
个人计算机：在个人计算机中，由于需要处理多种任务和应用程序，通 常采用适中的存储器层次结构，如高速缓存、主存储器和硬盘驱动器等 。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构优化策略- 优化 访问速度
优化容量：通过增加存储容量来 满足不断增长的数据需求。例如 ，使用更大容量的硬盘驱动器、 内存模块和散布式文件系统等。
计算机存储器的层次结构
计算机存储器的层次结构计算机存储器的层次结构是一种按照速度、容量和成本等因素进行优化的层次化设计，用于满足计算机对数据存储和读写的要求。
一般情况下，计算机存储器系统包括几个主要层次：寄存器、缓存、主存和辅助存储器。
下文将详细介绍每个层次的特点和作用。
1. 寄存器（Register）：寄存器是计算机中速度最快的存储器，位于CPU内部，通常由硬件实现。
寄存器既可以存储指令，也可以存储数据。
它的特点是容量小且成本高，但读写速度非常快。
寄存器的主要作用是存储CPU当前的工作数据，如指令地址、运算结果等。
2. 缓存（Cache）：缓存是位于CPU和主存之间的高速存储器，用于解决CPU和主存之间的速度不匹配问题。
由于主存的读写速度无法满足CPU的高速计算需求，缓存可以暂时存储主存中的部分数据，以提高CPU的访问速度。
缓存分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache），一级缓存一般嵌入在CPU内部，容量较小但速度很快，而二级缓存位于CPU和主存之间，容量较大但速度稍慢。
3. 主存（Main Memory）：主存也称为内存，是计算机中用于存储数据和指令的主要存储器。
主存分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。
随机存储器是一种易失性存储器，具有读写功能，其内容在断电后会丢失。
而只读存储器是一种不可擦写、只读的存储器，用于存储固定不变的数据和程序。
主存的特点是容量大但速度较慢，价格适中。
4. 辅助存储器（Auxiliary Storage）：辅助存储器通常是指硬盘、光盘等外部的大容量存储介质。
与主存相比，辅助存储器的容量更大，价格更便宜，但读写速度更慢。
辅助存储器一般被用于长期存储大量的数据和程序，以及作为主存的扩展。
存储器的层次结构的设计原理是通过将数据和指令分级存储在各个层次，根据访问频率和速度要求将数据从慢速的层次复制到快速的层次中，以提高计算机的运行效率。
具体而言，数据和指令首先从辅助存储器加载到主存中，当CPU需要访问数据时，首先在缓存中查找，如果找不到则从主存中读取，如果还是找不到则从辅助存储器中读取。
计算机存储器的层次结构与功能
计算机存储器的层次结构与功能计算机存储器是计算机中非常重要的组成部分之一，负责存储和提供数据和指令。
存储器的设计涉及到不同层次的结构和功能，这些层次相互协作，共同完成数据的存储和访问任务。
本文将就计算机存储器的层次结构与功能展开讨论。
一、存储器的层次结构计算机存储器的层次结构是按照访问速度和容量大小进行划分的，分为CPU寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器四个层次。
1. CPU寄存器CPU寄存器是存储在CPU内部的最快速的存储器，用于保存CPU 当前执行的指令和数据。
由于寄存器靠近CPU，其访问速度极快，但容量非常有限，通常只能存储少量的数据。
寄存器不需要通过地址来访问，而是通过寄存器名直接访问。
2. 高速缓存高速缓存（Cache）是位于CPU和主存储器之间的一层存储器，用于解决CPU和主存储器之间速度不匹配的问题。
高速缓存采用了局部性原理，将CPU频繁访问的数据和指令缓存到离CPU更近的位置，以减少访问主存储器的次数，从而提高系统的性能。
3. 主存储器主存储器（Main Memory）是计算机中存储数据和程序的主要设备，是CPU进行读写操作的对象。
主存储器的容量较大，但速度相对较慢。
主存储器通常采用随机访问存储器（RAM）技术实现，它能够以任意顺序访问存储的数据，并且具有易失性的特点，即断电后数据会丢失。
4. 辅助存储器辅助存储器（Auxiliary Storage）是计算机中容量最大、速度最慢、价格最便宜的存储器。
辅助存储器主要用于长期存储数据和程序，常见的辅助存储设备包括硬盘、光盘和磁带等。
辅助存储器具有持久性（永久存储）、高容量和低造价的特点，但访问速度较慢。
二、不同层次存储器的功能不同层次的存储器在计算机系统中发挥着不同的角色，具有不同的功能。
