计算机系统组成与结构PPT第9章.ppt

第第9 9章章 存储器结构存储器结构9.1 存储器的层次结构存储器的层次结构9.2 Cache存储器存储器*9.3 虚拟存储器虚拟存储器*9.4 基本基本Cache和虚拟存储器的扩展和虚拟存储器的扩展*9.5 实例：实例：Pentium/Windows个人计算机个人计算机 上的内存管理上的内存管理计算机组成与结构1湖南大学计算机与通信学院9.1 存储器的层次结构存储器的层次结构图图9.1 一般的存储器层次一般的存储器层次物理内存物理内存：由动态：由动态RAM组成。组成。Cache存储器存储器：由静态：由静态RAM构成，比构成，比DRAM快得多，但也快得多，但也 昂贵的多。昂贵的多。Cache是物理内存的部分副本。是物理内存的部分副本。虚拟存储器虚拟存储器：空间比物理内存大得多逻辑空间。虚拟管理器：空间比物理内存大得多逻辑空间。虚拟管理器 通过在物理内存和一个存储介质之间调度来达通过在物理内存和一个存储介质之间调度来达 到访问的目的。到访问的目的。计算机组成与结构2湖南大学计算机与通信学院哈佛结构：哈佛结构：计算机存储系统的计算机存储系统的Cache层次中，每一级层次中，每一级Cache包含包含两个单独的两个单独的Cache存储器，其中存储器，其中 一个是指令一个是指令Cache，一个是数据一个是数据Cache。9.2 Cache存储器存储器 大部分计算机在大部分计算机在CPUCPU和物理内存之间包含一个较小容和物理内存之间包含一个较小容量的量的CacheCache存储器，而不是使用存储器，而不是使用CacheCache存储器构建计存储器构建计算机的整个存储系统。目标是在合理的价格下减少算机的整个存储系统。目标是在合理的价格下减少处理器的内存访问时间。处理器的内存访问时间。计算机组成与结构3湖南大学计算机与通信学院9.2.1 相联存储器相联存储器一般存储器：接收一个地址，访问该地址中的一般存储器：接收一个地址，访问该地址中的 数据。数据。相联存储器：并行搜索所有单元，标记那些与相联存储器：并行搜索所有单元，标记那些与 特定数据特定数据 匹配的单元，然后连续匹配的单元，然后连续 读出匹配的数据值。读出匹配的数据值。计算机组成与结构4湖南大学计算机与通信学院考虑一个由考虑一个由8 8个个字单元组成的简字单元组成的简单的相联存储器，单的相联存储器，每个单元有每个单元有16 16 位，如图位，如图9.29.2所所示。示。除数据位外，每除数据位外，每单元都有一个额单元都有一个额外的标记位外的标记位V V。（数据有效位，数据有效位，为为1 1说明这个单说明这个单元数据有效，为元数据有效，为0 0说明数据无效说明数据无效 ）图图9.2 相联存储器相联存储器的内部组织结构的内部组织结构计算机组成与结构5湖南大学计算机与通信学院为了从相联存储器中读出一个值，为了从相联存储器中读出一个值，CPU必必须给出两个值，即要被匹配的数据值、以须给出两个值，即要被匹配的数据值、以及哪些位需要检查。第一个值是及哪些位需要检查。第一个值是参数参数或或数数据据，第二个值是，第二个值是屏蔽位屏蔽位或或关键位关键位 如果满足如下的公式，则匹配就会发生如果满足如下的公式，则匹配就会发生计算机组成与结构6湖南大学计算机与通信学院1.1.屏蔽寄存器中值为屏蔽寄存器中值为1 1的每一位，单元中的值与数据的每一位，单元中的值与数据寄存器中的值都相同寄存器中的值都相同2.2.单元的有效位被设置为单元的有效位被设置为1 1；例如例如(参考图参考图9.2)9.2)：屏蔽寄存器屏蔽寄存器K K 1111 0000 0000 00001111 0000 0000 0000数据寄存器数据寄存器D D 1010 XXXX XXXX XXXX1010 XXXX XXXX XXXX数数 据据 位位M M 1010 1101 0000 01111010 1101 0000 0111执行执行 0000 XXXX XXXX XXXX0000 XXXX XXXX XXXX执行执行 1111 XXXX XXXX XXXX1111 XXXX XXXX XXXX执行执行 1111 1111 11111111 11111111 11111111计算机组成与结构7湖南大学计算机与通信学院将数据写回相联存储器将数据写回相联存储器CPU把数据送到数据寄存器并发出把数据送到数据寄存器并发出写信号。相联存储器检查所有单元写信号。相联存储器检查所有单元的有效位，并找到有效位为的有效位，并找到有效位为0的一的一个单元，如果找到，把数据存到这个单元，如果找到，把数据存到这个单元，同时将有效位设为个单元，同时将有效位设为1。如。如果没有找到，必须采用果没有找到，必须采用替换算法替换算法清清除一个单元来保存数据。