【正文】 存 。 頁(yè)失效 指當(dāng)前被訪問存儲(chǔ)級(jí)中沒有所需的信息，也就是不命中現(xiàn)象。依劃分標(biāo)準(zhǔn)不同，存在 3種存儲(chǔ)層次管理方式。段的長(zhǎng)度不一，但段內(nèi)所有數(shù)據(jù)的信息屬性一般是相同的，便于統(tǒng)一進(jìn)行信息保護(hù)。 因其實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜 ， 僅用于主存 —輔存層次 。 我們把用戶文件劃分得到的一個(gè)長(zhǎng)度單位稱為 “ 虛頁(yè) ” ，因?yàn)樗捻?yè)號(hào)是在虛地址空間中編排的；實(shí)地址空間按頁(yè)的大小劃分得到的一個(gè)長(zhǎng)度單位稱為 “ 實(shí)頁(yè) ” 。 (3)段頁(yè)式管理 。 它的實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜 ， 僅用于主存 —輔存層次 。修改標(biāo)志為 “ 0” 表示該頁(yè)還沒有被修改過，為 “ 1” 則表示該頁(yè)已經(jīng)被修改過。 (2)如果不發(fā)生主存頁(yè)面失效的話，計(jì)算訪問主存的物理地址。 基本調(diào)度單位：頁(yè)，幾百 Byte到幾千 Byte。 速度比：幾倍。 (1) 容量： S = S2 （ 理論上 ） (2) 單價(jià)： （ 美分 /bit） 2021212121221121l i m1ccSSccSSSSScSccSS???????????它的最小值是 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 11 (3) 速度 表現(xiàn)訪問速度的參數(shù)較多。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 13 假設(shè)： TAi表示第 i級(jí)器件讀 /寫時(shí)間； TBi表示第 i級(jí)向上級(jí)傳送時(shí)間 。 (1) 分別計(jì)算三種方案的等效訪問時(shí)間； (2) 分別計(jì)算三種方案每 KB的平均價(jià)格； (3) 分別根據(jù)等效訪問時(shí)間、每 KB的平均價(jià)格排序； (4) 根據(jù)等效訪問時(shí)間和平均價(jià)格的乘積排序。 (1)按圖 (a)求 TA和 e； (2)按圖 (b)推導(dǎo)三層體系的 TA公式； (3)按圖 (b)求 TA和 e； (4)比較 (1)(3)結(jié)果，有何結(jié)論？ 解： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 16 多級(jí)存儲(chǔ)層次的平均訪問時(shí)間 2 ? ?322221111111331131331 )2(%91 %)101(101100101 101F 10110 )1(AMMAMMAAAAAAAATTTFTTTFTTTTeTsssTFTTH?????????????????????????，此處，???? ?22121122211 MAAMAAATFFTFTTFTFTT??????????由這 2式合并得 此公式參見教材 P214倒數(shù)第 12行?！笆А钡亩x是經(jīng)過等待后完成的訪問，而“命中”是不需要等待即完成的訪問，僅此不同。此后 M1向 M2發(fā)出的 999次請(qǐng)求都能立即響應(yīng)，而再下一次請(qǐng)求又需要等待 … 。 局部不命中率與全局不命中率（ P214） 級(jí)訪問次數(shù)到達(dá)第級(jí)不命中次數(shù)第局部不命中率iii ?發(fā)出的訪問總次數(shù)級(jí)不命中次數(shù)第全局不命中率CP Uii ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 20 因?yàn)椋? 所以： 依此類推， …… 局部不命中率與全局不命中率（續(xù) ） 級(jí)訪問次數(shù)到達(dá)第級(jí)不命中次數(shù)第 1?? ii111 局部不命中率發(fā)出的訪問總次數(shù)級(jí)不命中次數(shù)第全局不命中率 ??CP U2121212局部不命中率局部不命中率級(jí)不命中次數(shù)第級(jí)不命中次數(shù)第發(fā)出的訪問總次數(shù)級(jí)不命中次數(shù)第發(fā)出的訪問總次數(shù)級(jí)不命中次數(shù)第全局不命中率?????C P UC P U3213231213局部不命中率局部不命中率局部不命中率級(jí)不命中次數(shù)第級(jí)不命中次數(shù)第級(jí)不命中次數(shù)第級(jí)不命中次數(shù)第發(fā)出的訪問總次數(shù)級(jí)不命中次數(shù)第發(fā)出的訪問總次數(shù)級(jí)不命中次數(shù)第全局不命中率???????C P UC P U 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 21 多級(jí)存儲(chǔ)層次的平均訪問時(shí)間公式重寫 將這些局部不命中率、全局不命中率的定義式代入到前面的多級(jí)存儲(chǔ)層次平均訪問時(shí)間公式中，我們可以得到更容易記憶的公式形式： AnnAAAAnnAAAATTTTTFFTFFTFTT???????????????????????13221111321211 全局不命中率全局不命中率全局不命中率?? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 22 例 考慮某一兩級(jí) Cache： 第一級(jí) Cache為 L1， 第二級(jí) Cache為 L2。 例 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 23 (2) TA＝ TA1＋ F1 (TA2＋ F2 TM2) ＝ 1＋ 4% (10＋ 50% 100) ＝ 1＋ 4% 60＝ 式中后面部分 4% 60為每次訪存的平均停頓時(shí)間（即 失效開銷 ）： 每次訪存的平均停頓時(shí)間（即 失效開銷 ）＝ 4% 60＝ 由于平均每條指令訪存 ，所以： 每條指令的平均停頓時(shí)間＝ ＝ 習(xí)題 例 （續(xù)） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 24 各次作業(yè)應(yīng)交的內(nèi)容 作業(yè) 8（第 9次課） 2 月 19 日 1. 10 ( 改 ) ， 1. 7 ， 1. 1 1( 2 解法 ) 4 月 9 日 7. 14 ( 難題 ) ， 7. 12 ( 難題 ) 2 月 26 日 2. 14 ( 補(bǔ)充 ) ，實(shí)驗(yàn) 1 ， 3. 8 ， 3. 10 4 月 16 日 8. 12 ( 補(bǔ) ) ， 8. 1 1( 改 ) ( 難題 ) 3 月 5 日 3. 1 1( 改 ) ，實(shí)驗(yàn) 2 ， 5. 1 1 ， 5. 8 ， 5. 9 4 月 23 日 9. 9( 改 ) ， 9. 13 3 月 12 日 6. 8( 改 ) ， 6. 7 ， 7. 9 4 月 30 日 10 .6 ， 10 .9 ( 難題 ) 4 月 2 日 7. 1 1 ， 7. 10 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 25 地址映象問題的提出 頁(yè)表必須存放在實(shí)存 M1里 。 為避免逐行比對(duì) ， 利用相聯(lián)存儲(chǔ)器存放此表 ， 它具有并行比較功能 ， 但價(jià)格遠(yuǎn)高于普通存儲(chǔ)器 。 這種關(guān)系可用下頁(yè)示意圖 (a)、 (b)表示 。 由于頁(yè)表必須常駐在實(shí)存中 ， 而主存 輔存層次的實(shí)存 （ 即主存 ） 相對(duì)Cache主存層次的實(shí)存 （ 即 Cache存儲(chǔ)器 ） 容量大得多 ， 所以全相聯(lián)映象方式一般用于主存 輔存層次 。 1 虛 3 √ √ √ √ 4 實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)單 ， 因?yàn)樵诙M(jìn)制中 ， 任何數(shù) X對(duì) 2的整次冪 n求模等價(jià)于截取 X的最低 log2n位 ， 如下頁(yè)示意圖 (c)所示 。 這種映象方式主要用于對(duì)實(shí)存價(jià)格 、 速度敏感的 Cache主存層次 。 0 2 √ 3 6 √ 7 7 √( a ) 虛頁(yè)集合與實(shí)頁(yè)集合的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ( b) 對(duì)應(yīng)關(guān)系表 （ √ 為有關(guān)系）虛地址 虛頁(yè)號(hào) 1 1 1 頁(yè)內(nèi)偏移量 D實(shí)地址 實(shí)頁(yè)號(hào) 1 1 頁(yè)內(nèi)偏移量 d( c ) 通過 求模運(yùn)算進(jìn)行虛實(shí)變換示例 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 31 (3) 組相聯(lián) (set associative， P194) 組相聯(lián)映象方式是全相聯(lián)與直接相聯(lián)的一個(gè)折中方案 ， 性能也是二者的折中 。 在虛實(shí)變換時(shí) ， 首先根據(jù)虛頁(yè)號(hào)所在的虛組號(hào) ， 通過求模運(yùn)算確定實(shí)組號(hào) ， 再按虛組號(hào)在相應(yīng)的子表內(nèi)讀出組內(nèi)頁(yè)號(hào) ， 拼接在一起就是實(shí)頁(yè)號(hào) 。 當(dāng)然這兩方面優(yōu)點(diǎn)是互相抵觸的：組內(nèi)頁(yè)數(shù)越多 ， 實(shí)存空間劃分的組數(shù)就越少 ， 實(shí)組號(hào)字段所占位數(shù)也少 ， 這時(shí)改善實(shí)頁(yè)爭(zhēng)用現(xiàn)象的效果較好 ， 而節(jié)省頁(yè)表空間的效果較差 ， 反之亦然 。 下頁(yè)圖示為 2路組相聯(lián) （ 2way set associative）。 2 實(shí)組 1 頁(yè) 4 √ √ 5 例如 ， 虛塊 0可以映象到實(shí)組 0的任意一塊中 。 另外 ， 從數(shù)據(jù)的分布情況看。 位選擇組相聯(lián)的地址變換過程比一般組相聯(lián)映象方式簡(jiǎn)單 ， 而與全相聯(lián)映象方式基本相同 。這種方法原理簡(jiǎn)單，但是占用空間非常大。