計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第03章存儲系統(tǒng)

1、PAGE 3PAGE 63.3.4 Cache存儲系統(tǒng)的加速比 Cache存儲系統(tǒng)的主要目標(biāo)：Cache存儲系統(tǒng)的加速比Cache存儲系統(tǒng)的一致性問題1、加速比與命中率的關(guān)系 Cache存儲系統(tǒng)的加速比SP（Speedup）為： 其中：Tm為主存儲器的訪問周期，Tc為Cache的訪問周期，T為Cache存儲系統(tǒng)的等效訪問周期，H為命中率。 提高Cache存儲系統(tǒng)加速比的最好途徑是提高命中率實際上，Cache存儲系統(tǒng)的加速比SP能夠接近于它的期望值。Cache存儲系統(tǒng)的加速比SP與命中率H的關(guān)系 命中率H主要與如下幾個因素有關(guān)：程序在執(zhí)行過程中的地址流分布情況所采用的替換算法Cache的容量在組

2、相聯(lián)映象方式中，塊的大小在組相聯(lián)映象方式中，分組的數(shù)目所采用的Cache預(yù)取算法2、Cache命中率與容量的關(guān)系Cache的命中率隨它的容量的增加而提高。關(guān)系曲線可以近似地表示為H1S0.5。命中率H與它的容量S的關(guān)系3、Cache命中率與塊大小的關(guān)系在組相聯(lián)映象方式中，塊的大小對命中率的影響非常敏感塊很小時，命中率很低。隨著塊大小的增加，由于程序的局部性，命中率增加。當(dāng)塊非常大時，進入Cache中的許多數(shù)據(jù)可能用不上。當(dāng)塊大小等于Cache的容量時，命中率將趨近于零。Cache的命中率與塊大小的關(guān)系4、Cache命中率與組數(shù)的關(guān)系在組相聯(lián)映象中，分組的數(shù)目對命中率的影響很明顯。隨著組數(shù)的增加

3、，Cache的命中率要降低。當(dāng)組數(shù)不太大時(512組以下)，命中率的降低相當(dāng)少，當(dāng)組數(shù)超過一定數(shù)量時，命中率的下降非常快。3.3.5 Cache的一致性問題本節(jié)討論的內(nèi)容僅限于單處理機、單存儲器。 造成Cache與主存的不一致的原因：(1) 由于CPU寫Cache，沒有立即寫主存(2) 由于IO處理機或IO設(shè)備寫主存CPUI/OCPUI/OCacheXCacheX主存儲器X主存儲器X(a) CPU寫Cache (b) I/O寫主存Cache與主存不一致的兩種情況 Cache的更新算法(1) 寫直達法，又稱寫通過法，WT（Write-through） CPU在執(zhí)行寫操作時，把數(shù)據(jù)同時寫入Cach

4、e和主存。(2) 寫回法，又稱為抵觸修改法，WB（Write-Back） CPU的數(shù)據(jù)只寫入Cache，不寫入主存。 僅當(dāng)替換時，才把修改過的Cache塊寫回到主存。 寫回法與寫直達法的優(yōu)缺點比較：(1) 可靠性，寫直達法優(yōu)于寫回法。(2) 與主存的通信量，寫回法少于寫直達法。例如：寫操作占總訪存次數(shù)的20，Cache的命中率為99，每塊為4個字。當(dāng)Cache發(fā)生塊替換時，有30塊需要寫回到主存，其余的塊因為沒有被修改過而不必寫回主存。則對于寫直達法，寫主存次數(shù)占總訪存次數(shù)的20而對于寫回法，(199)3041.2。因此，與主存的通信量，寫回法要必寫直達法少10多倍。(3) 控制的復(fù)雜性，寫直

5、達法比寫回法簡單。(4) 硬件實現(xiàn)的代價，寫回法要比寫直達法好。 寫Cache的兩種方法：(1) 不按寫分配法：在寫Cache不命中時，只把所要寫的字寫入主存。(2) 按寫分配法：在寫Cache不命中時，還把一個塊從主存讀入Cache。目前，在寫回法中采用按寫分配法，在寫直達法中采用不按寫分配法。3.3.6 Cache的預(yù)取算法 預(yù)取算法有如下幾種：1、按需取。在出現(xiàn)Cache不命中時，把一個塊取到Cache中來。2、恒預(yù)取。無論Cache是否命中，都把緊接著的下一塊取到Cache中。3、不命中預(yù)取。當(dāng)Cache不命中，把本塊和下一塊取到Cache中。 主要考慮因素：命中率的提高和Cache與

