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第三章：存储系统 第三章 Game over Thank you ! § 3.5 cache存储器： 是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。是介于CPU和主存之间的小容量存储器，但存取速度比主存快。 1 cache存储器的基本原理：CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，而cache与主存之间的数据交换是以块为单位。一个块由若干字组成，是定长的。当CPU读取主存中一个字时，便发出此字的内存地址到cache和主存。此时cache控制逻辑依据地址传送给CPU；若非，则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。 2、 cache的命中率：在一个程序执行期间，设Nc表示cache完成存取的总次数，Nm表示主存完成存取的总次数，h定义为命中率，则有： 若tc表示命中时的cache访问时间，tm表示未命中的主存访问时间，1-h表示未命中率，则cache/主存系统的平均访问时间ta为： ta=htc+(1-h)tm 我们追求的目标是，以较小的硬件代价使cache/主存系统的平均访问时间ta 越接近tc 越好。设r=tm/tc表示主存慢于cache的倍率，e表示访问效率，则有 由表达式看出，为提高访问效率，命中率h越接近1越好，r值以5-10为宜，不宜太大。 命中率h与程序的行为、 cache的容量、组织方式、块的大小有关 [例5]CPU执行一段程序时， cache完成存取的次数为1900次，主存完成存取的次数为100次，已知cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns，求cache/主存系统的效率和平均访问时间。 解： 3、奔腾PC机是一个单CPU系统。它采用两级cache结构。安装在主板上的2级cache（L2），其容量是512KB，采用2路组相联映射方式，每行可以是32B，64B或128B。集成在CPU内的1级cache（L1），其容量是16KB，采用的也是2路组相联映射方式，每行是32B。L2的内容是32MB容量主存的子集，L1又是L2的子集，从而使L1未命中处理时间大大缩短。 § 3.6 虚拟存储器 一、基本概念：虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器，它借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，使之为更大或更多的程序所使用。 虚拟存储器指的是主存-外存层次。它以透明的方式给用户提供了一个比实际主存空间大得多的程序地址空间。此时程序的逻辑地址称为虚拟地址（虚地址），程序的逻辑地址空间称为虚拟地址空间。物理地址（实地址）由CPU地址引脚送出，它是用于访问主存的地址。设CPU地址总线的宽度为m位，那么物理地址空间的大小用2m来表示。 段是利用程序的模块化性质，按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立部分，例如，过程、子程序、数据表、阵列等。把主存按段分配的存储管理方式称为段式管理。 页式管理系统的基本信息传送单位是定长的页。主存的物理空间被划分为等长的固定区域，称为页面。 二、页式虚拟存储器：在页式虚拟存储系统中，把虚拟空间分成页，称为逻辑页；主存空间也分成同样大小的页，称为物理页。 段式虚拟存储器：在段式虚拟存储系统中，段是按照程序的逻辑结构划分 的，各个段的长度因程序而异。虚拟地址由段号和段内地址组成 。 段页式虚拟存储器：段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的结合。在这种方式中，把程序按逻辑单位分段以后，再把每段分成固定大小的页。 例A（p125-11)：主存容量为4MB，虚存容量为1GB，则虚拟地址和物理地址各为多少位？如页面大小为4KB，则页表长度是多少？ 解：主存4MB=222B 所以物理地址（主存地址）为22位 虚存1GB=230B 所以虚地址为30位 页大小4KB=212B 所以： 页内地址段位数由4KB=212B，故为12位。 作业：P125—6 P125—9 3.7 存储保护 一、存储区域保护: 页表保护 段表保护 键保护方式 环保护方式 二、访问方式保护