1. CPU寄存器的功能CPU寄存器主要用于存储指令和数据，并进行快速的读写操作。
它的容量非常有限，但速度非常快，能够满足CPU对数据和指令的高速访问需求。
第九讲-存储器的层次结构-part3
第九讲-存储器的层次结构-part3第九讲存储器的层次结构 III层次存储器系统当前主要使⽤“cache”来弥补处理器和存储器之间的性能鸿沟cacheControlDatapathMemoryProcessor MemoryMemoryMemoryMemoryFastest Speed:Slowest Biggest⾼速缓冲存储器Cache定义设置于主存和CPU之间的存储器,⽤⾼速的静态存储器实现,缓存了CPU频繁访问的信息。
特点⾼速:与CPU的运⾏速度基本匹配透明:完全硬件管理,对程序员透明功能解决CPU和主存之间的速度不匹配问题⼀般采⽤⾼速的SRAM构成CPU和主存之间的速度差别很⼤采⽤两级或多级Cache系统早期的⼀级Cache在CPU内，⼆级在主板上现在的CPU内带L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache(Intel 酷睿i7 930，⼀级缓存：256KB；⼆级缓存：1MB；三级缓存8MB)Cache的基本⼯作原理 CPU与Cache之间的数据传送是以字为单位主存与Cache之间的数据传送是以块为单位CPU读主存时，便把地址同时送给Cache和主存，Cache控制逻辑依据地址判断此字是否在Cache中，若在此字⽴即传送给CPU ，否则，则⽤主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。
若被访问信息不在cache中，称为缺失或缺失处理失靶(miss)关键问题A.如何根据主存地址判断数据项是否在Cache中？B.如果数据在Cache中，如何找到它？使⽤Cache需要解决的问题地址之间的映射关系:如何从主存地址得到Cache地址?数据之间⼀致性:Cache中的内容是否已经是主存对应地址的内容? Cache内容装⼊和替换策略如何提⾼Cache的命中率?什么是Cache的映射功能？把访问的局部主存区域取到Cache中时，该放到Cache的何处？ ?Cache⾏⽐主存块少，多个主存块映射到⼀个Cache⾏中什么是Cache的映射功能？把访问的局部主存区域取到Cache中时，该放到Cache的何处？ ?Cache⾏⽐主存块少，多个主存块映射到⼀个Cache⾏中如何进⾏映射？把主存划分成⼤⼩相等的主存块（Block）Cache中存放⼀个主存块的对应单位称为槽（Slot）或⾏（line）或块（Block）将主存块和Cache⾏按照以下三种⽅式进⾏映射直接(Direct)：每个主存块映射到Cache的固定⾏中全相联(Full Associate)：每个主存块映射到Cache的任意⾏中 ?组相联(Set Associate)：每个主存块映射到Cache的固定组中⼀个主存块只能拷贝到cache的⼀个特定⾏位置上去 cache⾏号i和主存块号j的关系（即主存第j块内容拷贝到Cache的i⾏）：i= j mod m （m为cache的总⾏数）主存地址为0-31被映射到cache中，cache有8块，1字/块Cache010*********110000001011cache 中每个位置可能对应于主存中多个地址，如何判断cache 中是否为请求的字？块标记设cache为8⾏，主存256块，以8为模进⾏映射允许存于cache第L0⾏的主存块为B0，B8，B16，… B248（共32块）允许存于cache第L⾏的主存块为B，B，B，… B（共32块）映射过程⾸先利⽤内存地址中的⾏号选择cache相应⾏；把⾏标记与CPU访问地址中tag进⾏⽐较，相同表⽰命中，访问Cache； ?如果没有命中，访问内存，并将相应块写⼊Cache直接映射⽅式特点主存的字块只可以和固定的Cache 字块对应,⽅式直接,利⽤率低。
存储器的层次结构及组成原理
存储器的层次结构及组成原理一、概述存储器是计算机系统中重要的组成部分，它用于存储和访问数据和指令。
存储器的层次结构是根据存储器的速度、容量和成本等因素将其分为多个层次，以实现高效的数据访问和管理。
二、存储器层次结构存储器的层次结构通常分为以下几个层次： ### 1. 寄存器(Register) 寄存器是存储在CPU内部的最快速的存储器。
它用于存放指令、数据和地址等临时信息，可以直接被CPU访问。
寄存器的容量较小，一般只有几百个字节。
2. 高速缓存(Cache)高速缓存位于CPU和主存之间，其目的是加快存储器的访问速度。
缓存通过存储近期被频繁访问的数据和指令，以提高CPU对存储器的命中率。
