【正文】 93 。 在主存中建立一種頁(yè)表，提供虛實(shí)地址變換機(jī)制。 P160圖 主存的變換示意圖。 虛存中的地址變換和替換算法采用和 Cache大致相同的原理。 虛存空間（邏輯空間）如何變換成主存空間（物理空間）是虛存中一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。它可使程序員按比主存大得多的空間來(lái)編程。它需隨時(shí)記錄 Cache中各字塊的使用情況。 有兩種常用的替換算法 先進(jìn)先出（ FIFO）：最先調(diào)入 Cache的內(nèi)容被替換掉。 ⑤ 111 1010 ⑥ 010 0110 ⑦ 000 1010 ⑧ 101 0010 91 例 2：設(shè)一個(gè) Cache采用直接映象，Cache中有 16個(gè)塊，訪問(wèn)主存進(jìn)行連續(xù)讀操作的塊地址序列流為1100110(66H)，1111010(7AH)，1100010(62H)，1010010(52H)，1111010(7AH)，0100110(26H)，0001010(0AH)， 1010010(52H) ，求連續(xù)訪問(wèn)主存后 Cache的映像情況，設(shè)初始Cache為空。 Cache中最后的內(nèi)容為紅色數(shù)字塊的內(nèi)容。 所以，地址 0DE8F8H的單元在 Cache中的地址為 10 1000 1111 1000 第 137H（ 311）塊的第 6個(gè)字處。 因?yàn)橹鞔娴刂窞?0DE8F8H=1101 1110 1000 1111 1000， 所以主存塊號(hào) =1101 1110 1000 111，塊內(nèi)地址 =11000。故塊表的容量為： 29字 6位。 Cache地址格式為： 13 5 4 0 ⑵ 主存容量 1MB， 1MB=220，所以主存地址為 20位；塊的大小為 32字節(jié)，所以塊內(nèi)地址為 5位，塊地址為 9位，塊標(biāo)記為 6位。 3. 塊表的容量多大？ 4. 畫(huà)出直接方式地址映像及變換示意圖。解答下列問(wèn)題： 1. 寫(xiě)出 Cache的地址格式。 85 組相聯(lián) Cache的檢索過(guò)程 直接映像的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不夠靈活，主存塊與Cache塊對(duì)應(yīng)關(guān)系死板，不能充分利用 Cache存儲(chǔ)空間。 (3) 主存容量是緩存容量的整數(shù)倍，將主存空間按緩沖區(qū)的大小分成區(qū)，主存中每一區(qū)的組數(shù)與緩存的組數(shù)相同。 84 組相聯(lián)的映象規(guī)則： (1) 主存和 Cache按同樣大小劃分成塊。組間采用直接地址映射，而組內(nèi)采用全相聯(lián)地址映射。 83 3．組相聯(lián)地址映射（ set associative mapping） 主存按 Cache大小分成若干區(qū)，每個(gè)區(qū)分為若干組， cache和主存一樣都分組，組內(nèi)塊數(shù)都相同。 注意主存地址由 2個(gè)部分組成： n＝ t＋ w，標(biāo)簽存儲(chǔ)器中必須保存完整的主存塊地址 t。這種映射方法比較靈活，cache的利用率高，但地址轉(zhuǎn)換速度慢，且需要采用某種置換算法將 cache中的內(nèi)容調(diào)入調(diào)出，實(shí)現(xiàn)起來(lái)系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)大。標(biāo)簽存儲(chǔ)器只需要存儲(chǔ)最高 t位頁(yè)號(hào)地址，就可以確定主存塊對(duì)應(yīng)的 Cache行。 Cache為它的每一塊都設(shè)置一個(gè) 7位的標(biāo)記，此例中為 8塊，則其對(duì)應(yīng)的標(biāo)記就有 8個(gè)，它們被存儲(chǔ)在 CAM中。而主存的塊可被分為 1024/8=128個(gè) 8塊組。直接映射的優(yōu)點(diǎn)是硬件簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但利用率（命中率）較低。如主存的第 0塊、第 8塊、 … 、第 1 016塊，只能映射到 cache的第0塊；而主存的第 1塊、第 9塊、 … 、第 1 017塊只能映射到 cache的第1塊，依次類(lèi)推。 76 1．直接地址映射（ direct mapping） 直接地址映射是指主存中每一個(gè)塊只能映射到某一固定的 cache中，如圖所示。 直接映像 : 全相聯(lián)映像 組相聯(lián)映像 74 75 假設(shè)某系統(tǒng)的主存容量為 220 =1MB，若每塊容量為 2b =210=1024B =1KB，則被分為 1 024塊（ M=2m =210 =1024 （ =1MB/1024B）塊）； cache容量為 213 =8KB，每塊容量也是 1KB，則被分為 2c =23 =8塊為 23 =8塊。 