计算机组成原理与体系结构_04_Cache Memory
计算机组成原理第四章作业答案
第四章作业答案解释概念：主存、辅存，Cache, RAM, SRAM, DRAM, ROM, PROM ,EPROM ,EEPROM CDROM, Flash Memory.解：1主存：主存又称为内存，直接与CPU交换信息。
2辅存：辅存可作为主存的后备存储器，不直接与CPU交换信息，容量比主存大，速度比主存慢。
3 Cache: Cache缓存是为了解决主存和CPU的速度匹配、提高访存速度的一种存储器。
它设在主存和CPU之间，速度比主存快，容量比主存小，存放CPU最近期要用的信息。
4 RAM; RAM是随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。
5 SRAM: 是静态RAM，属于随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。
靠触发器原理存储信息，只要不掉电，信息就不会丢失。
6 DRAM 是动态RAM，属于随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。
靠电容存储电荷原理存储信息，即使电源不掉电，由于电容要放电，信息就会丢失，故需再生。
7 ROM: 是只读存储器，在程序执行过程中只能读出信息，不能写入信息。
8 PROM: 是可一次性编程的只读存储器。
9 EPROM 是可擦洗的只读存储器，可多次编程。
10 EEPROM: 即电可改写型只读存储器，可多次编程。
11 CDROM 即只读型光盘存储器。
12 Flash Memory 即可擦写、非易失性的存储器。
存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache—主存和主存—辅存这两个存储层次上。
Cache—主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。
主存—辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。
计算机组成原理与体系结构
计算机组成原理与体系结构计算机组成原理（Computer Organization）是计算机科学与技术中的一门基础课程，主要研究计算机硬件与软件的组成和相互关系。
而计算机体系结构（Computer Architecture）则关注计算机系统的组织、功能和实现技术。
今天，我们将探讨计算机组成原理与体系结构的主要内容和重要性。
一、计算机组成原理的基本概念计算机组成原理是指计算机硬件和软件之间的关系。
它包括计算机的硬件设计、指令系统的设计和计算机内部结构的设计。
计算机组成原理主要研究以下几个方面：1. 计算机硬件设计：阐述了计算机中各种硬件组件的功能和相互关系，如中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等。
2. 指令系统的设计：指令系统是计算机硬件与软件交互的桥梁。
通过研究指令系统的设计，可以了解计算机的指令集类型、指令格式和操作码等。
3. 计算机内部结构的设计：指计算机中各个硬件组件之间的连接和数据流动方式。
这包括了数据路径、控制器和存储器等。
二、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指计算机系统的组织和功能。
它描述了计算机中各个部件相互之间的关系以及这些部件的功能和特性。
计算机体系结构主要研究以下几个方面：1. 指令集体系结构（ISA）：指令集体系结构确定了计算机系统中可执行的指令类型和操作。
ISA的设计决定了计算机的运算能力和适用领域。
2. 计算机层次结构：计算机系统按层次结构组织，分为硬件、操作系统和应用程序。
这些层次间的协作和接口规范对于实现高效的计算机系统至关重要。
3. 存储器系统：存储器系统包括主存储器、高速缓存和辅助存储器。
合理的存储器层次结构设计可以提高计算机系统的性能。
4. 输入输出系统：输入输出系统是计算机与外部设备之间的接口。
它负责数据的输入输出以及外设的控制和管理。
通过研究计算机组成原理与体系结构，我们可以更好地理解计算机的工作原理，为计算机系统的设计、优化和性能提升提供基础。
计算机体系结构与组成原理
计算机体系结构与组成原理计算机体系结构与组成原理是计算机科学与技术领域中的重要基础课程，它主要介绍了计算机系统的组成和工作原理。
本文将围绕这一主题展开探讨，从计算机体系结构和计算机组成原理两个方面展开论述。
一、计算机体系结构计算机体系结构指的是计算机硬件系统的架构和组织方式，它包括了计算机的指令集、寻址方式、存储器结构、总线结构、输入输出系统等。
计算机体系结构是计算机软件与硬件之间的接口，对计算机的性能和功能起着至关重要的作用。
1.1 指令集体系结构指令集体系结构定义了计算机能够执行的指令集合以及指令的格式和含义。
常见的指令集体系结构有RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）。
这两种指令集体系结构在指令的数量、长度、执行速度等方面存在差异，对计算机的硬件设计和编程有着不同的影响。
1.2 存储器结构存储器结构是计算机中负责存储数据和指令的组成部分，包括主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
常见的存储器结构有层次结构和并行结构。
