第5章 教案4

1、第五章第五章存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)5.25.2內(nèi)存儲(chǔ)器一、教學(xué)目標(biāo)：1了解高速緩沖存儲(chǔ)器的概念2.掌握各種地址映象3.了解虛擬存儲(chǔ)器二、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)高速緩沖存儲(chǔ)器，虛擬存儲(chǔ)器三、教學(xué)方法教師講解，學(xué)生思考、記憶；教與學(xué)對(duì)應(yīng)的全鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法四、教具使用計(jì)算機(jī)一臺(tái)、多媒體幻燈片演示五、教學(xué)內(nèi)容與過(guò)程導(dǎo)入：提問(wèn)：分析4種ROM的特點(diǎn)？學(xué)生思考、看書(shū)、回答；教師總結(jié)歸4種ROM的特點(diǎn)，進(jìn)入教學(xué)課題。講授新課：（多媒體幻燈片演示和板書(shū)）5.2.3高速緩

2、沖存儲(chǔ)器1高速緩存（Cache——主存存儲(chǔ)層次）提問(wèn)：高速緩存的作用？采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教師帶領(lǐng)學(xué)生思考、看書(shū)、回答教師總結(jié)：高速緩沖存儲(chǔ)器Cache，可以設(shè)置在CUP內(nèi)部，它與運(yùn)算和控制部件距離較近，工作過(guò)程完全由硬件電路控制，因此數(shù)據(jù)的存取速度很快，一般速度高出內(nèi)存數(shù)倍。Cache容量較小，大都在1MB以下。在計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，Cache用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序（段）或正在處理的數(shù)據(jù)。⑴高速緩沖存儲(chǔ)器的必要性教材圖518所示。Cache控

3、制器將來(lái)自CPU的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)請(qǐng)求，轉(zhuǎn)向Cache存儲(chǔ)器，如果數(shù)據(jù)在Cache中，則CPU對(duì)Cache進(jìn)行操作，稱(chēng)為一次命中，命中時(shí)，CPU從Cache中讀（寫(xiě)）數(shù)據(jù)。由于Cache速度與CPU速度相匹配，因此不需要插入等待狀態(tài)，CPU處于零等待狀態(tài)，當(dāng)CPU與Cache達(dá)到了同步，因此有時(shí)稱(chēng)高速緩存為同步Cache。若數(shù)據(jù)不在Cache中，則CPU對(duì)主存操作，稱(chēng)為一次失敗。失敗時(shí)，CPU必須在機(jī)器周期中插入等待周期。目前Cache存儲(chǔ)器容

4、量主要有256KB等。這些大容量的Cache存儲(chǔ)器，使CPU訪(fǎng)問(wèn)命中率高達(dá)90%至98%，大大地提高了CPU訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的速度，提高了系統(tǒng)的性能。由此可見(jiàn)，從CPU的角度看，這種Cache—主存層次的速度接近于Cache，容量與每位價(jià)格則接近于主存，因此解決了速度與成本之間的矛盾。（2）高速緩沖存儲(chǔ)器的可行性對(duì)大量的典型程序的運(yùn)行情況分析結(jié)果表明，在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲(chǔ)器邏輯地址空間的很小范圍內(nèi)。在多數(shù)情況下，指

5、令是順序執(zhí)行的。因此指令地址的分布是連續(xù)的，再加上循環(huán)程序段和子程序段要重復(fù)執(zhí)行多次，因而對(duì)這些地址享的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特別重要。另一種是不命中時(shí)，很多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只向主存寫(xiě)入信息，不必同時(shí)把這個(gè)地址單元所在的整塊內(nèi)容調(diào)入Cache存儲(chǔ)器。4地址映象為了把信息放到Cache中，必須應(yīng)用某種函數(shù)把主存地址映象到Cache中定位，稱(chēng)作地址映象。當(dāng)信息按這種映象關(guān)系裝入Cache后，執(zhí)行程序時(shí)，應(yīng)將主存地址變換為Cache地址，這個(gè)變換過(guò)程叫作地址變

