計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)期末復(fù)習(xí)-文庫吧
2025-05-23 22:16 本頁面
【正文】 。(1) 時(shí)間局部性：最近訪問過的代碼在很短的時(shí)間內(nèi)有可能被再次訪問；主要對應(yīng)于循環(huán)語句；（2）空間局部性：與剛被訪問過的指令或數(shù)據(jù)相鄰的指令或數(shù)據(jù)有可能馬上被訪問；主要對應(yīng)于順序執(zhí)行的語句。 訪問的局部性原理是構(gòu)成層次化存儲系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。存儲器的主要性能指標(biāo)：速度、容量和價(jià)格存儲容量的單位價(jià)格公式：當(dāng)S2S1時(shí)，C≈C2。因此，整個(gè)存儲系統(tǒng)的單位容量價(jià)格C接近于比較便宜的M2存儲器的單位容量價(jià)格C2。但是S2于S1不能相差太大，否則，存儲系統(tǒng)要達(dá)到比較高的性能，調(diào)度起來很困難。存儲系統(tǒng)的容量? 要求：存儲系統(tǒng)的容量等于M2存儲器的容量? 提供盡可能大的地址空間，且能夠隨機(jī)訪問? 方法有兩種：? 只對M2存儲器進(jìn)行編址，M1存儲器只在內(nèi)部編址 另外設(shè)計(jì)一個(gè)容量很大的邏輯地址空間存儲系統(tǒng)的速度速度用存儲器的讀出時(shí)間、訪問周期、頻帶寬度等表示。讀出時(shí)間：“讀”命令有效到數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)有效的時(shí)間間隔TA；訪問周期：單體存儲器連續(xù)兩次讀寫操作的最小時(shí)間間隔TM；TMTA命中率H=N1/(N1+N2) N1和N2分別代表對M1存儲器和M2存儲器的訪問次數(shù) 訪問周期T=H*T1+(1H)*T2 ，當(dāng)命中率H很大時(shí)，訪問周期T接近于速度比較快的M1存儲器的訪問周期T1存儲器的訪問效率為e=T1/T=1/H+(1H)*T2/T1所以訪問效率主要與H和T2/T1值有關(guān)。H越大越好，T2/T1越小越好，可這個(gè)值通常在10^5很難變小，所以主要通過提高命中率來提高訪問效率例：假設(shè)T2＝５T１，分別計(jì)算存儲系統(tǒng)的訪問效率。 解：當(dāng)H＝，e1＝1／(＋5(1－))＝ 當(dāng)H＝，e2＝1／(＋5(1－))＝采用預(yù)取技術(shù)可以大幅度提高命中率。方法是：當(dāng)不命中時(shí)，在數(shù)據(jù)從主存儲器中取出送往CPU的同時(shí)，把主存儲器相鄰幾個(gè)單元中的數(shù)據(jù)（稱為一個(gè)數(shù)據(jù)塊）都取出來送入CACHE。H’=(H+N1)/N ，其中N為CACHE的塊大小與數(shù)據(jù)塊重復(fù)使用次數(shù)的乘積，H是原來的命中率，H’是采用預(yù)取技術(shù)之后的命中率例：在一個(gè)虛擬存儲系統(tǒng)中，T2＝105 T１，現(xiàn)采用預(yù)取技術(shù)，訪問磁盤存儲器的數(shù)據(jù)塊大小為4K字，計(jì)算數(shù)據(jù)在主存儲器中的重復(fù)利用率至少為多少？解：假設(shè)數(shù)據(jù)在主存儲器中的重復(fù)利用率為m，根據(jù)前面的給出關(guān)系：解這個(gè)方程組，得到m＝44，即數(shù)據(jù)在主存儲器中的重復(fù)利用率至少為44次。例：Cache存儲系統(tǒng)中，Cache的訪問周期為10ns，主存儲器的訪問周期為60ns,每個(gè)數(shù)據(jù)在Cache中平均重復(fù)使用4次。塊的大小為1個(gè)字時(shí)，現(xiàn)在要提高增加塊的大小。計(jì)算命中率和等效訪問周期；命中率和等效訪問周期應(yīng)當(dāng)為多少？ 塊的大小至少要增加到幾個(gè)字？存儲器的頻帶平衡：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各級存儲器的頻帶應(yīng)該達(dá)到平衡解決存儲器頻帶平衡方法(1) 多個(gè)存儲器并行工作（本節(jié)）并行訪問存儲器交叉訪問存儲器高位交叉訪問存儲器。主要目的：擴(kuò)大存儲器容量 實(shí)現(xiàn)方法：用地址碼的高位部分區(qū)分存儲體號低位交叉訪問存儲器。主要目的：提高存儲器訪問速度 實(shí)現(xiàn)方法：用地址碼的低位部分區(qū)分存儲體號 低位交叉比高位交叉更常用無訪問沖突并行存儲器(2) 設(shè)置各種緩沖存儲器（第五章）(3) 采用存儲系統(tǒng)（本章下兩節(jié)）影響主存命中率的主要因素：(1) 程序在執(zhí)行過程中的頁地址流分布情況。(2) 所采用的頁面替換算法。(3) 頁面大小。(4) 主存儲器的容量(5) 所采用的頁面調(diào)度方法。堆棧型替換算法的定義：（****課后題****）? 