层次结构中，各级存储器按照速度和容量的大小排列，高速缓存存储器（Cache）作为主存储器与CPU之间的缓冲区，提高数据的访问速度。
并行结构中，多个存储器模块同时工作，提高了数据的传输速率和系统的并行处理能力。
1.3 总线结构总线结构是计算机各部件之间传输数据和控制信息的通信线路，包括地址总线、数据总线和控制总线。
总线结构的设计要考虑数据传输的速度、容量和稳定性等因素，对于计算机系统的性能和可靠性有着重要影响。
二、计算机组成原理计算机组成原理是指计算机系统各个硬件组成部分的工作原理和实现方式。
它包括了算术逻辑单元（ALU）、控制器、寄存器、时钟信号等。
2.1 算术逻辑单元（ALU）算术逻辑单元是计算机中负责进行算术运算和逻辑判断的部件，它由逻辑门电路和寄存器组成。
ALU根据控制信号执行不同的运算操作，如加法、减法、乘法、除法等，同时也能够进行逻辑运算，如与、或、非等。
计算机组成原理第四章部分课后题答案(唐朔飞版)
4.1 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。
主存：用于存放数据和指令，并能由中央处理器直接随机存取，包括存储器体M、各种逻辑部件、控制电路等辅存：辅助存储器，又称为外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据）。
存储容量大、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脱机保存信息。
主要包括磁表面存储器、软盘存储器、磁带存储设备、光盘存储设备。
Cache：高速缓冲存储器，比主存储器体积小但速度快，用于保有从主存储器得到指令的副本很可能在下一步为处理器所需的专用缓冲器。
RAM：(Random Access Memory)随机存储器。
存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。
这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。
按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（StaticRAM,SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM)。
SRAM：(Static Random Access Memory)它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。
DRAM：(Dynamic Random Access Memory)，即动态随机存取存储器最为常见的系统内存。
DRAM 只能将数据保持很短的时间。
为了保持数据，DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新（refresh）一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。
（关机就会丢失数据）ROM：只读内存（Read-Only Memory）的简称，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。
其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除。
通常用在不需经常变更资料的电子或电脑系统中，资料并且不会因为电源关闭而消失。
PROM：(Programmable Read-Only Memory)－可编程只读存储器，也叫One-Time Programmable (OTP)ROM“一次可编程只读存储器”，是一种可以用程序操作的只读内存。
计算机组成原理与体系结构_04_Cache Memory(补充)
2 Given the following specifications for an external cache memory: four-way set associative; line size of two 16-bit words; able to accommodate a total of 4K 32-bit words from main memory; used with a 16-bit processor that issues 24-bit addresses. Design the cache structure with all pertinent information and show how it interprets the processor’s addresses.
存储系统定义
两个或两个以上容量、速度、价格各不相同的 存储器用硬件、软件或软件与硬件相结合的方 法连接起来成为一个存储系统。这个系统对应 用程序员透明，并且，应用程序员看它是一 个存储器，这个存储器的容量接近容量最大的 存储器、速度接近最快的存储器、价格接近最 便宜的存储器。
1
存储系统
Homework 1 A set associative cache consists of 64 lines, or slots, divided into four-line sets, Main memory Contains 4K blocks of 128 words each, Show the format of main memory addresses.