除一个单元来保存数据。常见的替换算法常见的替换算法lFIFOlLRUlRANDOM计算机组成与结构8湖南大学计算机与通信学院块号块号 块内地址块内地址b位位c位位Cache地址地址字块字块0字块字块12 1c字块C-1012 -1字块字块M-1m字块字块0字块字块101主存块号主存块号主存储器主存储器 主存块号主存块号 块内地址块内地址n位位m位位b位位主存主存地址地址M块块B个字节个字节主存和主存和CacheCache的基本结构的基本结构标签标签标签C块B个字节个字节计算机组成与结构9湖南大学计算机与通信学院下面以主存下面以主存=16块，块，Cache=8块，块大小块，块大小=16个存个存储字节为例说明几种常用映像方式：储字节为例说明几种常用映像方式：(1)全相联：主存中的一块可映像到全相联：主存中的一块可映像到Cache中任意块。中任意块。b0b1b7B0B1BiB31Cache主存主存地址块号B块内地址W4 4位位4 4位位Cache地址块号b块内地址w3位位4位位Cache标签需记下主存块号标签需记下主存块号（主存地址高（主存地址高4位）位）计算机组成与结构10湖南大学计算机与通信学院b0b1b7B0B1BiB31Cache主存主存地址块号B块内地址W4位4位Cache地址块号b块内地址w3位位4位位(2)直接相联：主存中的一块只能映像到直接相联：主存中的一块只能映像到Cache中某一特定块中某一特定块Cache标签只需记下主存区号标签只需记下主存区号（主存地址高（主存地址高1位）位）0区区1区区区号a区内块号b块内地址w3位位4位位1位位计算机组成与结构11湖南大学计算机与通信学院(3)N路组相联：全相联和直接相联的结合。路组相联：全相联和直接相联的结合。b0b1b2b3b4b5b6b7B0B1B2B3B4B5B6B7B8B9B30B31组0组1组2组3组0组1组2组3组0组3区0区1区3设设设设组大小组大小组大小组大小=2=2块块块块Cache主存地址块号B块内地址W4位Cache地址组内块号b块内地址w1位位4位位4位组号g2位位Cache标签需记下主存段号标签需记下主存段号（主存地址高（主存地址高2位）位）段号s段内块号b块内地址w2位位4位位2位位0段段1段段2段段3段段计算机组成与结构12湖南大学计算机与通信学院9.2.2 相联映象的相联映象的Cache存储器存储器64K的的8位内存位内存图图 9.3 相相对对简简单单CPU的的相相联联Cache计算机组成与结构13湖南大学计算机与通信学院作用于数据行或数据块的相联存储器作用于数据行或数据块的相联存储器l存储器在每个单元存储存储器在每个单元存储4个字节的数据。（如图个字节的数据。（如图9.4）l同一个单元的同一个单元的4个数据具有相同的高位地址，即高个数据具有相同的高位地址，即高14位相同。位相同。l比图比图9.3中的相联存储器采用了更多的位数中的相联存储器采用了更多的位数（46位位 vs 24位）位）,但更少的存储单元但更少的存储单元。计算机组成与结构14湖南大学计算机与通信学院图图 9.4 相相对对简简单单CPU中中，行行大大小小 为为4字字节节的的相相联联Cache计算机组成与结构15湖南大学计算机与通信学院优点：优点：利用了利用了访问的局部性原理访问的局部性原理：当内存单元：当内存单元X中的指令被访问时，中的指令被访问时，下一条被执行的指令非常有可能就在内存单元下一条被执行的指令非常有可能就在内存单元X+1中。中。例如：例如：当访问地址当访问地址0单元的时候，整个块（单元的时候，整个块（0，1，2，3）的值都被）的值都被从物理内存读入从物理内存读入CPU。当当CPU下次要执行在内存单元下次要执行在内存单元1、2、3中的指令时，他们已中的指令时，他们已在在cache中即能被访问而不必从较慢的物理内存中读取。中即能被访问而不必从较慢的物理内存中读取。计算机组成与结构16湖南大学计算机与通信学院 不仅指令具有访问的局部性，数据同样也具有不仅指令具有访问的局部性，数据同样也具有 访问的局部性访问的局部性 如编译器通常将一列数组元素安排到相邻的内如编译器通常将一列数组元素安排到相邻的内 存单元中，以方便处理器顺序访问数据值。存单元中，以方便处理器顺序访问数据值。计算机组成与结构17湖南大学计算机与通信学院9.2.3 直接映象的直接映象的Cache存储器存储器一种利用标准的一种利用标准的SRAM、廉价的廉价的Cache映射方案映射方案物理内存物理内存Cache深度为深度为1k64k x 8位位xxxx xx11 1111 111111 1111 1111计算机组成与结构18湖南大学计算机与通信学院l索引索引原始地址的低十位，用来选择原始地址的低十位，用来选择Cache的一个特定单元的一个特定单元l标签标签原始地址中不是索引的那些高位。