【正文】 專用于緩沖指令 （ ICache） 一個專用于緩沖數據 （ DCache） 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 1. 直接映射（ Direct Mapping） ?將每個主存塊固定地映射到某個 Cache行 第 i個 Cache行只能存儲所有主存頁的第 i個主存塊 ?硬件簡單 、 易于實現(xiàn) ， 會發(fā)生沖突 、 利用率較低 ?高速緩存容量 m＝ 2s行＝ 2s+w字 Cache行＝ 2w個字 ， 具有 2s行 ?主存容量 M＝ 2n字＝ 2nw主存塊＝ 2t個主存頁 每個主存頁的容量＝高速緩存容量 2s+w ?n位主存地址由 3個部分組成： n＝ t＋ s＋ w 高 t位作標簽 s位地址作為索引 最低 w位區(qū)別字 ?比較 s索引的一個標簽存儲器內容 ， 說明是否命中 組成圖 示例圖 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 3. 組相關映射（ Set Associative Mapping） ?將多個 Cache行作為一個組 （ Set） ， 組內各個Cache行采用全相關映射 ， 各個組間采用直接映射 ?取直接映射的簡單和全相關映射的靈活 ， 而克服兩者的不足 ?所有組中同位置 Cache行稱為一路 （ Way） ?通常采用 8或 16個為一組 ， 分別被稱為 2路 、4路 、 8路或 16路組合相關映射 ?比較 s索引的 8或 16個標簽存儲器內容 ， 說明是否命中 組成圖 示例圖 只有一路（每組只有一個 Cache行）就是直接相關映射 只有一組（每個 Cache行都是一路）就是全相關映射 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 LRU替換算法 ?LRU能較好地反映程序的局部性 ， 因而其命中率較高 ， 應用廣泛；但實現(xiàn)的硬件較復雜 ?2路組相聯(lián)：使用一個 U位 。 替換 U位為 0的塊 ?4/8/16路組相聯(lián)：運用堆棧型算法 。 替換最下面的塊 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 1. 寫命中的處理 ?直寫策略 (write through) 寫入 Cache的同時也寫入主存 （ 下一級存儲器 ） 優(yōu)點：簡單可靠 缺點：總線操作頻繁 、 影響工作速度 解決方法：在 Cache與主存間設置一級 /多級緩沖器 ， 形成實用的 “ 緩沖直寫 ” ， 提高速度 ?回寫策略 (write back) 只寫入 Cache， 在被替換時才寫回主存 優(yōu)點：可以減少寫入主存次數 、 提高速度 缺點：硬件結構比較復雜 實現(xiàn)方法：設置一個表明 Cache是否被修改的更新位（ update， 污染位 dirty bit） 。 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 2. 寫未命中的處理 ?寫未命中 ：指令對主存進行寫入的操作數沒有在高速緩存中 ?此時 ， 寫入的數據是否還要將其讀回 Cache呢 ？ ?寫分配法 ( write allocate ) 先把數據所在的塊調入 Cache， 然后再進行寫入 類似讀失效的方式 ， 也稱 fetch on write ?不寫分配法 ( nowrite allocate ) 直接把數據寫入下一級存儲器 ， 不將相應的塊調入 Cache， 也稱 write around ?直寫策略通常配合不寫分配法 回寫策略一般采用寫分配法 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 80486的 L1 Cache ?指令和數據共用 的 4路組合相關 Cache結構 ?8KB容量 分成 128組 ， 每組有 4路 ， 每組每路為一行 ， 每 行 為 16個字節(jié) （ 128位 ） ?每行對應 21位 標簽 ， 一個有效位 ?每組中 4路對應 3位 LRU位 ， 用于實現(xiàn)偽 LRU替換算法 ?采用 4級 緩沖直寫策略 ， 允許 6個連續(xù)的寫操作而無等待 ?寫缺失時 ， 采用 不寫分配法 ， 只將數據寫入主存 ， 不進行 Cache的回填 示意圖 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 一次寫 (write once)協(xié)議 ?Pentium采用 MESI協(xié)議 ， 配合第一次直寫 ，以后回寫 ， 實現(xiàn) L1和 L2 Cache的數據一致 操作 L1狀態(tài) L1數據 L2數據 ? 復位或清洗后 ? 讀入數據 ? 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 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 段式存儲管理 系統(tǒng)維護段表 硬件實現(xiàn)轉換 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 2. 描述符 ?描述符是保護方式引入的數據結構 ， 8個字節(jié) 64位 ， 段描述符 ： “ 描述 ” 段的屬性 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 、 該段所具有的特權層和段類型 ， 用于特權保護 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 頁式存儲管理 ?頁式存儲管理便于構成虛擬存儲器 處于主存和輔存之間 通過硬件的存儲管理單元 MMU 在核心軟件或操作系統(tǒng)管理下 利用磁盤文件 比實際主存空間大的虛擬存儲空間 ?虛擬存儲器可以簡化存儲管理 有效地使用主存空間 為各個程序 （ 進程 ） 呈現(xiàn)統(tǒng)一的地址空間 實現(xiàn)程序間的保護 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 頁目錄項和頁表項 ?P存在位：頁表或頁面是否在物理存儲器中 ?R/W讀 /寫位：指明頁面是只讀的 ， 還是可讀可寫 ?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 ?PWT頁直寫位：控制頁表或頁面使用直寫還是回寫的高速緩存寫入策略 ?PCD頁高速緩存禁止位：控制頁表或頁面禁止還是使用高速緩存 ?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 示意圖 微 機 原 理 與 接 口 技 術 第 4 版 機 械 工 業(yè) 出 版 社 3. Win32的虛擬地址分配 ?掌握存儲系統(tǒng)的層次結構和局部性原理 ?掌握 SRAM的存儲結構和引腳 ?熟悉 DRAM的引腳特點和刷新 ?熟悉各種半導體 ROM芯片的特點 ?掌握地址譯碼方法和 138譯碼器 ?了解 PC機主存的分配和應用 ?掌握高速緩存的工作原理 ?熟悉地址映射 、 替換算法和寫入策略 ?熟悉 IA32處理器分段分頁存儲管理機制 教學要求 第 6章 存儲系統(tǒng) 錢曉捷，微機原理與接口技術 1