西安电子科技大学_计算机组成与体系结构_第4章存储系统_课件PPT
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
计算机组成原理第四章课后习题及答案唐朔飞完整版
第4章存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。
答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。
CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。
辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。
Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。
RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。
SRAM：静态半导体随机存取存储器。
DRAM：动态半导体随机存取存储器。
ROM：掩膜式半导体只读存储器。
由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。
PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。
EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。
需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。
擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。
EEPROM：电擦写可编程只读存储器。
CDROM：只读型光盘。
Flash Memory：闪速存储器。
或称快擦型存储器。
2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。
答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。
按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。
3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。
Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。
主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。
计算机组成原理与体系结构_04_CacheMemory.
—Access time is independent of location or previous access
—e.g. cache
Memory Hierarchy
• Registers
—In CPU
• Internal or Main memory
—May include one or more levels of cache —“RAM”
• External memory
—Backing store
Memory Hierarchy - Diagram
Performance
• Access time
—Time between presenting the address and getting the valid data
• Memory Cycle time
—Time may be required for the memory to “recover” before next access
Pentium PowerPC 601 PowerPC 620 PowerPC G4 IBM S/390 G4 IBM S/390 G6
Pentium 4 IBM SP CRAY MTAb Itanium SGI Origin 2001 Itanium 2 IBM POWER5 CRAY XD-1
Type
• This would be very fast • This would need no cache • This would cost a very large amount
memory计算机组成原理
memory计算机组成原理memory（内存）在计算机组成原理中扮演着至关重要的角色，作为计算机的核心组件之一，其主要功能是存储计算机正在运行的程序和数据，以及作为数据的暂时存储区域。
下面将具体介绍memory的相关知识点。
一、内存的分类1. RAM（随机访问存储器）RAM是计算机内存最常见的类型之一，它具有随机访问的特性，读写速度非常的快。
RAM分为SRAM和DRAM两种，SRAM针对高速缓存等小容量高速读取操作，DRAM适用于大容量内存存储操作。
2. ROM（只读存储器）ROM是一种只能读不能写的内存存储器，它属于非易失性存储器，用于存储计算机的基本输入输出系统、操作系统等信息。
3. Cache（缓存）Cache是内存中的高速缓存区域，它的特性是读写速度非常快，可以提高计算机的运行速度。
Cache分为一级缓存和二级缓存，一级缓存称为L1缓存，一般集成在CPU内部，二级缓存称为L2缓存，通常位于CPU和主板之间。
二、内存的存储方式1. 字节地址存储计算机将内存中的每一个字节都寻址，并按照字节进行存储，每一个内存单元都有一个独特的地址。