對任意一個(gè)程序的頁地址流作兩次主存頁面數(shù)分 配，分別分配m個(gè)主存頁面和n個(gè)主存頁面，并且有m≤n。如果在任何時(shí)刻t，主存頁面數(shù)集合Bt都滿足關(guān)系： Bt（m）? Bt（n）則這類算法稱為堆棧型替換算法。堆棧型算法的基本特點(diǎn)是：隨著分配給程序的主 存頁面數(shù)增加，主存的命中率也提高，至少不會 下降。LFU（最久未使用）算法、LRU（近期最少使用）算法和OPT（最優(yōu)替換）算法都是堆棧型算法。FIFO（先進(jìn)先出）算法不是堆棧型算法例題：一個(gè)虛擬存儲系統(tǒng)，采用最久沒有使用算法，實(shí)存共5頁，為2道程序分享，頁地址流分別如下P1= 1 2 3 4 1 3 2 1P2= 1 2 3 4 2 2 3 3試作2個(gè)實(shí)存分配方案，分別使2道程序滿足(1)命中率相同；(2)命中次數(shù)之和最大。Cache存儲系統(tǒng)工作：基于程序局部性訪問原理，是對主存信息的拷貝Cache存儲系統(tǒng)的加速比SPSP=TM/T （TM為存儲器的訪問周期，TC為CACHE的訪問周期，這個(gè)公式與存儲器訪問效率e的公式是相反的）提高Cache存儲系統(tǒng)加速比的最好途徑是提高命中率命中率H主要與如下幾個(gè)因素有關(guān)：? 程序在執(zhí)行過程中的地址流分布情況? 所采用的替換算法? Cache的容量? 在組相聯(lián)映象方式中，塊的大小? 在組相聯(lián)映象方式中，分組的數(shù)目? 所采用的Cache預(yù)取算法Cache命中率與容量的關(guān)系:Cache的命中率隨它的容量的增加而提高。在CACHE容量比較小的時(shí)候，命中率提高得非常快，隨著Cache容量的增加，命中率提高的速度逐漸降低。當(dāng)C容量大道無窮時(shí)，命中率達(dá)100%Cache命中率與塊大小的關(guān)系? 在組相聯(lián)映象方式中，塊的大小對命中率的影響非常 敏感? 塊很小時(shí)，命中率很低。? 隨著塊大小的增加，由于程序局部性，命中率增加。達(dá)到一個(gè)最佳值? 當(dāng)塊非常大時(shí)，進(jìn)入Cache中的許多數(shù)據(jù)可能用不上。超過最佳值后命中率開始下降。當(dāng)塊大小等于Cache的容量時(shí)，命中率將趨近于零。Cache命中率與組數(shù)的關(guān)系? 組相聯(lián)映象中，分組的數(shù)目對命中率的影響很明顯。? 隨著組數(shù)的增加，Cache的命中率要降低。? 當(dāng)組數(shù)不太大時(shí)(512組以下)，命中率的降低相當(dāng)少；? 當(dāng)組數(shù)超過一定數(shù)量時(shí)，命中率的下降很快。Cache的一致性問題? 本節(jié)討論的內(nèi)容僅限于單處理機(jī)、單存儲器。? 造成Cache與主存的不一致的原因：? (1) 由于CPU寫Cache，沒有立即寫主存? (2) 由于IO處理機(jī)或IO設(shè)備寫主存Cache的更新算法(1) 寫直達(dá)法，又稱寫通過法，WT（Write‐through）： CPU在執(zhí)行寫操作時(shí)，把數(shù)據(jù)同時(shí)寫入Cache和主存。? (2) 寫回法，又稱為抵觸修改法，WB（Write‐Back）： CPU的數(shù)據(jù)只寫入Cache，不寫入主存。僅當(dāng)替換時(shí)， 才把修改過的Cache塊寫回到主存。寫回法與寫直達(dá)法的優(yōu)缺點(diǎn)比較：? (1) 可靠性，寫直達(dá)法優(yōu)于寫回法。? (2) 與主存的通信量，寫回法少于寫直達(dá)法。? (3) 控制的復(fù)雜性，寫直達(dá)法比寫回法簡單。? (4) 硬件實(shí)現(xiàn)的代價(jià)，寫回法要比寫直達(dá)法好。寫Cache的兩種方法：(1) 不按寫分配法：在寫Cache不命中時(shí)，只把所要寫的字寫入主存。(2) 按寫分配法：在寫Cache不命中時(shí)，除了把所要寫的字寫入主存外，還把一個(gè)塊從主存讀入Cache。目前，在寫回法中采用按寫分配法，在寫直達(dá)法中采用不按寫分配法。第四章輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)是處理機(jī)與外界數(shù)據(jù)交換的通道。輸入輸出系統(tǒng)最典型地反映著硬件與軟件的相互結(jié)合。輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)集中反映在異步性，實(shí)時(shí)性，和與設(shè)備無關(guān)性三項(xiàng)基本要求上，它們對輸入輸出系統(tǒng)的組織產(chǎn)生決定性影響。實(shí)時(shí)性反映了不同種類設(shè)備對于CPU響應(yīng)時(shí)間的區(qū)別，采用層次結(jié)構(gòu)的方法來解決 設(shè)備無
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