第5章 教案4

1、第五章第五章存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)5.25.2內存儲器一、教學目標：1了解高速緩沖存儲器的概念2.掌握各種地址映象3.了解虛擬存儲器二、教學重點、難點高速緩沖存儲器，虛擬存儲器三、教學方法教師講解，學生思考、記憶；教與學對應的全鏈式教學法四、教具使用計算機一臺、多媒體幻燈片演示五、教學內容與過程導入：提問：分析4種ROM的特點？學生思考、看書、回答；教師總結歸4種ROM的特點，進入教學課題。講授新課：（多媒體幻燈片演示和板書）5.2.3高速緩

2、沖存儲器1高速緩存（Cache——主存存儲層次）提問：高速緩存的作用？采用任務驅動法教師帶領學生思考、看書、回答教師總結：高速緩沖存儲器Cache，可以設置在CUP內部，它與運算和控制部件距離較近，工作過程完全由硬件電路控制，因此數(shù)據的存取速度很快，一般速度高出內存數(shù)倍。Cache容量較小，大都在1MB以下。在計算機運行時，Cache用來存放當前正在執(zhí)行的程序（段）或正在處理的數(shù)據。⑴高速緩沖存儲器的必要性教材圖518所示。Cache控

3、制器將來自CPU的數(shù)據讀寫請求，轉向Cache存儲器，如果數(shù)據在Cache中，則CPU對Cache進行操作，稱為一次命中，命中時，CPU從Cache中讀（寫）數(shù)據。由于Cache速度與CPU速度相匹配，因此不需要插入等待狀態(tài)，CPU處于零等待狀態(tài)，當CPU與Cache達到了同步，因此有時稱高速緩存為同步Cache。若數(shù)據不在Cache中，則CPU對主存操作，稱為一次失敗。失敗時，CPU必須在機器周期中插入等待周期。目前Cache存儲器容

4、量主要有256KB等。這些大容量的Cache存儲器，使CPU訪問命中率高達90%至98%，大大地提高了CPU訪問數(shù)據的速度，提高了系統(tǒng)的性能。由此可見，從CPU的角度看，這種Cache—主存層次的速度接近于Cache，容量與每位價格則接近于主存，因此解決了速度與成本之間的矛盾。（2）高速緩沖存儲器的可行性對大量的典型程序的運行情況分析結果表明，在一個較短的時間內，由程序產生的地址往往集中在存儲器邏輯地址空間的很小范圍內。在多數(shù)情況下，指

5、令是順序執(zhí)行的。因此指令地址的分布是連續(xù)的，再加上循環(huán)程序段和子程序段要重復執(zhí)行多次，因而對這些地址享的計算機系統(tǒng)特別重要。另一種是不命中時，很多計算機系統(tǒng)只向主存寫入信息，不必同時把這個地址單元所在的整塊內容調入Cache存儲器。4地址映象為了把信息放到Cache中，必須應用某種函數(shù)把主存地址映象到Cache中定位，稱作地址映象。當信息按這種映象關系裝入Cache后，執(zhí)行程序時，應將主存地址變換為Cache地址，這個變換過程叫作地址變

6、換。Cache的空間較小，其地址的位數(shù)也較少，而主存的空間較大，其地址的位數(shù)也較多。因此，Cache中的一個存儲塊與主存中的若干個存儲塊相對應，即若干個主存地址將映射成同一個Cache地址。根據這種地址的對應方法，地址映象方式有直接映象、全相映象和組相聯(lián)映象三種。⑴直接映象每個主存地址映象到Cache中的一個指定地址的方式稱為直接映象。在直接映象方式下，主存中存儲器單元的數(shù)據只可調入Cache中的一個位置，如果主存中另一個存儲單元的數(shù)據

7、也要調入該位置，則將發(fā)生沖突。地址映象的方法一般是將主存塊地址對Cache的塊號取模即可得到Cache的塊地址，這相當于將主存的空間按Cache的尺寸分區(qū)。每區(qū)內相同的塊號映象到Cache中相同的塊位置。提問：簡述直接映象的特點？學生思考、看書、回答⑵全相聯(lián)映象主存中的每一個字塊可映象到Cache任何一個字塊位置上，這種方式稱為全相聯(lián)映象，教材圖520所示。在全相聯(lián)映象方式下，主存中存儲單元的數(shù)據可調入Cache中的任意位置，也就是說，

8、允許從已被占滿的Cache中替換出任何一個舊字塊。這種方式可達到很高的Cache命中率，但實現(xiàn)較復雜。當訪問一個塊中的數(shù)據時，塊地址要與Cache塊表中的所有地址標記進行比較以確定是否命中。在數(shù)據塊調入時，存在著一個比較復雜的替換策略問題，即決定將數(shù)據塊調入Cache中什么位置，將Cache中哪一塊數(shù)據調出到主存。提問：簡述全相聯(lián)映象的特點？學生思考、看書、回答⑶組相聯(lián)映象組相聯(lián)映象方式是全相聯(lián)映象和直接映象的一種折中方案。這種方法將存

9、儲空間分成若干組，各組之間為直接映象，而組內各塊之間則為全相聯(lián)映象。如圖521所示，在組相聯(lián)映象方式下，主存中存儲塊的數(shù)據可調入Cache中一個指定組內的任意塊中。它是上述兩種映象方式的一般形式，如果組的大小為1時就變成了直接映象；如果組的大小為整個Cache的尺寸時就變成了全相聯(lián)映象。提問：簡述相相聯(lián)映象的特點？學生思考、看書、回答LRU（LeastRecentlyUsed）策略是把當前Cache中近期使用次數(shù)最少的那塊信息替換出去。

10、這種替換算法需隨時記錄Cache中各個字塊的使用情況，以便確定哪個字塊是近期最少使用的字塊。LRU替換策略的平均命中率比FIFO要高，并且當分組容量加大時，能提高LRU替換策略的命中率。5.2.4虛擬存儲器1虛擬存儲器基本概念虛擬存儲技術是在主存與輔存之間，增加軟件及必要的硬件，使主、輔存之間的信息交換，程序的再定位，地址的轉換都能自動進行，使兩者形成一個有機的整體。由于程序員可以用到的空間遠遠大于主存的實際空間，但實際并不存在這么大的