3. 主存储器(Main Memory)主存储器是计算机系统中最主要的存储器，也是存储器的最大层次。
主存储器被划分为许多地址连续的存储单元，每个存储单元可以存储一个字节或多个字节的数据。
主存储器由半导体或磁介质制成。
4. 辅助存储器(Auxiliary Memory)辅助存储器用于长期存储大量的数据和程序。
它的容量大于主存储器，但访问速度较慢。
常见的辅助存储器包括硬盘、光盘和闪存等。
三、存储器的组成原理存储器的组成原理多样，下面介绍几种常见的存储器类型： ### 1. 静态随机存储器(SRAM) 静态随机存储器是一种使用触发器来存储数据的存储器。
它的访问速度快，但成本较高。
SRAM的存储单元通过6个晶体管构成，每个存储单元可以存储一个比特的数据。
2. 动态随机存储器(DRAM)动态随机存储器是一种使用电容器来存储数据的存储器。
它的访问速度较慢，但成本较低。
DRAM的存储单元通过一个电容器和一个晶体管构成，每个存储单元可以存储一个比特的数据。
3. 只读存储器(ROM)只读存储器中的数据是永久性的，不可更改。
它通常用于存储固定的程序和数据。
常见的ROM类型包括可编程只读存储器(PROM)、可擦写只读存储器(E-PROM)和电可擦写只读存储器(EEPROM)等。
最新存储器的层次结构课件PPT课件
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28KB 16KB
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J1
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44KB 32KB
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76KB 64KB
01
J2
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140KB 116KB
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OS
8KB 作业J116需KB14KB
32KB 作业J624需KB60KB
116KB
物理内存
存储管理:连续分配
3.多道可变分区管理(概念) 内存地址
76KB
140KB
OS
8KB 作业116需K1B4KB
32KB
作业624需K6B0KB
116KB
256KB 分区大小不等
存储管理:连续分配
2.多道固定分区管理(续)
•需建立固定分区说明 表•内零头(碎片)问题
作业J1 14KB 作业J2 60KB
分区号 起始地址 长度
状态 作业名
1
20KB
8KB
0
存储器的层次结构
CPU Cache
512KB~8MB 400GB/S
RAM DISK
1~8GB 12GB/S
500GB 200MB/S
存储器管理的功能
内存的分配和回收
– 记录内存使用情况 – 存储的按需分配 – 存储的回收
内存容量的“扩充” 地址转换
– 常采用动态重定位,需要硬件支持
方案一:设置两张存储管理表
0000 20KB
大 位 状态 小置
14K 20K 已分
空表 目
60K 64K 已分 60K 124 已分 20K 34K 已分
已分分区表U空B表T
大 位 状态 小置
计算机存储器的层次结构ppt课件
3. 程序的动态链接和调试比较容易。由于每个程序段都是一组有独立意 义的数据块或具有完整功能的程序段，因此，在程序运行过程中，可 以根据需要一次就把一个程序段或数据块都装入到主存储器中，并且 在装入时才实行动态链接。
8
页式虚拟存储器的优点是：
1. 主存储器的利用率比较高。每个用户程序只有不到一页（平均为半页） 的浪费，与段式虚拟存储器每两个程序段之间都有浪费相比要节省许多。
2. 页表相对比较简单。它需要保存的字段数比较少，一些关键字段的长度 要短许多，因此，节省了页表的存储器容量。
3. 地址映象和变换的速度比较快。在把用户程序装入到主存储器的过程中 ，只要建立用户程序的虚页号与主存储器的实页号之间的对应关系即可 不必使用整个主存的地址长度，也不必考虑页号的长度等。
每段使用独立的逻辑地址空间，即都从0开始计算地址。 段式管理方法的主要缺点是各段长短不一，调进调出之后容易形成 大量不规则的零碎空间。 段式管理方法的虚实变换算法是查段表(P150)。
4
0
主程序（0段）
1K
0
1段
500
0
2段
200
0
3段
200
程序空间
段号 0 1 2 3
段长 1K 500 200 200
