【正文】 Cache塊與對應主存塊相同 ， 但可能存在于其它 Cache中 ? 無效 I：該 Cache塊包含的數(shù)據(jù)無效 Pentium的 L1和 L2級 Cache數(shù)據(jù)一致性 ? Pentium采用 MESI協(xié)議 ， 配合第一次直寫 (write through)， 以后回寫 (write back)， 實現(xiàn) L1和 L2 Cache的數(shù)據(jù)一致 ， 也稱為一次寫 (write once) 操作 L1狀態(tài) L1數(shù)據(jù) L2數(shù)據(jù) ? 復位或清洗后 ? 讀入數(shù)據(jù) ? 第 1次直寫 ? 再次回寫 ? 發(fā)生替換后 無效 I 共享 S 唯一 E 修改 M 共享 S 無效 有效 有效 有效 有效 無效 有效 有效 無效 有效 虛擬存儲器 ? 虛擬存儲器 ： 在主存 外存層次間 借助于磁盤輔助存儲器實現(xiàn) 由系統(tǒng)軟件和輔助硬件管理 以 透明 方式提供給用戶 一個比實際主存空間大得多的程序地址空間 ? 作用 ：擴大主存容量，提高輔存訪問速度，有效管理存儲系統(tǒng) 虛擬 ：利用其他部件實現(xiàn)的本來不存在的事物或屬性 透明 ：本來存在的事物或屬性 ， 從某種角度看似乎不存在 虛擬存儲器的基本概念 ? 物理地址（實地址） ：（ 對應主存物理空間 ）由CPU地址引腳送出，用于訪問主存的地址 ? 虛擬地址（虛地址） ：（ 對應主存邏輯空間 ）由編譯程序生成的，是程序的邏輯地址 ? CPU理解虛擬地址，并將其轉換成物理地址 ? 主存 外存層次的基本信息傳送單位 段 ：按程序邏輯劃分為可變長的塊 ， 稱為段 頁 ：機械地劃分為大小相同的塊 ， 稱為頁面 段頁 ：程序按模塊分段 ， 段內分頁 ? 段式管理 ：把主存按段分配的存儲管理方式 優(yōu)點：段的界線分明，段易于編譯、管理、修改和保護，便于多道程序共享 缺點：段的長度各不相同，主存空間分配麻煩 ? 頁式管理 ：以 定長頁面進行存儲管理的方式 優(yōu)點：頁的起點和終點地址固定 ,方便造頁表 ,新頁調入主存也很容易掌握，比段式空間浪費小 缺點：處理、保護和共享都不及段式來得方便 ? 段頁式管理： 分段和分頁相結合的存儲管理方式 優(yōu)點：綜合段式和頁式管理方式的特點 缺點：需要多次查表過程 虛擬存儲器的管理 頁式虛擬存儲器 邏輯頁 ： 頁式虛擬存儲系統(tǒng)中，虛擬空間分成頁； 物理頁 ：主存空間也分成同樣大小的頁。 虛存地址 分為兩個字段：高字段為 邏輯頁號 ，低字段為 頁內行地址 。 實存地址 也分兩個字段：高字段為 物理頁號 ，低字段為 頁內行地址 。 邏輯頁號 頁內行地址 物理頁號 頁內行地址 頁式管理的地址變換：用 頁表 頁面基地址 邏輯頁號 頁內行地址 物理頁號 頁內行地址 頁表基址寄存器 虛存地址 實存地址 + 頁表 (在主存中 ) 控制位 主存頁面號 快表與慢表 段式虛擬存儲器 段號 段起點 裝入位 段長 0 1000 1 1K 1 0 2 6120 1 3K 3 9192 1 1K 4 2624 1 2K 程序分段空間 （ 外存 〕 段表 （ 在主存中 ） 長度 2K 長度 1K 長度 3K 長度 2K 長度 1K 段 4 段 3 段 2 段 1 段 0 未用 段 0 段 4 未用 段 2 段 3 未用 實存空間 段式管理的地址變換：用 段表 段表基地址 段號 段內地址 主存地址 段表基址寄存器 虛存地址 實存地址 + 段表 (在主存中 ) + 段起址 裝入位 段長 段號 段頁式虛擬存儲器 C 1 2 d SA SB SC A B C 10 d 1 2 8 7 10 12 4 + + 基址寄存器 程序 A段表 程序 C段表 S A+0 S B+1 S A+2 S A+3 S C+0 S C+1 S C+2 A+0 A+1 B+0 B+1 B+2 C+0 C+1 邏輯地址 物理地址 基號 段號 頁號 頁內地址 物理頁號 頁表 C0段 C1段 C2段 替換算法 ? 虛擬存儲器的頁面替換策略和 cache的行替換策略有很多相似之處，但有三點顯著不同： ⑴ 缺頁至少要涉及一次磁盤存取，使系統(tǒng)蒙受的損失要比 cache未命中大得多 ⑵ 頁面替換由操作系統(tǒng)軟件實現(xiàn) ⑶ 頁面替換的選擇余地很大 ， 屬于一個進程的頁面都可替換 。 ? 虛擬存儲器的替換策略 多采用近期最少使用 (LRU)算法 還有最不經常使用 (LFU)算法 先進先出 (FIFO)算法 奔騰處理器的存儲器地址轉換 存儲保護 多個程序同時存在于存儲器中，需要保護 ⑴ 存儲區(qū)域保護： 界限保護 頁表和段表保護 鍵式保護 環(huán)狀保護 ⑵ 訪問方式保護： 設置訪問權限：讀 R、 寫 W、 執(zhí)行 E的組合 特權保護 奔騰處理器 的段描述符 ? 段界限 (segment limit)：用于存儲空間保護 ? 基地址 (base address)：用于形成物理地址 ? 訪問權字節(jié) (access rights byte)：段訪問權限：該段當前是否駐留主存、該段所具有特權層和段類型，用于特權保護 奔騰處理器 的頁目錄項和頁表項 ? P存在位：該頁表或頁面是否在物理存儲器中 ? A訪問位：頁面進行讀或寫操作時置位 ? D寫操作位（ dirty臟位）：頁面進行寫操作時被置位 ? U/S用戶 /管理員位：頁面僅能由管理員層的程序使用，還是用戶層和管理員層的程序均能使用 ? R/W讀 /寫位：指明頁面是只讀的，還是可讀可寫 第 3章 存儲系統(tǒng)習題 1. 說明 SRAM， DRAM， NVRAM； MROM， OTPROM， EPROM， EEPROM， Flash Memory都是什么半導體存儲器？ 2. 說明存儲器的分級結構，虛擬存儲器在什么位置、由什么實現(xiàn)？ 3. 有一個 1024K 32位的存儲模塊，它有多少字節(jié)容量？如果用 128K 8的 SRAM芯片組成，需要多少個芯片，每個芯片的地址引腳有多少條？ 4. Cache的地址映射、替換策略和寫入策略各用于解決什么問題？ 5. 第 1題 6. 第 9題 7. 第 11題 計算機組成原理 100 第 3章教學要求 1 ? 熟悉存儲系統(tǒng)的分級 （ 層次 ） 結構 ， 掌握存儲訪問的局部性原理 ? 理解存儲容量 、 存取時間 、 存取周期 、 存儲器帶寬的概念 ? 了解 SRAM、 DRAM和 NVRAM的特點 ? 掌握 SRAM存儲結構與芯片地址引腳和數(shù)據(jù)引腳的關系 ? 理解位擴展和字擴展的含義和作用 ， 掌握芯片擴展與芯片容量的關系 ? 了解 DRAM的行地址和列地址 ， 理解 DRAM的刷新操作和方法 ? 了解 ROM芯片的類型和各自特點 計算機組成原理 101 第 3章教學要求 2 ? 掌握 Cache的功能和基本原理 ， 掌握命中率 、 平均訪問時間和訪問效率的計算方法 ? 理解 Cache的地址映射的作用 ， 掌握全相聯(lián) 、 直接和組相聯(lián)映射的原理和特點 ， 熟悉 Cache中標記 （ 標簽 ）的作用 ? 理解替換策略的作用 ， 熟悉 LRU、 LFU和隨機法 ? 理解 Cache的寫操作策略 ， 熟悉直寫法 （ 全寫法 ） 和回寫法 （ 寫回法 ） ? 掌握虛擬存儲器的功能 、 物理地址和虛擬 （ 邏輯 ） 地址的概念 ? 熟悉頁式和段式虛擬存儲器的管理和地址轉換 ? 理解存儲保護 ， 熟悉存儲區(qū)域和訪問方式保護的思想 102 第三章 小結 計算機組成原理 ⊙ 第三章存儲系統(tǒng) 2021/6/16 第 103頁 ? 本章小結 ? 存儲器兩大功能是存儲（ Write）和取出（ Read）。對存儲器的三項基本要求是：大容量、高速度和低成本。 ? 各類存儲器具有不同的特點：半導體存儲器速度快、成本較高；磁表面存儲器容量大、成本低但速度慢，無法與 CPU高速處理信息的能力匹配。在計算機系統(tǒng)中，通常采用多級存儲器體系結構，即高速緩沖存儲器 Cache、主存儲器和外存儲器組成的結構。 ? 提高存儲器速度可以采用許多措施：采用高速器件；采用高速緩沖存儲器 Cache；采用多體交叉存儲器；采用相聯(lián)存儲器；加長存儲器字長等。 ? 為了擴大存儲容量，可以采用虛擬存儲器技術。虛擬存儲器是建立在主存和輔存物理結構基礎之上，由附加硬件裝置以及操作系統(tǒng)存儲管理軟件組成的一種存儲體系。虛擬存儲器有頁式、段式、段頁式三類。