2. 字地址存储计算机将内存中的每一个字都寻址，并按照字进行存储，每一个内存单元的地址是相邻的，在不需要单独修改某个字节的情况下使用。
三、内存读取和写入操作CPU中的内存控制器负责向内存请求数据和写入数据，读取数据时，内存控制器将地址发送到内存中，内存中的电子元件将相应地址的存储单元中的数据读取出来，然后发送给内存控制器。
写入数据时，内存控制器将数据和地址发送给内存，内存中的电子元件将数据存储于对应的地址中。
四、内存扩展内存扩展是指将计算机中的内存容量增加，以满足更高的计算性能。
扩展内存有两种常用的方法：1. 更换内存条，将原来的内存条更换为容量更大的内存条。
2. 增加内存条，增加内存条的数量，但需要满足相应的内存条插槽数量和主板的支持。
总之，memory（内存）在计算机组成原理中占有重要地位，了解内存的各种特性和存储方式，将有助于更好地理解计算机的运行机制，也为日后的计算机应用提供基础。
计算机组成原理与体系结构
计算机组成原理与体系结构是计算机科学领域中最重要的一个主题，在计算机发展的历史上，它扮演了重要的角色。
计算机组成原理是指计算机系统的各种硬件组成部分的实现原理，而计算机体系结构则是指执行计算机指令所涉及的各种数据、功能和控制方法的总体结构框架。
在本文中，我们将会分别探究的相关知识。
一、计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学的重要分支，它关注的是计算机系统的硬件构成和实现原理。
计算机系统可以看作是由多个硬件组成的，每个硬件都有其对应的作用，各个硬件间通过总线相连，并通过指令系统进行协调，从而实现计算机的各项功能。
计算机硬件主要由以下部分组成：1.中央处理器(CPU)中央处理器(CPU)是计算机最重要的组成部分之一。
它是负责执行计算机指令的中央控制单元。
它由算数逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)和寄存器组成。
其中，ALU是负责执行算术运算和逻辑运算的部件，CU则用于解释指令和控制计算机中其他组件的操作，寄存器则用于存储数据和地址。
CPU的速度直接影响到计算机的性能。
2.随机存储器(RAM)随机存储器(RAM)是计算机的一种内部存储器，它可以快速存取数据，并提供给CPU进行计算。
RAM的速度比磁盘等外部存储器快得多，但其容量较小。
在计算机中，RAM被操作系统用于存储运行中的程序和数据。
3.输入/输出(I/O)设备输入/输出(I/O)设备用于数据的输入和输出，例如鼠标、键盘、显示器、打印机、网络接口卡等。
I/O设备一般连接在计算机系统的外围，通过总线与CPU进行通信。
4.存储器层次结构存储器层次结构指不同容量和速度的存储器组成的存储系统。
存储器数据的读取速度从cpu到高速缓存(l1、l2)到主存，最后到硬盘。
其中的理念是：越靠近CPU的存储容量越小，但速度越快，越靠外层的存储容量越大，但速度越慢。
5.总线总线是计算机系统各个部件之间传递信息的通道。
计算机中常用的总线有地址总线、数据总线和控制总线。
二、计算机体系结构计算机体系结构是一种规范，它决定了计算机的指令集、数据类型、寄存器的种类和数量、内存的寻址方式、I/O的方式、中断的处理方式等。
计算机组成原理多层次的存储器
计算机组成原理多层次的存储器计算机组成原理中的存储器是计算机系统中非常重要的组成部分，用于存储程序和数据。
在计算机系统中，存储器可以分为多个层次，包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。
这些层次的存储器按照速度和容量的不同，有着不同的功能和特点。
1. 寄存器（Register）：寄存器是计算机中速度最快、容量最小的存储器。
它们通常由硬件直接实现，并与中央处理器（CPU）一起工作。
寄存器存储了CPU需要频繁访问的数据和指令，包括操作数、地址和中间结果。
寄存器的容量非常有限，一般几十到几百个字节，但是其读取和写入速度非常快。
2. 高速缓存（Cache）：高速缓存是位于CPU和主存储器之间的一层存储器层次结构，用于缓存主存中频繁访问的数据和指令。
高速缓存的容量比寄存器大，一般在几十KB到几十MB之间。
它采用缓存策略来提高访问速度，例如使用局部性原理中的时间局部性和空间局部性。
由于高速缓存位于CPU和主存之间，可以大大减少CPU对主存的访问时间，提高系统的性能。
3. 主存储器（Main Memory）：主存储器是计算机系统中存储程序和数据的主要存储器。
主存储器容量相对较大，一般在几百MB到几十GB之间。
主存储器的速度较高，但是与寄存器和高速缓存相比仍然较慢。
主存储器通常采用DRAM（Dynamic Random Access Memory）或SRAM（Static Random Access Memory）实现，可以按字节进行读写操作。
4. 辅助存储器（Auxiliary Memory）：辅助存储器也称为外部存储器，用于存储大容量的数据和程序。
辅助存储器的容量通常很大，从几十GB到几TB不等。
常见的辅助存储器包括硬盘驱动器、固态硬盘、磁带机等。
辅助存储器的速度远远低于主存储器，但是具有持久存储的特点，可以长期保存数据。
在计算机系统中，辅助存储器的数据需要通过主存储器加载到CPU中进行处理。
这些存储器层次的划分主要基于存储器的容量、速度和成本。
计算机组成原理与系统结构课件ch4 存储器层次结构 part2
请参考《深 入理解计算 机系统》和 x86体系结构 或有关Linux 内核分析方 面的资料。
memory.17
虚每 拟个 地用 址户 空程 间序 ！都
有 相 同 的
2020年4月5日星期日
