CH5存储器存储管理和高速缓存技术课件

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1、微型机原理与技术微型机原理与技术CH5 存储器、存储存储器、存储管理和高速缓存技术管理和高速缓存技术CH5 存储器、存储管理和高速缓存技术存储器、存储管理和高速缓存技术存储器件和存储器存储器件和存储器存储器的体系结构存储器的体系结构虚拟存储机制和段页两级存储管理虚拟存储机制和段页两级存储管理高速缓存技术高速缓存技术5.1 存储器件和存储器存储器件和存储器存储器的分类和性能指标存储器的分类和性能指标随机存取存储器和只读存储器随机存取存储器和只读存储器存储器的行列结构、应用举例以及容量扩充存储器的行列结构、应用举例以及容量扩充存储器的分类和性能指标存储器的分类和性能指标根据用途和特点根据用途和特点

2、 内部存储器：内部存储器：外部存储器：外部存储器：内存内存 CPU可直接访问可直接访问 大小限制大小限制 主要指主要指RAM计算机中各类存储器的分工计算机中各类存储器的分工内存（系统程序，系统参数，当前运行应用软件内存（系统程序，系统参数，当前运行应用软件和数据），外存（暂不使用的程序和数据）和数据），外存（暂不使用的程序和数据）5.1.1存储器的分类和性能指标存储器的分类和性能指标存储器的性能指标存储器的性能指标-易失性：指电源断开后内容丢失，如易失性：指电源断开后内容丢失，如RAM-只读性：只读性：-存储容量：存储容量：-速度：存储周期、存储器带宽速度：存储周期、存储器带宽-功耗功耗随机存

3、储器和只读存储器随机存储器和只读存储器随机存储器分类随机存储器分类-SRAM-DRAM只读存储器只读存储器-MROM-PROM-EPROM-E2PROM-Flash memory5.1.2SRAM(静态静态)基于双稳态触发器原理基于双稳态触发器原理 缺点：容量小、功耗大缺点：容量小、功耗大,用于存储量小的系用于存储量小的系统统DRAM(动态动态)器件器件利用电容存储利用电容存储容量大，功耗低容量大，功耗低需要刷新需要刷新1.随机存取存储器随机存取存储器RAM5.1.21.随机存取存储器随机存取存储器RAMDRAM:DRAM刷新和刷新和DRAM控制器控制器刷新刷新(对存储器读取放大再写入对存储器

4、读取放大再写入)方法：方法：常用常用“只有行地址有效只有行地址有效”方法方法DRAM控制器的功能控制器的功能时序功能、地址处理功能、仲裁功能时序功能、地址处理功能、仲裁功能5.1.22.只读存储器只读存储器ROM优点优点 结构简单，位密度比可读写存储器高结构简单，位密度比可读写存储器高 具有非易失性具有非易失性应用场合应用场合不需修改和写入不需修改和写入根据其中信息的设置方法分根据其中信息的设置方法分 掩膜型掩膜型ROM 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM 可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器EPROM 可用电擦除可编程只读存储器可用电擦除可编程只读存储器E2PROM 闪烁存储器

5、闪烁存储器Flash Memory5.1.2掩膜型掩膜型ROM(MROM)ROM中信息由厂家根据用户给定的程序或数中信息由厂家根据用户给定的程序或数据对芯片进行光刻而写入据对芯片进行光刻而写入 双极型和双极型和MOS型型可编程可编程ROM(PROM)用户按可自己的需要写入信息（一次性）用户按可自己的需要写入信息（一次性）通过对二极管键是否烧断存储信息通过对二极管键是否烧断存储信息可擦除可编程可擦除可编程ROM(EPROM)通过是否有电荷分布保存信息通过是否有电荷分布保存信息 工作方式：读、编程、校验工作方式：读、编程、校验2.只读存储器只读存储器ROMROM 的分类的分类5.1.2可用电擦除可

6、编程只读存储器可用电擦除可编程只读存储器(E2PROM)工作方式：读、写、字节擦除、整体擦除工作方式：读、写、字节擦除、整体擦除闪烁存储器闪烁存储器(Flash Memory)主机板上主机板上BIOS存储介质存储介质 特点：特点：（1）信息保持时间久（）信息保持时间久（10年），非易失；年），非易失；（2）擦写速度快、可靠性高、擦写次数多）擦写速度快、可靠性高、擦写次数多（几十万次）；（几十万次）；（3）容量大。）容量大。ROM 的分类的分类2.只读存储器只读存储器ROM5.1.21.存储器的行列结构存储器的行列结构容量以字节（容量以字节（B）为单位）为单位地址地址 区分不同的存储单元区分不同