起始地址 8K 16K 9K 30K
段表
段式虚拟存储器的地址映象
0 8K 9K 16K
30K 主存储器
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段式虚拟存储器的优点如下：
1. 程序的模块性能好。对于大程序，可以划分成多个程 序段，每个程序 段赋予不同的名字，由多个程序员并行编写，分别编译和调试。由于 各个程序段在功能上是相互独立的，因此，一个程序段的修改和增删 等不会影响其他程序段，从而可以缩短程序的编制和调试时间。
计算机存储器的层次结构ppt课件
2020/4/16
计算机系统结构
14
3.3.2 直接相联(P176)
直接相联是一种最强的约束关系，规定每个虚页只对应唯一实页。为便 于虚实变换，用求模运算作为变换关系式：将虚页号对实页总数求模得到实 页号。实现简单，二进制中，任何数X对2的整次幂n求模等价于截取X的最低 log2n位。
• 例 已知虚页号 = 7，实页总数 = 4，用直接相联求实页号。 解：可用十进制形式求：7 mod 4 = 3； 也可用二进制形式求：由于n = 4，所以log2n = 2， 取7的二进制形式111B的最低2位，得11B，即3。
2020/4/16
计算机系统结构
6
段式虚拟存储器的缺点：
1. 地址变换所花费的时间比较长。从多用户虚地址变换到主存实地址需 要查两次，做两次加法运算。
2. 主存储器的利用率往往比较低。由于每个程序段的长度不同的，一个 程序段通常要装在一个连续的主存空间中，程序段在主存储器中不断 地调入调出，有些程序段在执行过程中还要动态增加长度，从而使得 主存储器中有很多的空隙存在。当然，也可以采用一些好的算法来减 少空隙的数量，或者通过定时运行回收程序来合并着这些空隙，但这 无疑增加了系统的开销。
2020/4/16
计算机系统结构
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页式虚拟存储器的优点是：
1. 主存储器的利用率比较高。每个用户程序只有不到一页（平均为半页） 的浪费，与段式虚拟存储器每两个程序段之间都有浪费相比要节省许多。
2. 页表相对比较简单。它需要保存的字段数比较少，一些关键字段的长度 要短许多，因此，节省了页表的存储器容量。
计算机系统结构
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4种常见的地址映象方式
3.3.1 全相联(P174)
全相联就是无约束对应，或者说是一个完全关系，意思就是一个虚页 可以调入任何一个实页。
存储器层次
✓ 螺旋线更紧凑（DVD道间距为0.74µm，而CD的道间距为 1.6µm）。
✓ 使用红色激光（DVD激光的波长为0.65µm，而CD的为 0.78µm）。
• 这些改进使DVD的容量比普通光盘提高了7倍，达到4.7GB。单 速DVD驱动器的工作速度为1.4MB/S（而CD为150KB/S）。遗 憾的是，DVD及使用的红色激光头使得它需要加装上另外一个光 源或经过一个怪异的光学转换才能读。现在超市中随处可见的 CD和CD-ROM，但这些DVD机并没有提供这个功能。而且在 DVD机上也可能读不出CD-R和CD-RW。
柱面：硬盘每个盘面的同一编号的 磁道构成柱面
扇区或数据块号: 对定长格式的 硬盘存在扇区的概念，对不定长的 硬盘以数据块号（记录号）存储信 息。
容量 格式化容量=磁头数*柱面数*每柱面扇区数*每扇区字节数；
=磁头数*柱面数*每柱面数据块数*每数据块内的字节数。
硬盘转速现在已达到7200r/min或9600r/min。以5400rpm的硬盘 而言，其相 应的平均等待时间为5.6ms。
—RAID） ➢ RAID0 无冗余和无校验的数据分块（安全性差） ➢ RAID1 镜像磁盘阵列（利用率为50%） ➢ RAID2 采用纠错的海明码的磁盘阵列（不利于小数据量传输） ➢ RAID3，4 采用奇偶校验码的磁盘阵列（专有一个校验盘） ➢ RAID5 无独立校验盘的磁盘阵列 ➢ RAID6级（采用分块交叉技术和双磁盘容错的磁盘阵列） ➢ RAID7级（独立接口的磁盘阵列） ➢ RAID10级（RAID 0级+RAID1级）：由分块和镜像组成，是
计算机组成原理
磁记录原理
➢写入：将计算机并行数据进行并-串变换，然后一位一位的由写电流驱动 器将交变信号电流通过磁头线圈，使磁体内的磁通量发生变化，交变磁场 从缝隙中漏出，使匀速转动的磁盘表面磁化。根据写入电流的方向决定是 写“1”还是写“0”。当载磁体相对于磁头运动时，就可以连续写入一连 串的二进制信息。