6、換。Cache的空間較小，其地址的位數(shù)也較少，而主存的空間較大，其地址的位數(shù)也較多。因此，Cache中的一個(gè)存儲(chǔ)塊與主存中的若干個(gè)存儲(chǔ)塊相對(duì)應(yīng)，即若干個(gè)主存地址將映射成同一個(gè)Cache地址。根據(jù)這種地址的對(duì)應(yīng)方法，地址映象方式有直接映象、全相映象和組相聯(lián)映象三種。⑴直接映象每個(gè)主存地址映象到Cache中的一個(gè)指定地址的方式稱(chēng)為直接映象。在直接映象方式下，主存中存儲(chǔ)器單元的數(shù)據(jù)只可調(diào)入Cache中的一個(gè)位置，如果主存中另一個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)

7、也要調(diào)入該位置，則將發(fā)生沖突。地址映象的方法一般是將主存塊地址對(duì)Cache的塊號(hào)取模即可得到Cache的塊地址，這相當(dāng)于將主存的空間按Cache的尺寸分區(qū)。每區(qū)內(nèi)相同的塊號(hào)映象到Cache中相同的塊位置。提問(wèn)：簡(jiǎn)述直接映象的特點(diǎn)？學(xué)生思考、看書(shū)、回答⑵全相聯(lián)映象主存中的每一個(gè)字塊可映象到Cache任何一個(gè)字塊位置上，這種方式稱(chēng)為全相聯(lián)映象，教材圖520所示。在全相聯(lián)映象方式下，主存中存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)可調(diào)入Cache中的任意位置，也就是說(shuō)，

8、允許從已被占滿(mǎn)的Cache中替換出任何一個(gè)舊字塊。這種方式可達(dá)到很高的Cache命中率，但實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)塊中的數(shù)據(jù)時(shí)，塊地址要與Cache塊表中的所有地址標(biāo)記進(jìn)行比較以確定是否命中。在數(shù)據(jù)塊調(diào)入時(shí)，存在著一個(gè)比較復(fù)雜的替換策略問(wèn)題，即決定將數(shù)據(jù)塊調(diào)入Cache中什么位置，將Cache中哪一塊數(shù)據(jù)調(diào)出到主存。提問(wèn)：簡(jiǎn)述全相聯(lián)映象的特點(diǎn)？學(xué)生思考、看書(shū)、回答⑶組相聯(lián)映象組相聯(lián)映象方式是全相聯(lián)映象和直接映象的一種折中方案。這種方法將存

9、儲(chǔ)空間分成若干組，各組之間為直接映象，而組內(nèi)各塊之間則為全相聯(lián)映象。如圖521所示，在組相聯(lián)映象方式下，主存中存儲(chǔ)塊的數(shù)據(jù)可調(diào)入Cache中一個(gè)指定組內(nèi)的任意塊中。它是上述兩種映象方式的一般形式，如果組的大小為1時(shí)就變成了直接映象；如果組的大小為整個(gè)Cache的尺寸時(shí)就變成了全相聯(lián)映象。提問(wèn)：簡(jiǎn)述相相聯(lián)映象的特點(diǎn)？學(xué)生思考、看書(shū)、回答LRU（LeastRecentlyUsed）策略是把當(dāng)前Cache中近期使用次數(shù)最少的那塊信息替換出去。

10、這種替換算法需隨時(shí)記錄Cache中各個(gè)字塊的使用情況，以便確定哪個(gè)字塊是近期最少使用的字塊。LRU替換策略的平均命中率比FIFO要高，并且當(dāng)分組容量加大時(shí)，能提高LRU替換策略的命中率。5.2.4虛擬存儲(chǔ)器1虛擬存儲(chǔ)器基本概念虛擬存儲(chǔ)技術(shù)是在主存與輔存之間，增加軟件及必要的硬件，使主、輔存之間的信息交換，程序的再定位，地址的轉(zhuǎn)換都能自動(dòng)進(jìn)行，使兩者形成一個(gè)有機(jī)的整體。由于程序員可以用到的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主存的實(shí)際空間，但實(shí)際并不存在這么大的