7、的存储单元 简化地址译码电路简化地址译码电路矩阵结构矩阵结构5.1.32.存储器和存储器和CPU的连接考虑的连接考虑CPU和存储器的速度匹配问题：和存储器的速度匹配问题：插入等待状态插入等待状态CPU总线的负载能力问题：总线的负载能力问题：增加总线驱动器增加总线驱动器片选信号的产生：片选信号的产生：CPU高位地址线高位地址线-全译码法全译码法-部分译码法部分译码法-线选法线选法-混合译码法混合译码法:部分译码和线选结合部分译码和线选结合行地址、列地址的产生行地址、列地址的产生:CPU低位地址线低位地址线 对芯片内部的寻址方法对芯片内部的寻址方法:-片选译码片选译码,片内译码通过行列矩阵结构对存

8、片内译码通过行列矩阵结构对存储单元选择储单元选择)5.1.33.SRAM的使用举例的使用举例5.1.3图图5.2 16K8b静态静态RAM模块模块4.DRAM和和DRAM控制器使用举例控制器使用举例读出读出写入写入5.1.3图图5.3 动态动态RAM控制器控制器8203和和2164的连接关系的连接关系64K1b5.存储器容量的扩充存储器容量的扩充数据宽度的扩充数据宽度的扩充 为了与数据线宽为了与数据线宽度一致度一致字节数的扩充字节数的扩充 扩大地址范围扩大地址范围5.1.35.2 存储器的体系结构存储器的体系结构层次化的存储器体系结构层次化的存储器体系结构 层次化的总体结构层次化的总体结构 内

9、存的分区结构内存的分区结构32位计算机系统的内存结构位计算机系统的内存结构 16位微机系统的内存组织位微机系统的内存组织 32位微机系统的内存组织位微机系统的内存组织1.层次化的总体结构层次化的总体结构层次化层次化 把各种速度不同、容量不同、存储技术也可把各种速度不同、容量不同、存储技术也可能不同的存储设备分为几层，通过硬件和管能不同的存储设备分为几层，通过硬件和管理软件组成一个既有足够大的存储空间、又理软件组成一个既有足够大的存储空间、又能满足能满足CPU存取速度要求、而且价格适中的存取速度要求、而且价格适中的整体，使存储体具有最好的性价比。整体，使存储体具有最好的性价比。思路思路 用用Ca

10、che、内存和辅存构成层次化的存储器，、内存和辅存构成层次化的存储器，按使用频度将数据分为不同的档次分放在不按使用频度将数据分为不同的档次分放在不同的存储器中，不同层次的存储器之间可互同的存储器中，不同层次的存储器之间可互相传输。相传输。5.2.11.层次化的总体结构层次化的总体结构方法方法 虚拟存储技术虚拟存储技术实 现 内 存 和实 现 内 存 和辅 存 之 间 的辅 存 之 间 的映象映象 高速缓存技术高速缓存技术Cache和内和内存 之 间 的 映存 之 间 的 映象象5.2.12.内存的分区结构内存的分区结构基本内存区的组织基本内存区的组织640KB5.2.1内存的分区结构内存的分区

11、结构高端内存区的组织高端内存区的组织384KB内存的分区结构内存的分区结构用高端内存区64K映射扩充内存的一个页组内存的分区结构内存的分区结构扩展内存区扩展内存区 32位微机才有的内存区位微机才有的内存区,指指1MB以以上但不是通过内存扩充卡映射获得的空上但不是通过内存扩充卡映射获得的空间。间。16位微机系统的内存组织位微机系统的内存组织5.2.232位微机系统的内存组织位微机系统的内存组织5.2.15.3 Pentium的虚拟存储机制的虚拟存储机制和段页两级存储管理和段页两级存储管理 对多任务操作系统的支持，体现在：对多任务操作系统的支持，体现在：从硬件上为任务之间的切换提供了良好从硬件上为