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第九讲 存储器的 层次结构 III层次存储器系统 当前主要使用“cache”来弥补处理器和存储器之间的性能鸿沟cacheControlDatapath MemoryProcessorMemory MemoryMemoryMemory Fastest Smallest Speed:Size:Slowest Biggest高速缓冲存储器Cache定义▪设置于主存和CPU之间的存储器,用高速的静态存储器实现,缓存了CPU频繁访问的信息。
特点▪高速:与CPU的运行速度基本匹配▪透明:完全硬件管理,对程序员透明功能▪解决CPU和主存之间的速度不匹配问题▪一般采用高速的SRAM构成▪CPU和主存之间的速度差别很大采用两级或多级Cache系统▪早期的一级Cache在CPU内，二级在主板上▪现在的CPU内带L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache▪(Intel 酷睿i7 930，一级缓存：256KB；二级缓存：1MB；三级缓存8MB)Cache的基本工作原理 CPU与Cache之间的数据传送是以字为单位主存与Cache之间的数据传送是以块为单位CPU读主存时，便把地址同时送给Cache和主存，Cache控制逻辑依据地址判断此字是否在Cache中，若在此字立即传送给CPU ，否则，则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。
若被访问信息不在cache中，称为缺失或缺失处理失靶(miss)关键问题A.如何根据主存地址判断数据项是否在Cache中？B.如果数据在Cache中，如何找到它？使用Cache需要解决的问题地址之间的映射关系:▪如何从主存地址得到Cache地址?数据之间一致性:▪Cache中的内容是否已经是主存对应地址的内容? Cache内容装入和替换策略▪如何提高Cache的命中率?什么是Cache的映射功能？▪把访问的局部主存区域取到Cache中时，该放到Cache的何处？ ▪Cache行比主存块少，多个主存块映射到一个Cache行中什么是Cache的映射功能？▪把访问的局部主存区域取到Cache中时，该放到Cache的何处？ ▪Cache行比主存块少，多个主存块映射到一个Cache行中如何进行映射？▪把主存划分成大小相等的主存块（Block）▪Cache中存放一个主存块的对应单位称为槽（Slot）或行（line）或块（Block）▪将主存块和Cache行按照以下三种方式进行映射▪直接(Direct)：每个主存块映射到Cache的固定行中▪全相联(Full Associate)：每个主存块映射到Cache的任意行中 ▪组相联(Set Associate)：每个主存块映射到Cache的固定组中一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位置上去 cache行号i和主存块号j的关系（即主存第j块内容拷贝到Cache的i行）：▪i= j mod m （m为cache的总行数）主存地址为0-31被映射到cache中，cache有8块，1字/块Cache010*********110000001011cache 中每个位置可能对应于主存中多个地址，如何判断cache 中是否为请求的字？块标记设cache为8行，主存256块，以8为模进行映射允许存于cache第L0行的主存块为B0，B8，B16，… B248（共32块） 允许存于cache第L行的主存块为B，B，B，… B（共32块）映射过程▪首先利用内存地址中的行号选择cache相应行；▪把行标记与CPU访问地址中tag进行比较，相同表示命中，访问Cache； ▪如果没有命中，访问内存，并将相应块写入Cache直接映射方式特点主存的字块只可以和固定的Cache 字块对应,方式直接,利用率低。
标志位较短,比较电路的成本低。
如果主存空间有2m 块,Cache中 字块有2c块,则标志位只要有m-c位。
且仅需要比较一次。