6、主存之間通信量的增加從模擬實驗的結(jié)果看： 采用恒預(yù)取能使Cache的不命中率降低7585， 采用不命中預(yù)取能使Cache的不命中率降低3040。3.4 三級存儲系統(tǒng)在大部分計算機系統(tǒng)中，既有虛擬存儲器，也有Cache存儲系統(tǒng)。存儲系統(tǒng)可以有多種構(gòu)成方法。不同的構(gòu)成只是實現(xiàn)技術(shù)不同。主存儲器Cache主存儲器Cache磁盤存儲器主存儲器磁盤存儲器主存儲器 系統(tǒng)程序員看： 應(yīng)用程序員看：速度接近Cache，速度接近主存儲器，存儲容量等于主存，存儲容量是虛擬地址空間，每位價格接近主存儲器。每位價格接近磁盤存儲器。 Cache存儲系統(tǒng)虛擬存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)的幾種組織方式：1、兩個存儲系統(tǒng)的組織方式：物理

7、地址Cache存儲系統(tǒng)目前的大部分處理機均采用這種兩級存儲系統(tǒng)。虛擬地址MMU物理地址高速緩存物理地址CPUCache數(shù)據(jù)或指令主存儲器數(shù)據(jù)或指令物理地址Cache存儲系統(tǒng)2、一個存儲系統(tǒng)組織方式：虛擬地址Cache存儲系統(tǒng)如Intel公司的i860等處理機采用這種組織方式。 虛擬地址MMU物理地址CPU主存儲器 數(shù)據(jù)或指令Cache數(shù)據(jù)或指令虛擬地址Cache存儲系統(tǒng)3、全Cache系統(tǒng)。沒有主存儲器，“Cache磁盤”存儲系統(tǒng)。3.4.1 虛擬地址Cache虛擬存儲器采用位選擇組相聯(lián)映象和地址變換方式。虛擬存儲器中的一頁恰好等于主存儲器的一個區(qū)。用虛擬地址中的虛頁號訪問快表。虛擬地址虛頁號

8、P區(qū)內(nèi)塊號B塊內(nèi)地址W查快表按地址訪問塊表讀出區(qū)號 命中？Y N修改組內(nèi)塊地址比較的使用狀態(tài)選擇要替換保存虛地址修改快表頁的快表字到頁表中的使用狀態(tài) 命中？Y 命中 N未命中把虛頁號變換成實頁號用實地址訪問主存訪問Cache讀出一塊調(diào)一頁到主存，并選擇要替換的頁用虛、實頁號修改快表裝入或替換Cache選擇一個字送往CPU一種虛擬地址Cache的地址變換過程如果快表命中，把塊表中的主存區(qū)號E與快表中的主存實頁號P進行比較。若比較結(jié)果相等，則Cache命中。從塊表中讀出Cache的組內(nèi)塊號b，并用B、b、W拼接得到Cache地址。若Cache不命中，則用主存實頁號P、及B和W拼接，得到主存實地址。

9、如果快表沒有命中，通過軟件去查存放在主存中的慢表。3.4.2 全Cache存儲系統(tǒng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，存儲系統(tǒng)的速度接近Cache，容量等于虛擬地址空間。這個存儲器如何構(gòu)成，具體分成幾級來實現(xiàn)，只是具體的實現(xiàn)方法。隨著硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，存儲系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)也在不斷改變。最直接的實現(xiàn)方法是：用一個速度很高，存儲容量很大的存儲器來實現(xiàn)。全Cache（all-Cache）存儲系統(tǒng)是一種理想的存儲系統(tǒng)。多處理機系統(tǒng)中的一種全Cache存儲系統(tǒng)方案。處理機P1P2PnIOP1IOPm局部CacheC1C2CnCio1Ciom共享CacheCg多處理機系統(tǒng)中的全Cache存儲系統(tǒng)本章重點：存儲系統(tǒng)的定義及主要性能。并行存儲器和無