12、任务之间的切换提供了良好的条件的条件支持容量极大的虚拟存储器，并且，为支持容量极大的虚拟存储器，并且，为了管理如此大的存储空间，采用片内两了管理如此大的存储空间，采用片内两级存储管理级存储管理虚拟存储机制虚拟存储机制虚拟存储技术虚拟存储技术 虚拟：相对于实际的、物理的存储而言的虚拟：相对于实际的、物理的存储而言的物理存储器物理存储器 由地址总线直接访问的存储空间由地址总线直接访问的存储空间(16位位,1M;32位位,4G)单元地址称为单元地址称为物理地址物理地址虚拟存储器虚拟存储器 程序使用的逻辑存储空间程序使用的逻辑存储空间 可以比物理存储器大得多可以比物理存储器大得多 单元地址称为单元地址

13、称为虚拟地址虚拟地址（逻辑地址）（逻辑地址）由存储器管理软件在主存和辅存基础上建立的一种由存储器管理软件在主存和辅存基础上建立的一种存储体系存储体系Pentium只有在保护模式下才支持只有在保护模式下才支持5.3.12.段式虚拟存储和页式虚拟存储段式虚拟存储和页式虚拟存储 虚存的分类：虚存的分类：段式虚拟存储器段式虚拟存储器 每段的长度不是固定的每段的长度不是固定的 每个段都是受到保护的独立的空间每个段都是受到保护的独立的空间 优点：易于管理。缺点：碎片多，效率低。优点：易于管理。缺点：碎片多，效率低。页式虚拟存储器页式虚拟存储器 一个系统中的所有页面大小固定一个系统中的所有页面大小固定(常是

14、常是4KB)页面的起点和终点也固定页面的起点和终点也固定 只有分页机制才支持虚拟存储（？）只有分页机制才支持虚拟存储（？）5.3.1控制寄存控制寄存器器CR0中中PG=1允许允许分页分页分段提供了隔绝各个代码、数据和堆栈区域的机制，分段提供了隔绝各个代码、数据和堆栈区域的机制，因此多个程序（或任务）可以运行在同一个处理器上因此多个程序（或任务）可以运行在同一个处理器上而不会互相干扰。分页机制为传统需求页、虚拟内存而不会互相干扰。分页机制为传统需求页、虚拟内存系统提供了实现机制。其中虚拟内存系统用于实现程系统提供了实现机制。其中虚拟内存系统用于实现程序代码按要求被映射到物理内存中。分页机制当然也

15、序代码按要求被映射到物理内存中。分页机制当然也能用于提供多任务之间的隔离措施能用于提供多任务之间的隔离措施 2.段式虚拟存储和页式虚拟存储段式虚拟存储和页式虚拟存储5.3.13.Pentium中的三类地址中的三类地址逻辑地址逻辑地址程序员所看到的地址（虚拟地址）。程序员所看到的地址（虚拟地址）。特点：特点：这是程序员编写的源程序中使用的地址这是程序员编写的源程序中使用的地址 完整的逻辑地址一共完整的逻辑地址一共48位（选择子：偏移量）位（选择子：偏移量）逻辑地址中的选择子对应于一个段基址逻辑地址中的选择子对应于一个段基址 Pentium共有共有214=16348个段个段线性地址线性地址 分段部

16、件将包含选择子和偏移量的逻辑地址转换为分段部件将包含选择子和偏移量的逻辑地址转换为32位的线性地址。位的线性地址。特点：特点：线性地址是由线性地址是由2个个32位量相加而成的（基址位量相加而成的（基址+偏移）偏移）段基址由段描述符得到段基址由段描述符得到 线性地址是分为线性地址是分为3个字段来体现其功能个字段来体现其功能5.3.13.Pentium中的三类地址中的三类地址物理地址物理地址 和芯片上的地址信号相对应和芯片上的地址信号相对应 为每个存储单元在存储体中指定唯一的地址为每个存储单元在存储体中指定唯一的地址 分页部件将线性地址转换为物理地址分页部件将线性地址转换为物理地址 如果分页部件处

17、于禁止状态，线性地址就是如果分页部件处于禁止状态，线性地址就是物理地址物理地址转换时间转换时间 几乎为几乎为05.3.1分段管理分段管理段段独立且连续的存储空间独立且连续的存储空间 相关的控制信息：段的基址、界限、访问的优先级、共相关的控制信息：段的基址、界限、访问的优先级、共享性、访问的特性（读享性、访问的特性（读/写）写）段描述符段描述符 把有关段的信息，即：段基址、界限、访问属性全部存把有关段的信息，即：段基址、界限、访问属性全部存放在一个称为段描述符的数据结构中放在一个称为段描述符的数据结构中 并把系统中所有的描述符编成表，以便硬件查找和识别并把系统中所有的描述符编成表，以便硬件查找和