Cache管理中用硬件實(shí)現(xiàn)變換。 為了把數(shù)據(jù)從主存中取出送入 cache中，必須使用某種地址轉(zhuǎn)換機(jī)制把主存地址映射到 cache中定位，稱(chēng)為地址映射。 Cache命中率 指 CPU要訪問(wèn)的信息已經(jīng)在 cache內(nèi)的比率。 ② Writethrong：通過(guò)式寫(xiě)入，寫(xiě)回 Cache，也同時(shí)寫(xiě)主存。因此通常有兩種寫(xiě)入方式： ① Writeback：寫(xiě)回法，也稱(chēng)標(biāo)志交換 (flagswap）方式。此時(shí)，訪問(wèn)時(shí)間將為主存速度。 ? 設(shè) Cache地址碼為 c+b位，塊數(shù)為 2c字節(jié)，塊內(nèi)字節(jié)數(shù)與主存相同，塊內(nèi)字節(jié)數(shù) = 2b，由于其容量小，所以塊的數(shù)量小得多。這樣，主存地址由兩部分組成，高 m位表示主存的塊地址，低 b位表示塊內(nèi)地址。為了與 Cache映射，將主存按塊（頁(yè)或行、槽）重新編址。由始終管理 cache使用情況的硬件邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn) LRU替換算法。當(dāng) CPU讀取主存中一個(gè)字時(shí)，便發(fā)出此字的內(nèi)存地址到 cache和主存。 69 ? CPU與 cache之間的數(shù)據(jù)交換是以字為單位，而 cache與主存之間的數(shù)據(jù)交換是以塊（或稱(chēng)頁(yè)）為單位。 ? 如何確保 Cache中的內(nèi)容始終為 CPU所需，需要相應(yīng)的硬件和軟件給以支持。根據(jù)程序局部性原理，可將當(dāng)前正執(zhí)行指令地址附近的一部份指令和數(shù)據(jù)從主存調(diào)入 Cache，供 CPU在一段時(shí)間內(nèi)使用。 68 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? 高速緩存是介于主存和 CPU之間的一個(gè)快速小容量存儲(chǔ)器。 當(dāng) CPU每隔 1/4存儲(chǔ)周期送出連續(xù)的地址編碼時(shí)， 4個(gè)模塊就會(huì)每隔 1/4TMC被啟動(dòng)起來(lái)，從而各自相互獨(dú)立地在 CPU每隔 1/4TMC的讀 /寫(xiě)控制信號(hào)的控制下進(jìn)行相互的讀 /寫(xiě)操作。 CPU MAR的地址格式，使得每個(gè)模塊內(nèi)的存儲(chǔ)單元地址是非連續(xù)的，每個(gè)存儲(chǔ)單元地址相差 4，即都是 4的倍數(shù)。 67 CPU的 MAR分兩部分： Highorder loworder 模內(nèi)地址 模號(hào) 低位以來(lái)選擇模塊，而高位用來(lái)選擇模塊內(nèi)的存儲(chǔ)單元。單個(gè)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)周期仍為一個(gè) TMC。 如四個(gè)獨(dú)立模塊的存儲(chǔ)器。當(dāng) CUP MAR將訪存地址送入欲訪問(wèn)的模塊后，新的 MAR地址又送入另一模塊，而每個(gè)模塊在各自獨(dú)立的地址寄存器的作用下，獨(dú)立地進(jìn)行各自的存儲(chǔ)操作，當(dāng)幾個(gè)模塊并行操作時(shí)，在一個(gè)存儲(chǔ)周期中會(huì)得到多個(gè)數(shù)據(jù)。 2）尋址信息 例：定長(zhǎng)記錄格式 （磁道格式） 選擇磁盤(pán)組 選擇盤(pán)面 選擇磁道 選擇起始扇區(qū) 磁道時(shí)間 磁道 索引脈沖 間隔 扇區(qū) 1 扇區(qū) 2 扇區(qū) n 間隔 扇區(qū) i 標(biāo)志區(qū)： 標(biāo)志信息、 CRC校驗(yàn)碼 數(shù)據(jù)區(qū)： 標(biāo)志信息、 CRC、 數(shù)據(jù)字段 尋址操作 尋道： 磁頭徑向移動(dòng) 尋找扇區(qū)： 盤(pán)片旋轉(zhuǎn) 讀 /寫(xiě)操作 串行讀 /寫(xiě) DMA方式傳送 （ 1） （ 2） 扇區(qū)數(shù) 多模塊結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器 多模塊指的是多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊組成一個(gè)主存儲(chǔ)器。 圓柱面： 扇區(qū)（定長(zhǎng)記錄格式） 格式化容量 =字節(jié)數(shù) /扇區(qū) 扇區(qū)數(shù) /道 道數(shù) /面 面數(shù) （ 2）硬盤(pán)信息分布與尋址信息 1）信息分布 （柱面數(shù) =道數(shù) /面） 數(shù)據(jù)塊 記錄塊（不定長(zhǎng)記錄格式）， 無(wú)扇區(qū)劃分。 