注意：这些区都是在“虚拟”空间中划分的
根据程序访问局部性 可知：可把当前活跃 的页调入主存，其余 留在磁盘上！
memory.13
BACK
2020年4月5日星期日
虚拟存储系统的基本概念
虚拟存储技术的引入用来解决一对矛盾 – 一方面，由于技术和成本等原因，主存容量受到限制 – 另一方面，系统程序和应用程序要求主存容量越来越大
虚拟存储技术的实质 – 程序员在比实际主存空间大得多的逻辑地址空间中编写程序 – 每个程序“感觉”到自己“独占主存”（逻辑空间对每个程序而言都相同） – 程序执行时，把当前需要的程序段和相应的数据块调入主存，其他暂不用的 部分存放在磁盘上 – 指令执行时，通过硬件将逻辑地址（也称虚拟地址或虚地址）转化为物理地 址（也称主存地址或实地址） – 在发生程序或数据访问失效(缺页)时，由操作系统进行主存和磁盘之间的信 息交换
感觉到的运行时间比真实 执行时间要长！
Hello程序依靠操作系统访 问键盘、显示器、磁盘和 主存储器这些硬件资源。
操作系统是在应用程序和 硬件之间插入的一个中间 软件层。两个主要的作用：
– 硬件资源管理：统筹 安排和调度硬件资源, 并为用户程序提供一 个简单一致的使用硬 件的接口
memory.6
– 为用户使用系统提供 一个操作接口
2020年4月5日星期日
存储器资源的管理由操作系统来实现
计算机组成原理第四章
64KB
1K×4 1K×4
1K×4 1K×4
1K×4 1K×4
1K×4 1K×4
4KB
需12位地址
寻址： A11～A0
低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。 芯片 芯片地址 片选信号 片选逻辑
1K
A9～A0
CS0
1K
A9～A0
CS1
1K
A9～A0
CS2
1K
A9～A0
CS3
A11A10 A11A10
第４章 存 储 器
4.1 概述 4.2 主存储器 4.3 高速缓冲存储器 4.4 辅助存储器
4.1 概 述
一、存储器分类
1. 按存储介质分类
(1) 半导体存储器 TTL 、MOS
易失
(2) 磁表面存储器 (3) 磁芯存储器 (4) 光盘存储器
磁头、载磁体
非 硬磁材料、环状元件 易
失
激光、磁光材料
2. 按存取方式分类
字扩展方式
A15
3/8
译
A14 A13
码 器
A12
A0 C P WE
U D7
111
000
001
010
011
100 101 110 CS CS
8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8 8K x 8
D0
（3）字位扩展：既增加字数，又增加字长
给出芯片地址分配与片选逻辑,并画出M框图。
1.计算芯片数
（1）先扩展位数，再扩展字（单元）数。
2片1K×4 4组1K×8
1K×8 8片 4K×8
（2）先扩展字数，再扩展位数。
4片1K×4 2组4K×4
计算机组成原理实验
1. 采用 Cache-Memory 存储层次。 2. 地址长度为 16 位，数据寄存器长度 16 位，存储字长是 8 位，采用小端存储模式。 3. Cache 采用二路组相联，Cache 大小为 1KB，每个字块 4 个字，字长为 2B。 4. 能根据有效地址读 Cache 和内存，把数据读入数据寄存器中；能根据有效地址把
1、 运算器由 ALU，状态寄存器，通用寄存器组成。 2、 ALU 能够进行加、减、乘、除等四则运算，与、或、非、异或等逻辑运算以及移
位求补等操作。其中乘除法要实现原码 1 位乘、补码 1 位乘（Booth）、原码加减 交替除法、补码加减交替除法 4 种算法。选作原码/补码 2 位乘算法。 3、 通用寄存器组用于保存参加运算的操作数和运算结果。 4、 状态寄存器用于记录算术、逻辑运算的结果状态。程序设计中，这些状态通常用 作条件转移指令的判断条件，所以又称为条件码寄存器。一般均设置如下几种状 态位：零标志位（Z），负标志位（N），溢出标志位（v），仅为或借位标志（C）。 【输入】从 ins_input.txt 读入。每行有一个操作码和两个操作数，用空格分开，操作数用原 码表示。 e.g. Add 0.110111 1.101110 Sub 0.100111 0.101011 Mul 1.101110 0.110111 【输出】将运算过程和结果输入到 output.txt 例如： ori_onebit_times [x]ori=1.101110 [y]ori=0.110111 x*=0.101110 y*=0.110111 0.000000 110111 + 0.101110 -------------------------------0.101110 0.010111 0 11011 + 0.101110 -------------------------------1.000101 0 0.100010 10 1101 + 0.101110 -------------------------------1.010000 10 0.101000 010 110 0.010100 0010 11 + 0.101110 -------------------------------1.000010 0010 0.100001 00010 1 + 0.101110 --------------------------------
简述cache存储体系的结构原理
简述cache存储体系的结构原理Cache存储体系的结构原理一、引言随着计算机性能的不断提升，处理器的速度远远快于内存存取速度，这导致了处理器与内存之间的速度差异问题，从而限制了计算机整体性能的提升。