18、识别三种描述符表三种描述符表GDT、LDT、IDT使用描述符表带来的优点使用描述符表带来的优点 可大大扩展存储空间（存储空间取决于描述符数量和每可大大扩展存储空间（存储空间取决于描述符数量和每个描述符能表示的段长度）个描述符能表示的段长度）可实现虚拟存储（描述符属性位指示对应段是否在内存可实现虚拟存储（描述符属性位指示对应段是否在内存或磁盘，在磁盘及时调入内存）或磁盘，在磁盘及时调入内存）可实现多任务隔离（除与系统有关的操作访问可实现多任务隔离（除与系统有关的操作访问GDT，其，其余的只能访问余的只能访问LDT，每个任务有独立空间，就像每个任，每个任务有独立空间，就像每个任务独享务独享CPU）

19、5.3.21.段选择子段选择子通常由系统程序的链接程序（通常由系统程序的链接程序（Linker）或装配程序（或装配程序（Loader）指定、修改。）指定、修改。段描述符索引字段段描述符索引字段DI 13位位(在在GDT或或LDT中选择一个描述符中选择一个描述符)描述符指示标志描述符指示标志TI 选择选择GDT（TI=0）还是）还是LDT（TI=1）请求特权级字段请求特权级字段RPL（共（共4级，级，0级最高）级最高）为了保护段为了保护段段描述符表索引DITIRPL15 321 05.3.32.段描述符段描述符32位的段基址位的段基址在物理空间的开始位置在物理空间的开始位置段类型段类型S 0为系

20、统段（为系统段（TSS、LDT、各种门），、各种门），1为非系统段为非系统段20位的段界限位的段界限段的长度段的长度3位的段属性位的段属性E、ED/C、W/R5.3.3段描述符段描述符粒度粒度G1B vs.4KB存在位存在位P（P=1在内存，在内存，P=0在磁盘）在磁盘）特权级特权级DPL保护保护访问位访问位A可提供统计信息可提供统计信息D/B字段字段代码段、堆栈数据段中使用代码段、堆栈数据段中使用5.3.33.描述符表描述符表三类三类 GDT LDT IDT每个描述符表最多可容纳每个描述符表最多可容纳213个描述符个描述符GDT中的第一个（中的第一个（DI0）为空描述符）为空描述符IDT最多

21、只对应最多只对应256个描述符个描述符5.3.3描述符表描述符表GDT含有可供系统中所有任务使用的段描述符含有可供系统中所有任务使用的段描述符每个每个LDT也看成一个特殊的段（系统段）也看成一个特殊的段（系统段）GDT中还包含各个中还包含各个LDT对应的描述符对应的描述符LDT只包含与某一任务相关的各个段的描述符只包含与某一任务相关的各个段的描述符5.3.3逻辑地址转换为线性地址逻辑地址转换为线性地址885.3.4逻辑地址转换为线性地址逻辑地址转换为线性地址Pentium为每个段寄存器各设置了一个为每个段寄存器各设置了一个64位的段描述符寄存器（程序员不可访问）位的段描述符寄存器（程序员不可访

22、问）它是高速缓冲存储器它是高速缓冲存储器保存着相应段选择子所对应的段描述符保存着相应段选择子所对应的段描述符每次装入段选择子时，段描述符也一起每次装入段选择子时，段描述符也一起装入装入5.3.4分页管理分页管理优点优点:有了分页机制，一个文件一旦用到只需某些页在有了分页机制，一个文件一旦用到只需某些页在内存，为巨型文件使用内存和数据管理带来方便；每个内存，为巨型文件使用内存和数据管理带来方便；每个活动任务的所需少量页放入内存，提高了存取效率。活动任务的所需少量页放入内存，提高了存取效率。与分段的区别与分段的区别 页大小是固定的，而且页面空间比较小页大小是固定的，而且页面空间比较小 页的边界有对