64 非格式化容量 =內(nèi)圈位密度 內(nèi)圈周長(zhǎng) 道數(shù) /面 面數(shù) 驅(qū)動(dòng)器號(hào)、磁頭號(hào)、磁道號(hào)、扇區(qū)號(hào)、扇區(qū)數(shù) 2）尋址信息 盤(pán)組： 多個(gè)盤(pán)片，雙面記錄。 索引標(biāo)志在傳感器檢索下可產(chǎn)生脈沖信號(hào)，再通過(guò)磁盤(pán)控制器處理，便可定出磁道起始位置 ? 磁盤(pán)存儲(chǔ)器的每個(gè)扇區(qū)記錄定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，因此讀 /寫(xiě)操作是以扇區(qū)為單位一位一位串行進(jìn)行的。例如對(duì)活動(dòng)頭磁盤(pán)組來(lái)說(shuō)，磁盤(pán)地址是由記錄面號(hào) (也稱(chēng)磁頭號(hào) )、磁道號(hào)和扇 ? 在磁道上，信息是按區(qū)存放的，每個(gè)區(qū)中存放一定數(shù)量的字或字節(jié)，各個(gè)區(qū)存放的字或字節(jié)數(shù)是相同的。磁盤(pán)記錄面經(jīng)這樣編址后，就可用n磁道 m扇區(qū) 的磁盤(pán)地址找到實(shí)際磁盤(pán)上與之相對(duì)應(yīng)的記錄區(qū)。每個(gè)盤(pán)片表面通 ? 磁道的編址是從外向內(nèi)依次編號(hào)，最外一個(gè)同心圓叫0磁道，最里面的一個(gè)同心圓叫 n磁道， n磁道里面的圓面積并不用來(lái)記錄信息。 磁盤(pán)上信息的分布 ? 盤(pán)片的上下兩面都能記錄信息，通常把磁盤(pán)片表面稱(chēng)為 記錄面 。 存放數(shù)據(jù)塊。 磁道： 盤(pán)片旋轉(zhuǎn)一周，磁頭的作用區(qū)域。 62 磁盤(pán)存儲(chǔ)器 適用于調(diào)用較頻繁的場(chǎng)合，常作為主存的直接后援。v(位 /秒 )，其中 D為位密度， v為磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)的線速度。從存儲(chǔ)設(shè)備考慮，假設(shè)磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度為每秒 r轉(zhuǎn)，每條磁道容量為 N個(gè)字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率 Dr=rN(字節(jié) /秒 )。目前固定頭盤(pán)轉(zhuǎn)速高達(dá) 6000轉(zhuǎn) /分，故平均等待時(shí)間為 5ms ? 數(shù)據(jù)傳輸率 磁盤(pán)存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，叫數(shù)據(jù)傳輸率，傳輸率與存儲(chǔ)設(shè)備和主機(jī)接口邏輯有關(guān)。 平均找道時(shí)間是最大找道時(shí)間與最小找道時(shí)間的平均值，目前平均找道時(shí)間為 10—20ms。這段時(shí)間由兩個(gè)數(shù)值所決定：一個(gè)是將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時(shí)間，稱(chēng)為 定位時(shí)間 或 找道時(shí)間 ；另一個(gè)是找道完成后至磁道上需要訪問(wèn)的信息到達(dá)磁頭下的時(shí)間，稱(chēng)為等待時(shí)間 ，這兩個(gè)時(shí)間都是隨機(jī)變化的， 因此往往使用平均值來(lái)表示。格式化容量一般是非格式化容量的 60%—70%。 非格式化容量 是磁記錄表面可以利用的磁化單元 總數(shù)。存儲(chǔ)容量有格式化容量和非格式化容量之分。 位密度 是磁道單位長(zhǎng)度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)， 單位為位 /英寸。 （ 3）速度指標(biāo) 平均存取時(shí)間 帶： 平均等待時(shí)間 盤(pán)： 平均定位、平均旋轉(zhuǎn)時(shí)間 衡量查找速度 ms 數(shù)據(jù)傳輸率 衡量讀 /寫(xiě)速度 b/s、 B/s 磁盤(pán)存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo) ? 存儲(chǔ)密度 存儲(chǔ)密度分道密度、位密度和面密度。 非格式化容量： 格式化容量： 總位數(shù) 用位密度計(jì)算。 MFM可用于雙密度磁盤(pán)存儲(chǔ)器 60 道密度： （ 1）記錄密度 （ 2）存儲(chǔ)容量 位密度： 單位長(zhǎng)度內(nèi)的磁道數(shù)。 FM可用于單密度磁盤(pán)存儲(chǔ)器。 ? 調(diào)頻制 (FM) 其特點(diǎn)如下： (1)無(wú)論記錄的代碼是 1或 0，或者連續(xù)寫(xiě)“ 1”或