为了解决这一问题，Cache存储体系应运而生。
Cache存储体系作为一种高速缓存，位于处理器与内存之间，能够提供快速的数据读写，有效地缓解了处理器与内存之间的速度矛盾。
二、Cache存储体系的基本原理Cache存储体系的基本原理是通过在处理器与内存之间增加一层高速存储器，即Cache，来提高数据的访问速度。
Cache存储体系采用了局部性原理，即数据访问的局部性较高，即近期访问的数据很有可能在不久的将来再次被访问到。
基于这一原理，Cache存储体系将近期访问的数据存储在高速缓存中，以便快速响应处理器的读写请求。
三、Cache存储体系的组成结构Cache存储体系通常由三级结构组成，分别是L1 Cache、L2 Cache和L3 Cache。
1. L1 Cache（一级缓存）L1 Cache是位于处理器核心内部的一级缓存，与处理器核心紧密结合，速度非常快。
L1 Cache通常分为指令缓存和数据缓存，分别用于存储指令和数据。
由于L1 Cache与处理器核心距离近，因此可以快速响应处理器的读写请求。
2. L2 Cache（二级缓存）L2 Cache是位于处理器与内存之间的二级缓存，容量较大。
L2 Cache的读写速度相对于L1 Cache略慢一些，但仍然远快于内存。
处理器在访问数据时，首先会查找L1 Cache，如果没有找到，则会继续查找L2 Cache。
由于L2 Cache容量较大，可以存储更多的数据，因此命中率相对较高。
3. L3 Cache（三级缓存）L3 Cache是位于处理器与内存之间的三级缓存，容量最大。
L3 Cache的读写速度相对于L2 Cache略慢一些，但仍然比内存要快很多。
处理器在访问数据时，首先会查找L1 Cache，如果没有找到，则会继续查找L2 Cache，最后才会查找L3 Cache。
计算机组成原理第四章课后习题和答案解析[完整版]
![计算机组成原理第四章课后习题和答案解析[完整版]](https://img.taocdn.com/s3/m/08bc56dd551810a6f52486ec.png)
第4章存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。
答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。
CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。
辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。
Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。
RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。
SRAM：静态半导体随机存取存储器。
DRAM：动态半导体随机存取存储器。
ROM：掩膜式半导体只读存储器。
由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。
PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。
EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。
需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。
擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。
EEPROM：电擦写可编程只读存储器。
CDROM：只读型光盘。
Flash Memory：闪速存储器。
或称快擦型存储器。
2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。
答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。
按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。
3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。
Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。
主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。
计算机组成原理与体系结构图
计算机组成原理与体系结构图
2011-07-20 14:07:24| 分类：软件设计师/应聘| 标签：软设|字号大中小订阅前言计算机类型：
一、计算机组成原理（逻辑电路角度表示、设计、结构）
1.0现代计算机扩展的冯*诺依曼结构：
1.1存储器层次结构：
ROM结构图：
操作系统中逻辑寻址：
1.2CPU:
整合到CPU中的控制器：
1.3输入输出设备：
1.04总线结构：
二、体系结构（从执行层次体系角度，高级、编译、汇编、OS系统、机器语言）
2.1虚拟机器
2.2硬件布线的计算机体系结构
2.3微程序计算机结构：
2.4操作系统层面-于设计机器语言上：
ALU
寄存器
MMC
I/O
IF
DE
contro
Data 从存储器拿来。
计算机组成原理与体系结构
计算机组成原理与体系结构计算机组成原理与体系结构是计算机科学与技术领域中非常重要的基础知识。
本文将简要介绍计算机组成原理与体系结构的概念、关键组成部分以及它们之间的关联。