23、准点页的边界有对准点4KB或或4MB实际的存储页实际的存储页物理页物理页分配给程序的页分配给程序的页虚拟页虚拟页多个页面构成一组多个页面构成一组页组页组分页功能设计两个表分页功能设计两个表 页组目录项表页组目录项表 页映象表（页表）页映象表（页表）本身就是一个页本身就是一个页5.3.5分页管理分页管理5.3.5线性地址转换为物理地址线性地址转换为物理地址第一步是查询第一步是查询CR3第二步是将线性地址的高第二步是将线性地址的高10位作为页组位作为页组项号项号第三步是查询相应页组目录对应的页表第三步是查询相应页组目录对应的页表5.3.5线性地址转换为物理地址线性地址转换为物理地址例例将线性地址0

24、123567H转换为物理地址转换检测缓冲器转换检测缓冲器TLB分页机制中的两种表分页机制中的两种表 放在存储器中放在存储器中速度？速度？高速缓存（表长，代价大）高速缓存（表长，代价大）Translate lookaside buffer（小（小型高速缓存）型高速缓存）Pentium为数据为数据Cache和指令和指令Cache分别配分别配置了各自独立的置了各自独立的TLB 每个每个TLB中存放中存放32个最近经常使用的页表项，个最近经常使用的页表项，通过操作系统跟踪来控制这些项的保持和更通过操作系统跟踪来控制这些项的保持和更新新5.3.5转换检测缓冲器转换检测缓冲器TLB分页部件得到分页部件得到

25、32位线性地址时位线性地址时 先通过其高先通过其高20位与位与TLB中的中的32项比较项比较 否则呢否则呢5.3.5TLB的工作原理的工作原理5.3.5分页管理分页管理操作系统的角色操作系统的角色 分页部件将线性地址转换为物理地址的过程需要操分页部件将线性地址转换为物理地址的过程需要操作系统的参与作系统的参与对操作系统的要求对操作系统的要求 建立初始页组目录表和页表，在分页部件功能的基建立初始页组目录表和页表，在分页部件功能的基础上完成线性地址到物理地址的转换础上完成线性地址到物理地址的转换 完成存储数据的交换，当出现缺页故障时，将缺页完成存储数据的交换，当出现缺页故障时，将缺页从磁盘调到内存

26、，并重新启动引起缺页故障的指令从磁盘调到内存，并重新启动引起缺页故障的指令 在虚拟存储器的管理中，须周期性地检测当前任务在虚拟存储器的管理中，须周期性地检测当前任务占有的各页所对应的页表项的访问位占有的各页所对应的页表项的访问位A，做统计。，做统计。确定哪些页常用，使其驻留主存中。确定哪些页常用，使其驻留主存中。确保确保TLB的内容和分页部件的两个表相符的内容和分页部件的两个表相符5.3.55.4 高速缓存技术高速缓存技术Cache概述概述Cache的组织方式的组织方式Cache的数据更新方法的数据更新方法Cache控制器控制器82385Pentium的两级的两级Cache组织组织影响影响Ca

27、che性能的因素性能的因素Cache概述概述矛盾矛盾 大容量、高速度大容量、高速度 CPU速度高，速度高，DRAM速度慢，速度慢，SARM价格高。价格高。技术技术 在主存和高速在主存和高速CPU之间设置一个小容量、高之间设置一个小容量、高速度的速度的SRAM 存放存放CPU正在使用的代码和数据正在使用的代码和数据CPU访问存储器访问存储器 主要体现在对主要体现在对SRAM的存取的存取 可以不加等待状态而保持高速操作可以不加等待状态而保持高速操作Cache概述概述Cache系统系统主存保存数据，主存保存数据，Cache保保存主存副本存主存副本依据区域性规律依据区域性规律(principle of

28、 locality)时间区域性时间区域性 空间区域性空间区域性Cache的组织方式的组织方式Cache系统中系统中 主存总是以区块为单位映象到主存总是以区块为单位映象到Cache 32位微机系统中，区块长度通常为位微机系统中，区块长度通常为4字节字节三种组织方式三种组织方式 全相联方式全相联方式主存的一个区块可以映象到主存的一个区块可以映象到Cache的任何一个地的任何一个地方方 直接映像方式直接映像方式主存的一个区块只能映象到主存的一个区块只能映象到Cache的一个对应的的一个对应的地方地方Cache的组织方式（续）的组织方式（续）三种组织方式三种组织方式 组相联方式组相联方式将将Cache