（與 Hash查表有點(diǎn)相似） 表項(xiàng)數(shù)少于虛頁(yè)數(shù)意味著查表時(shí)會(huì)有多個(gè)虛頁(yè)查到表中同一項(xiàng)的情況發(fā)生，另外也意味著區(qū)分表中項(xiàng)號(hào)的地址位數(shù)少于虛頁(yè)號(hào)的位數(shù)，虛頁(yè)號(hào)中未用的位數(shù)正是造成重復(fù)的原因。 虛實(shí)變換基本方法（續(xù) 1） 虛頁(yè)號(hào) 項(xiàng)號(hào) 標(biāo)識(shí) 實(shí)頁(yè)號(hào) 裝入標(biāo)志 其它標(biāo)志 標(biāo)識(shí) 11 索引 10 00 11 01 1 ? 01 00 00 0 ? 10 01 11 1 ? 11 10 10 1 ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 39 (3) 快慢表方法（ P231） 這是頁(yè)表法的一種加快方案。 虛實(shí)變換基本方法（續(xù) 3） 從 2g組中 選擇一組 h 位 g 位 標(biāo)識(shí) 索引 相聯(lián)比較 … … 總?cè)萘浚?2g n 項(xiàng) 組內(nèi)塊地址（ log 2 n 位） n 個(gè)項(xiàng) 標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)器 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 41 (5) 單體多字存儲(chǔ)器＋多比較器查表方法（ P196第 2段 ） 這是 目錄表 法的一種廉價(jià)方案，對(duì)組相聯(lián)非常適用。 索引 =0的實(shí)塊里裝的虛塊標(biāo)識(shí)可以是 00， 01， …… ， 99，對(duì)應(yīng)的虛塊號(hào)就是 000， 010， 020，030， …… ， 990。優(yōu)點(diǎn)是命中時(shí)間短、 不命中 率還低，所以它的平均訪問時(shí)間往往比直接相聯(lián)、組相聯(lián)都短 。若不命中，則再到另一區(qū)相應(yīng)的位置去查找。 每次訪問時(shí)間有 3種可能： ? 正常命中（快速命中） ? 偽命中（慢速命中） ? 不命中 偽相聯(lián)（續(xù) 1） 索引 至 CPU 取出數(shù)據(jù)送往 CPU 偽相聯(lián)組 … … 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 47 (4) 快速命中與慢速命中 要保證絕大多數(shù)命中都是快速命中，就是命中率要高。 偽相聯(lián)（續(xù) 2） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 48 偽相聯(lián)（續(xù) 3） 折中方案：偽相聯(lián)（ 2路） ， 目錄表法（ P209） P 位 S 位 虛地址 虛塊號(hào) 偏移 標(biāo)識(shí)段 索引段 （ p 1 位 ） p 位 最高位 實(shí)地址 先補(bǔ) 0 常通方向 實(shí)存 目錄表 1 塊 =2S 標(biāo)識(shí) 0 實(shí)塊號(hào) 0 標(biāo)志位 裝入？ ∶ 先比較 正常命中？ ∶ 后比較 偽命中？ 標(biāo)識(shí) 1 實(shí)塊號(hào) 1 標(biāo)志位 裝入？ ∶ 行數(shù) =2P 行數(shù) = 塊數(shù) 8b 塊數(shù) =2p 正常命中： 偽命中（增加 2 拍）： AF IF ID EX ME WB AF IF ID EX ME WB AF IF ID EX ME WB AF IF ID EX ME WB AF IF ID EX ME WB AF IF ID EX ME WB 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 49 例 （補(bǔ)充， 2版 P198例 ） 一個(gè)偽相聯(lián) Cache，當(dāng)在按直接映象找到的位置處沒有發(fā)現(xiàn)匹配、而在另一個(gè)位置才找到數(shù)據(jù)（偽命中）時(shí)需要增加 2個(gè)額外的周期。這種情況下 1路要增加 50拍。 衡量處理機(jī)速度的常用標(biāo)準(zhǔn)是 CPI， 因?yàn)樗c程序執(zhí)行時(shí)間成正比 。 下圖說明訪存等待 （ 不命中 ） 會(huì)延長(zhǎng) 瞬時(shí) CPI。 (2) 存儲(chǔ)系統(tǒng)的平均訪問時(shí)間 （ 從 CPU看 ） ： 其中 H1～ Hn是來自互斥事件的完備群 ， 它們滿足關(guān)系式： 注意該公式忽略了各級(jí)之間的傳送時(shí)間 。 解： 已知 TA1=， 即理想 CPI = ， TA2=50， F=2%， 平均每條指令訪存 CPU時(shí)間 有 cache＝ IC （ CPIexecution＋ 每條指令的平均訪存次數(shù) 不命中率不命中開銷） 時(shí)鐘周期時(shí)間 ＝ IC （ ＋ 2 % 50） 時(shí)鐘周期時(shí)間 ＝ IC 時(shí)鐘周期時(shí)間 從此式知，實(shí)際 CPI＝ ＋ 2 % 50＝ ， 是理想情況下的 ＝ (倍 )，換言之， CPU時(shí)間是理想情況下的 。