一、计算机组成原理计算机组成原理是研究计算机硬件和软件之间相互作用的学科。
它主要关注计算机系统的构成和工作原理，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备和总线等组件。
1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心，负责执行各种指令和进行算术逻辑运算。
它包括控制单元和算术逻辑单元。
控制单元负责指令的解析和时序控制，而算术逻辑单元则负责实现算术和逻辑运算。
2. 存储器存储器用于存储数据和指令。
它分为主存储器和辅助存储器两种形式。
主存储器（RAM）用于临时存储正在运行的程序和数据，而辅助存储器（例如硬盘、光盘）则用于长期存储大量数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用于与计算机系统进行交互。
常见的输入设备包括键盘、鼠标和扫描仪，而输出设备包括显示器、打印机和音频设备等。
它们使得用户可以通过输入指令和获取结果来与计算机进行交互。
4. 总线总线是计算机内部各个组件之间传递数据和信号的通道。
它分为地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于传递内存或者设备的地址，数据总线用于传输实际的数据，而控制总线用于传递操作命令和时序信号。
二、计算机体系结构计算机体系结构指的是计算机硬件和软件之间的界面和交互方式。
它定义了指令集架构（ISA）和计算机的整体结构。
1. 指令集架构（ISA）指令集架构定义了计算机处理器能够识别和执行的指令集。
常见的指令集架构有复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
ISA定义了如何编码指令、寻址方式以及寄存器的组成等。
2. 计算机结构计算机结构指的是计算机硬件组成的结构。
根据计算机的规模和用途不同，可以分为单处理器结构和多处理器结构。
单处理器结构指的是只有一个CPU的计算机系统，而多处理器结构则可以同时运行多个任务。
计算机组成原理与系统结构8
主存分块后的地址
Cache
主存地址 000 0 000 1 001 0 001 1
块号 块内字号 0
000 1 0
001 1
块号是主存地址的高位，块内字号是主存 地址的低位
Cache的访问过程
Cache
主存储器的部分内容也在Cache中 CPU给出需要访问数据的主存地址 检查Cache是否包含此数据 如果命中，CPU从Cache中获取该数据（快速） 如果未命中，将包含这个字的主存块装入Cache 同时把这个块的Tag标记放入对应Cache行的标记 域中 发送所需数据给CPU
Cache存储器原理
Cache
小而快的存储器 处在主存和CPU之间 可能位于CPU芯片或模块上
Cache是存储器分层结构的重要组成部分
Cache
相比主存，Cache相对较小 能以接近处理器速度进行访问 与主存相相比每位价格较为昂贵 Cache存储的是主存部分内容的副本
Cache/主存储器结构
Cache
容量为2n个字的主存 被划分成M个大小为 K个字的块
总块数：M= 2n /K
Cache也被划分成C 个大小为K个字的行
Cache行大小= 主存的块大小
Cache/主存储器结构
Cache
C<<M
任意时刻最多只 能有C个主存块驻 留在Cache中
多个主存块可以映射 到同一个Cache行
每个Cache行不能被某 块永久占用
Cache的访问过程
Cache
典型的Cache组织
Cache
Hale Waihona Puke
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1 Direct Mapping Cache Line Table
• Cache line • 0 • 1 • m-1 Main Memory blocks held 0, m, 2m, 3m…2s-m 1,m+1, 2m+1…2s-m+1 m-1, 2m-1,3m-1…2s-1
1 Direct Mapping Cache Organization
• Registers
—In CPU
• Internal or Main memory
—May include one or more levels of cache —―RAM‖
• External memory
—Backing store
Memory Hierarchy - Diagram
Performance
Location
• CPU • Internal • External
Capacity
• Word size
—The natural unit of organisation
• Number of words
—or Bytes
Unit of Transfer
• Internal
—Usually governed by data bus width
Locality of Reference
• During the course of the execution of a program, memory references tend to cluster • e.g. loopsnt of fast memory • Sits between normal main memory and CPU • May be located on CPU chip or module
• Cost
—More cache is expensive
• Speed