29、分为均等容量的几路，每一路又含许多分为均等容量的几路，每一路又含许多组，各路中组的数量和编号相同，每一组又含组，各路中组的数量和编号相同，每一组又含1个或多个区块个或多个区块通过约定的机制，主存的一个区块只能映象到通过约定的机制，主存的一个区块只能映象到Cache的指定组号和指定块号的区块，但可以是的指定组号和指定块号的区块，但可以是不同路不同路其实是多路的直接映象方式其实是多路的直接映象方式Cache的访问过程的访问过程 与组织方式密切相关与组织方式密切相关Cache的三种组织方式的三种组织方式全相联全相联Cache的例子的例子直接映像直接映像Cache的例子的例子组相联组相联Cache的例

30、子的例子Cache的数据更新方法的数据更新方法两个问题两个问题 数据数据丢失丢失：Cache 数据更新，主存未更新）数据更新，主存未更新）数据数据过时过时：主存更新，某个：主存更新，某个Cache 数据未更新数据未更新防止数据丢失的一致性问题防止数据丢失的一致性问题 通写式通写式：CPU写到写到Cache，Cache立即写回主存。立即写回主存。缓冲通写式缓冲通写式：主存和：主存和Cache间加缓冲器。间加缓冲器。回写式回写式：Cache每一个区块标记设置更新位，每一个区块标记设置更新位，CPU写到写到Cache，未更新主存，则标志置，未更新主存，则标志置1.CPU写到写到Cache首先检查更新

31、位，为首先检查更新位，为0可写入。否则：可写入。否则：先把先把Cache现有内容写回主存，再对现有内容写回主存，再对Cache写入。写入。Cache的数据更新方法的数据更新方法防止数据过时的一致性问题防止数据过时的一致性问题 总线监视法总线监视法:Cache控制器随时检测地址总线如其控制器随时检测地址总线如其它部件写入主存它部件写入主存,Cache控制器立即将对应区块标控制器立即将对应区块标为无效为无效.硬件监视法硬件监视法:外加硬件电路外加硬件电路,Cache本身能观察主本身能观察主存中映射区块的所有存取操作存中映射区块的所有存取操作.(1:所有部件存取所有部件存取用一个用一个Cache,2

32、:每个部件一个每个部件一个Cache,一个一个Cache写写,数据写入主存也写入其它数据写入主存也写入其它Cache)局部禁止高速缓存法局部禁止高速缓存法:共享区内容无法取到主存共享区内容无法取到主存.Cache清除法清除法:Cache所有更新数据写回主存所有更新数据写回主存,清清除除Cache所有数据所有数据.影响命中率的因素影响命中率的因素 Cache的组织方式的组织方式 Cache的容量的容量 Cache和主存之间的数据一致性和主存之间的数据一致性 运行的程序本身运行的程序本身Cache控制器控制器82385Cache子系统子系统 Cache、Cache控制器、主存控制器、主存Cache

33、中存放中存放CPU常用的代码和数据常用的代码和数据Cache控制器功能控制器功能 拦截拦截CPU的每次访存操作的每次访存操作 检查检查CPU所需要的信息是否已在所需要的信息是否已在Cache中中 若未命中，再访问主存若未命中，再访问主存82385 与与80386配合配合Cache控制器控制器8238582385对对Cache系统的管理系统的管理 Cache和主存的映像关系处理和主存的映像关系处理 未命中未命中Cache时的处理时的处理 Cache的数据更新的数据更新通过片内的通过片内的Cache目录目录 使外部使外部32KB的的Cache和和4GB的主存之间实的主存之间实现映象现映象两种映象方

34、式两种映象方式 直接映象方式直接映象方式 双路组相联映象方式双路组相联映象方式82385控制的控制的直接映象方式直接映象方式Cache系统系统直接映象方式时的直接映象方式时的Cache目录、目录、Cache及及主存之间的关系主存之间的关系82385控制的控制的直接映象方式直接映象方式Cache系统系统直接映像方式下直接映像方式下82385从从Cache中选中选1个个区块区块82385控制的控制的双路组相联方式双路组相联方式Cache子系统子系统双路组相联方式时的双路组相联方式时的Cache目录、目录、Cache及主存之间的关系及主存之间的关系82385控制的控制的双路组相联方式双路组相联方式C

