体系结构复习5

第5章 存储系统

存储器的分类和主要特点

Ø半导体存储器

Ø磁表面存储器

Ø光盘存储器

存储器存取方式:Ø随机存取存储器(RAM)Ø顺序存取存储器(SAM)

利用局部性原理：

. 以最便宜技术提供尽可能多的存储空间

. 以最快的技术提供访问

Cache的三种映像关系：全相联、直接映像、组相联

主存地址Tag、Index、块内偏移三个字段的计算

Cache块的替换策略

Cache的读写过程

平均访存时间和CPU时间的计算

Cache失效率的类别，以及每种失效率的解决方法有哪些

按照产生失效的原因不同，可以把失效分为以下3类（简称为“3C”）：

强制性失效（Compulsory Miss）：当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。这种失效也称为首次访问失效。

解决方法：减少强制性失效，可以增加块的大小。

容量失效（Capacity Miss）：如果Cache容纳不了一个程序执行所需要的所有块，将会发生容量失效（还会发生强制失效），某些块将被丢弃，随后再被调入

解决方法：要减小容量失效，可以增大Cache的容量。

冲突失效（Conflict Miss）：在组相联或直接映象Cache中，若太多的块映象到同一组（块）中，则某一个块被放弃，之后再重新调入，这时发生了冲突失效。

解决方法：冲突失效似乎是最容易减少的，只要采用全相联，就不会发生冲突失效。

1 增加块容量：

• 减少了强制性失效，利用了空间局部性；

• 减少Cache中块的数目，所以有可能会增加冲突失效。在Cache容量较小时，甚至还会增加容量失效。

2 提高相联度

• 8路组相联在降低失效率方面的作用已经基本和全相联一样有效。也就是说，采用相联度超过8的方法实际意义不大。

• 2:1 Cache经验规则，它是指容量为N 的直接映象Cache的失效率与容量为N/2的两路组相联Cache的失效率差不多相同

增加块大小的方法会在降低失效率的同时增加失效开销，而提高相联度则是以增加命中时间为代价。

3 增大Cache容量

4 编译器优化

虚拟地址到物理地址的转换过程，TLB表的原理和作用，与Cache的关系，访存时间的最好情况和最坏情况的判断

虚拟存储器 又称虚拟内存，将主存的用作辅助存储器(磁盘)高速缓存的技术。即将磁盘的一部分当作内存使用。

采用虚拟存储器的目的 Ø更有效地共享处理器和主存 Ø可以运行超过主存容量的程序

1. 虚拟地址到物理地址的转换:

   • 过程:
     通过页表进行虚拟地址到物理地址的映射。如果页在内存中，直接存取；如果页在磁盘中，则触发缺页异常。
     转换步骤：

     • 处理器产生虚拟地址。
     • 页表将虚拟页号映射到物理页号，并加上页内偏移，生成物理地址。
     • 如果有效位为0，表示缺页，操作系统处理缺页异常，将所需页面加载到内存。

   • TLB加速转换:
     虚拟地址转换通常需要访问页表，耗费两个存储周期（一个获取物理地址，一个访问数据）。通过TLB（Translation Lookaside Buffer），缓存最近的虚拟地址和物理地址映射，命中时只需一个存储周期。

2. TLB表的原理和作用:
   • 原理:
     • TLB 是一种专门的高速缓存，存储最近使用过的页表项。
     • 对虚拟地址的转换，通过查询TLB快速获取物理地址。如果TLB命中，则直接用物理地址访问内存；若TLB缺失，则查询页表补充TLB。
   • 作用:
     • 加速地址转换过程，减少页表访问次数。
     • 提高虚拟存储器的性能。
3. TLB与Cache的关系:
   • 两者结合:
     • TLB 用于虚拟地址到物理地址的转换。
     • Cache 用于加速数据访问（物理地址）。
   • 访存流程:
     • 处理器生成虚拟地址，TLB将其转换为物理地址。
     • 使用物理地址在Cache中查找数据。
   • 关系特点:
     • TLB 负责地址转换，Cache 负责数据缓存。
     • TLB 命中与Cache命中分别决定访存时间的长短。
4. 访存时间的最好与最坏情况:
   • 最好情况:
     • TLB命中且Cache命中，访问数据只需1个存储周期。
   • 最坏情况:
     • TLB缺失、页表缺页、Cache未命中。
     • 涉及操作：处理缺页异常，加载页面，更新TLB和Cache，最差可能需访问磁盘。