应用场合▪适合大容量cache，更多的行数可减小冲突的机会cache中的位数cache不仅存储数据，而且存储标记位，因此cache所需的总位数是cache大小、地址位数的函数32位字节地址直接映射cachecache大小为2n块块大小为2m字标记域大小为 32-(m+n+2)cache总位数为 2n×(块大小+标记域大小+有效位大小)全相联映射方式全相联映射方式基本思想：一个主存块可以装入cache任意一行Cache中的数据块大小称为行，L i表示主存中的数据块大小称为块，B j表示行与块等长，每个块由连续的字组成标记（块号）数据标记块内地址存储器214字组成Cache有16行每个块、行由8个字组成存储器地址位数？▪14位存储器共划分为多少块？▪214/23=211标记字3位11位主存地址：▪d=11011001100011在主存中的块号：▪j=d \ 23=11011001100011 (求商)标记字14位3位11位CPU给出访问地址后，也将地址分为两部分（块号和字），比较电路块号与Cache 表中的标记进行比较，相同表示命中，访问相应单元；如果没有命中访问内存，CPU假定数据在主存和Cache间的传送单位为512字。
Cache大小：213字=8K字=16行 x 512字/行主存大小：220字=1024K字=2048块 x 512字/块 如何对01E0CH单元进行访问？假定数据在主存和Cache间的传送单位为512字。
Cache大小：213字=8K字=16行 x 512字/行主存大小：220字=1024K字=2048块 x 512字/块 如何对01E0CH单元进行访问？0000 0001 1110 0000 1100B假定数据在主存和Cache间的传送单位为512字。
111全相联的映射方式特点：▪优点：冲突概率小，Cache的利用率高。
▪缺点：标志位较长,比较电路的成本太高。
如:n位的主存地址,块内地址为b位,Cache有m块,则需要有m个比较电路,标志位需n-b位。
应用场合：▪适用于小容量的Cache全相联映射和直接映射的组合▪全相联映射：灵活性好，命中率高▪直接映射：硬件简单，成本低▪组相连映射：前两种方案的折衷方案映射方法▪将cache分组，组间采用直接映射方式，组内采用全相联的映射方式▪Cache分u组，组内容量v行；映射方法：▪组号 q= j mod u▪主存第j块内容拷贝到Cache的q组中的某行▪地址变换▪设主存地址x，看是不是在cache中，先y= x mod u，则在y组中一次查找存储器214字组成Cache有16行，分为8组每个块、行由8个字组成存储器地址位数？▪14位存储器共划分为多少块？▪214/23=211标记组字3位3位8位主存地址：▪d=11011001100011在主存中的块号： ▪j=d \ 23=11011001100011 (求商)映射到cache中的组号：▪i= j % 23 =11011001100011 （取余）标记组字14位3位3位8位主存地址：▪d=11011001100011 在主存中的块号：▪j=d \ 23=11011001100011 (求商)映射到cache中的组号：▪i= j % 23 =11011001100011 （取余）标记组字14位3位3位8位块内地址Cache 组号标记，按内容寻址•首先，用内存地址的块号域的低d位找到cache的对应组； •然后，将块号域高s-d位与该组v行中所有标记域进行比较； •若有标记相符，则命中，以w位字域部分检索此行具体字；组相联映射Cache硬件实现 Cache228V T a g Ind ex 012253254255D ata V Ta g D a ta V T ag D ata V T ag D ata 32224-to -1 m ultip le xo r1238910111230310块块组相联映射方式特点比全相联容易实现，冲突低v=1，则为直接相联映射方式u=1，则为全相联映射方式v的取值一般比较小， 一般是2的幂，称之为v路组相联cache.主存块号为12的块在cache中的位置直接映射▪主存中的一块只能映射到Cache中唯一的一个位置 定位时,不需要判断,只需替换全相联映射▪主存中的一块可以映射到Cache中任何一个位置N路组相联映射▪主存中的一块可以选择映射到Cache中N个位置全相联映射和N路组相联映射的失效处理▪从主存中取出新块▪为了腾出Cache空间,需要替换出一个Cache块▪不唯一,则需要判断应替出哪块三种映射方式比较某计算机的 Cache 共有 16 行,采用 2 路组相连映射方式。
每个主存块大小为 32字节,按字节编址。
主存 129 号单元所在主存块应转入到 Cache 组号是( )A. 0B. 2C. 4D. 6某计算机的 Cache 共有 16 行,采用 2 路组相连映射方式。
每个主存块大小为 32字节,按字节编址。
主存 129 号单元所在主存块应转入到 Cache 组号是( )A. 0B. 2C. 4D. 6程序设计时如何利用Cache 编写具有局部性特点的程序▪空间局部性▪按顺序访问数据▪时间局部性▪确保要访问的数据集中在短时间内访问 如何做？▪选择合适的算法▪选择合适的循环方式。