计算机组成原理第十二讲(存储子系统二).

Collegeofcomputerscience,SWPUComputerScience计算机组成原理第十三讲：存储子系统（二）计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器分类软盘、磁带、硬盘技术指标记录密度道密度：单位长度内的磁道数位密度：磁道上单位长度内的二进制代码数存储容量非格式化容量：总位数，用位密度计算计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器格式化容量：有效位数，用扇区内的数据块长度计算速度指标平均存取时间数据传输率：带：平均等待时间盘：平均定位、平均旋转时间查找速度ms读/写速度Kb/s、KB/s计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器软盘信息分布与寻址信息信息分布盘片：单片，双面记录磁道：盘片旋转一周，磁头作用区域扇区：磁道上长度相同的区段。存放数据块。各道容量相同，各道位密度不同，内圈位密度最大。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器容量非格式化容量=内圈位密度×内圈周长×道数/面×面数格式化容量=字节数/扇区×扇区数/道×道数/面×面数寻址信息驱动器号、磁头号、磁道号、扇区号、扇区数计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器硬盘信息分布与寻址信息信息分布盘组：多个盘片，双面记录圆柱面：各记录面上相同序号的磁道构成一圆柱面数据块扇区（定长记录格式）记录块（不定长记录格式），无扇区划分。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器寻址信息驱动器号、圆柱面号、磁头号、扇区号（记录号）、交换量。选择磁盘组选择盘面选择磁道选择起始扇区扇区数计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器设某磁盘有两个记录面，存储区内直径为２.36英寸，外直径为５英寸，道密度为１２５０TPI（TPI：磁道数/英寸），内直径处的位密度为52400bpi（bpi：位/英寸），转速为2400rpm（rpm：转/分）。请解答：（１）每面有多少个磁道，每磁道能存储多少字节？（２）数据传输率是多少？（３）磁盘的寻址信息？计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器磁记录方式定义：写电流波形的组成方式解决提高可靠性：增大写波幅度，以提高读出信号幅度。提高记录密度减少转变区数目，使单元长度缩短具有自同步能力，使位单元长度缩短。自同步，即能从自身读出信号序列中提取同步信号，以区分位单元。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器选择原则：主要由以下三点决定自同步能力记录密度可靠性实用记录方式的特点与应用不归零-1制（NRZ1）写1时电流变方向，写0时电流不变方向。“见1就翻”001101I0t转变区少，无自同步能力。用于早期低速磁带机。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器调相制（PE）调频制（FM）I0t001101写1时中间电流正跳变，写0时中间电流负跳变。转变区多，有自同步能力。用于常规磁带机。I0t001101写1时电流变二次，写0时电流变一次。起始变方向转变区多，有自同步能力。用于早期磁盘。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器改进型调频制（MFM）写1时位单元中间电流变，相邻的0交界处电流变。转变区少，有自同步能力。用于磁盘。I0t001101可压缩位单元长度：I0t001101计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU磁表面存储器群码制（GCR）——GCR（4，5）记录码中连续的0不超过2个；记录码按NRZ1方式写入。转变区少，有自同步能力。用于数据流磁带机。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能高速缓冲存储器问题的提出CPU和主存的速度差Cache的功能（引入目的）：解决CPU和主存间速度不匹配缓存CPU主存容量小速度高容量大速度低计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能存储器访问的局部性原理时间局部性：当前正在使用的信息很可能是后面立即还要用的信息,例程序循环和堆栈操作。空间局部性：指连续使用到的信息很可能在存储空间上相邻或相近，以顺序执行的程序和数据(如数组)便是如此。分层结构：局部性原理是存储系统层次结构技术可行性的基础。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPUCPUCACHEL1CACHEL2MMAMCPU地址映象cache主存数据总线地址总线ALU通用寄存器L1L2主存辅存CPU存储系统存储系统层次结构图Cache原理图块传送字传送字传送计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能Cache命中率增加Cache的目的就是使主存的平均读出时间尽可能接近Cache读出时间，即Cache命中率接近1。