35、ache子系统子系统双路组相联方式下双路组相联方式下82385从从Cache中选中选1个区块个区块Pentium两级两级Cache组织组织内存内存 主存、二级主存、二级Cache（一级（一级Cache的后备的后备）、）、一级一级Cache一级一级Cache 代码代码Cache、数据、数据Cache二级二级Cache 代码、数据合在一起代码、数据合在一起 通过内部总线与一级通过内部总线与一级Cache连接连接Pentium的两级的两级Cache组织组织二级二级Cache与一级与一级Cache间间 采用采用MESI一致性协议一致性协议 每个每个Cache行分别用行分别用M、E、S、I表示可存表示可

36、存取状况取状况 MModified（修改）（修改）EExclusive（独占）（独占）SShared（共享）（共享）IInvalid（无效）（无效）MESI一致性协议一致性协议M（一个（一个Cache行处于行处于M状态）状态）已被修改过已被修改过最新，可读最新，可读/写，写回主存后写，写回主存后改为改为S状态状态S 可共享，读时不需要总线操作可共享，读时不需要总线操作,写需要写回写需要写回主存主存.E 没有被修改过，写后成为没有被修改过，写后成为M状态状态I 内容无效，对内容无效，对I状态的状态的Cache行读则不命中，行读则不命中，需要从主存取数据对其填充。需要从主存取数据对其填充。MESI

37、一致性协议一致性协议一级代码一级代码Cache 不允许写入，不允许写入，只有只有S、I两种两种状态状态 从二级代码从二级代码Cache传送到一级代码传送到一级代码Cache的的Cache行总是处于行总是处于S状态状态一级数据一级数据Cache CPU读取而不命中时，向二级读取而不命中时，向二级Cache发请求发请求 CPU写且命中时，写且命中时，S、M、E状态的成为状态的成为M状状态态 CPU写但未命中时，若二级写但未命中时，若二级Cache命中，则命中，则复制到一级复制到一级Cache，状态分别成为，状态分别成为I、M状状态；二级未命中，则需要总线操作后，二者态；二级未命中，则需要总线操作后

38、，二者都成为都成为M状态状态Pentium的的Cache操作特点操作特点当一级代码当一级代码Cache和一级数据和一级数据Cache出现不命出现不命中时，会向二级中时，会向二级Cache请求读取所需的请求读取所需的Cache行行二级二级Cache接受一级接受一级Cache的请求后，开始查的请求后，开始查找，如果命中，将找到的信息送一级找，如果命中，将找到的信息送一级Cache供供CPU使用。一级使用。一级Cache和二级和二级Cache之间的数之间的数据按据按64位传输位传输如果二级如果二级Cache没有找到所需要的没有找到所需要的Cache行，行，则二级则二级Cache向总线部件发请求，经过

39、总线部向总线部件发请求，经过总线部件的识别和仲裁后，再向主存发信息读取请求，件的识别和仲裁后，再向主存发信息读取请求，从主存取得信息送一级从主存取得信息送一级Cache和二级和二级CachePentium的的Cache操作（续）操作（续）二级二级Cache与主存交换数据时，与主存交换数据时，Cache行行的长度为的长度为32字节（字节（256位），但每次传输位），但每次传输64位；一级位；一级Cache和二级和二级Cache内部，内部，Cache行的长度为行的长度为64位位当一级数据当一级数据Cache执行一次写操作并命中执行一次写操作并命中时，时，CPU将一级将一级Cache的数据同时写入二

40、级的数据同时写入二级Cache对于一级对于一级Cache中中M状态的状态的Cache行，行，Cache控制器会将其复制到二级控制器会将其复制到二级Cache；对于二级对于二级Cache中中M状态的状态的Cache行，行，Cache控制器会将其写回到主存控制器会将其写回到主存Pentium的的Cache操作（续）操作（续）不管用哪一种写回方式，二级不管用哪一种写回方式，二级Cache中中的数据被修改以后也都会对主存中的数的数据被修改以后也都会对主存中的数据进行修改据进行修改二级二级Cache向主存发请求取信息时，先向主存发请求取信息时，先把最急需的把最急需的64位信息从主存读取并传送位信息从主存读取并传送到一级到一级Cache，以便执行部件马上进行，以便执行部件马上进行后面的操作，对整个后面的操作，对整个32字节的传输采用字节的传输采用轮回方法轮回方法影响影响Cache性能的因素性能的因素Cache芯片的速度芯片的速度Cache的容量的容量 Cache的级数的级数Cache的组织方式的组织方式Cache行的大小行的大小Cache对主存的写回方式对主存的写回方式本章结束本章结束Thank you!