—More cache is faster (up to a point) —Checking cache for data takes time
Typical Cache Organization
Comparison of Cache Sizes
Cache Read Operation - Flowchart
4.3 Cache Design
• • • • • • Size Mapping Function Replacement Algorithm Write Policy Block Size Number of Caches
Size does matter
— 8 bit tag (=22-14) — 14 bit slot or line
• No two blocks in the same line have the same Tag field • Check contents of cache by finding line and checking Tag
Mapping Function
• Cache of 64kByte • Cache block of 4 bytes
—i.e. cache is 16k (214) lines of 4 bytes
• 16MBytes main memory • 24 bit address
—(224=16M)
1 Direct Mapping Example
1 Direct Mapping Summary
• Address length = (s + w) bits • Number of addressable units = 2s+w words or bytes • Block size = line size = 2w words or bytes • Number of blocks in main memory = 2s+w/2w = 2s • Number of lines in cache = m = 2r • Size of tag = (s – r) bits
Access Methods (2)
• Random
—Individual addresses identify locations exactly —Access time is independent of location or previous access —e.g. RAM
• Associative
1 Direct Mapping Address Structure
Tag s-r 8 Line or Slot r 14 Word w 2
• 24 bit address • 2 bit word identifier (4 byte block) • 22 bit block identifier
• External
—Usually a block which is much larger than a word
• Addressable unit
—Smallest location which can be uniquely addressed —Word internally —Cluster on disks
1 Direct Mapping
• Each block of main memory maps to only one cache line
—i.e. if a block is in cache, it must be in one specific place
• Address is in two parts • Least Significant w bits identify unique word • Most Significant s bits specify one memory block • The MSB s are split into a cache line field r and a tag of s-r (most significant)
William Stallings Computer Organization and Architecture 7th Edition Chapter 4 Cache Memory
1
4.1 Characteristics
• • • • • • • • Location Capacity Unit of transfer Access method Performance Physical type Physical characteristics Organisation
Access Methods (1)
• Sequential
—Start at the beginning and read through in order —Access time depends on location of data and previous location —e.g. tape
—Data is located by a comparison with contents of a portion of the store —Access time is independent of location or previous access —e.g. cache
Memory Hierarchy
• Transfer Rate
—Rate at which data can be moved
Physical Types
• Semiconductor
—RAM
• Magnetic
—Disk & Tape
• Optical