在一个程序执行期间，设Nc表示Cache完成存取的总次数，Nm表示主存完成存取的总次数，h定义为命中率，则有：mccNNNh计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能Cache/主存系统平均访问时间ta根据主存的启动时间有：Cache访问和主存访问是同时启动Cache访问不命中时才启动主存tc:命中Cache访问时间tm:主存访问时间mcathhtt)1(mcathtt)1(计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能存储层次访问效率例：CPU执行一段程序时，Cache完成存取次数为1900次，主存完成存取次数为100次，已知Cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns，求Cache/主存系统的效率和平均访问时间（设访问Cache和主存同时启动）actte计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能解：95.010019001900mccNNNhnsmcathhtt60250)95.01(5095.0)1(833.06050actte计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能地址映像直接映像字块2m－1字块2c+1字块2c+1－1字块2c+1字块2c字块2c－1字块1字块0………主存储体字块1标记字块0标记字块2c－1标记Cache存储体t位01C－1…字块字块地址主存字块标记t位c位b位主存地址比较器（t位）=≠不命中有效位=1？*m位Cache内地址否是命中计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能优点：实现简单缺点：不够灵活，命中率低例：设主存容量1MB，Cache容量16KB，块的大小为512B，采用直接地址映像方式：写出Cache地址格式写出主存地址格式块表容量为多大？画出地址映像及变换示意图主存地址为CDE8FH的单元在Cache中的什么位置？计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能全相联映像字块2m－1字块2c－1字块1字块0……字块2c－1字块1字块0…标记标记标记主存字块标记字块内地址主存地址m=t+c位b位m=t+cCache存储器主存储器计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能优点：很灵活，命中率高缺点：很复杂，很难实现将上例改用全相联地址映像方式进行计算计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能组相联映像字块2m－1字块2c-r+1字块2c-r+1字块2c-r字块2c-r－字块1字块0………字块3标记字块1标记字块2c－1标记字块2标记字块0标记字块2c－2标记…………字块内地址组地址主存字块标记s=t+r位q=c－r位b位组012c-r－1主存地址Cache主存储器m位共Q组，每组内两块（r=1)1计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能例：一个组相联地址映像Cache由64个存储块组成，每组包含4个存储块，主存包含4096个存储块，每块由8字组成，每字为32位。存储器按字节编址，访存地址为字地址。写出Cache地址位数和地址格式写出主存地址位数和地址格式画出组相联地址映像方式示意图主存地址18AB9H映像到Cache的哪个字块？计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能替换算法先进先出算法近期最少使用算法某程序对页面要求的序列为P3P4P2P6P4P3P7P4P3P6P3P4P8P4P6。设Cache容量为4个页面，求FIFO和LRU算法各自的命中率（假设开始时Cache为空）计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPUCache的读/写过程读操作写操作写直达法（存直达法）：在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入主存中相应的块。写回法（拷回法）：只把信息写入Cache相应的块中。该块只有被替换时，才写回相应的主存块中。通常为Cache的每个块设置一个“污染位”或称为“脏位（dirty）”。用于指出该块是“脏”的（被修改过）还是“干净”的（没被修改过）。替换时只有“脏”的块才会写回主存。提高存储系统性能计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPUCache的读写过程两种写方法的特点（自己总结）写失效发生时，都有一个是否调入相应块的问题，有两种选择：按写分配法：写失效时，先把所写单元所在块调入Cache，然后再进行写入。不按写分配法：写失效时，直接将数据写入主存而不调入Cache。写回法一般采用按写分配法，写直达法一般采用不按写分配法。提高存储系统性能计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能虚拟存储器基本思想：通过某种策略，把辅存中信息的一部分调入主存，在用户面前呈现的是比主存大得多的地址空间。虚拟存储器是以存储器访问局部性原理为基础，建立在主—辅存体系上的存储器管理技术。概念：多级存储器在操作系统管理下，向用户提供比实际主存大得多的存储空间，即提供虚拟存储器。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能虚地址：由虚存提供的地址称为逻辑地址或虚地址。实地址：由主存提供的地址称为物理地址或实地址虚地址必须转换成实地址才能进行操作。遵循的原则：将常用信息保存在高速存储器，不常用信息送回低速存储器。数据的置换由硬件或操作系统完成，对用户透明。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能虚拟存储器分类页式虚拟存储器段式虚拟存储器段页式虚拟存储器双端口存储器双端口存储器：是指同一存储器具有两组相互独立的读写控制线路，是一种高速工作的存储器。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能双端口存储器提供左、右两个独立端口，分别具有独立的地址、数据和控制线，可对存储器任意单元中数据进行独立存取操作。图中，用L表示左端口，用R表示右端口。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU提高存储系统性能特点：每个芯片