原始地址中不是索引的那些高位。直接映象的直接映象的Cache存储器存储器一个单元包括（图一个单元包括（图9.5)：标签标签数据数据有效值有效值计算机组成与结构19湖南大学计算机与通信学院图图9.5 相对简单相对简单CPU的直接映象的直接映象Cache计算机组成与结构20湖南大学计算机与通信学院采用数据行的直接映像采用数据行的直接映像Cache存储器存储器 图图9.6 相对简单的相对简单的CPU中，行大小中，行大小为为4字节的直接映字节的直接映像像Cache计算机组成与结构21湖南大学计算机与通信学院直接映像的直接映像的Cache存储器存储器 优点：优点：价格低价格低容量大容量大 缺点：缺点：灵活性差灵活性差 如前所述，物理内存中任何形式为如前所述，物理内存中任何形式为xxxx xx11 1111 1111的地的地址都只能映射到址都只能映射到Cache中地址为中地址为11 1111 1111的单元中。的单元中。计算机组成与结构22湖南大学计算机与通信学院JUMP 1000HJUMP 0000HJUMP 0000HJUMP 1000H考虑下面的代码：考虑下面的代码：0000 0000 0000 0000（0000H）:JUMP 1000H0001 0000 0000 0000（1000H）:JUMP 0000H直接映象直接映象Cache地址地址00 0000 0000JUMP 0000HJUMP 1000H计算机组成与结构23湖南大学计算机与通信学院9.2.4 组相联映像的组相联映像的cache存储器存储器特点特点l灵活性增强灵活性增强减少由直接映像带来的覆盖数据的问题减少由直接映像带来的覆盖数据的问题l采用比较便宜的采用比较便宜的SRAMN路组相联：路组相联：每个单元能够包含每个单元能够包含N个字节或字个字节或字直接映像的直接映像的cache可以看作是一个一路可以看作是一个一路组相联映像组相联映像cache存储器存储器计算机组成与结构24湖南大学计算机与通信学院考察大小为考察大小为1k的的2路组相联路组相联cache（如图如图9.7）l该该cache有有1k个数据入口，每个单元个数据入口，每个单元2个数据值，因此有个数据值，因此有512个单元个单元l用用9个地址位选择个地址位选择cache单元，剩下的单元，剩下的7位说明标签值位说明标签值l计数值用来纪录数据什么时候被访问过了计数值用来纪录数据什么时候被访问过了图图9.7 相对简单相对简单CPU的的2路组相联路组相联cache计算机组成与结构25湖南大学计算机与通信学院JUMP 1000HJUMP 0000HJUMP 0000HJUMP 1000H重新考虑下面的代码：重新考虑下面的代码：0000 0000 0000 0000（0000H）:JUMP 1000H0001 0000 0000 0000（1000H）:JUMP 0000H组相联映象组相联映象cache同同一一组组计算机组成与结构26湖南大学计算机与通信学院一种采用数据行的组相联一种采用数据行的组相联cache图图9.8 相对简单相对简单CPU中中具有具有4字节数据行的字节数据行的2路组相联路组相联cache计算机组成与结构27湖南大学计算机与通信学院第9章 习题5：一个使用相对简单CPU的计算机系统，要包含一个1K大小、行大小为2字节的相联Cache：a)Cache中的每一单元有多少位？b)相联存储器需要什么mask值？解：解：a)Cache每一单元共每一单元共32位，构成如下：位，构成如下：15 bits Tag8 bits Data 8 bits Data1 bitsValidb)Mask Resister7FFF0000H计算机组成与结构28湖南大学计算机与通信学院第9章 习题6：对于第5题所示的计算机系统，给出执行每一如下指令后的Cache中的内容（所有值均以16进制给出）：0:LDAC42343:CLAC4:JMPZ000A7:JUMP0000A:INACB:MVACC:ADDD:STAC092710:JUMP00004234:554235:294次访存次访存AC=55H命中命中1次次1次访存次访存 命中命中AC=03次访存次访存 命中命中1次次跳过未执行跳过未执行1次访存次访存1次访存次访存 命中命中发生跳转发生跳转AC=1R=11次访存次访存4次访存次访存 命中命中2次次AC=20927=23次访存次访存 命中命中1次次发生跳转发生跳转第一轮命中率7/18，从第二轮开始100计算机组成与结构29湖南大学计算机与通信学院P301习题习题6：Cache hit27Cache hitCache hitCache hitCache hit计算机组成与结构30湖南大学计算机与通信学院9.2.5 在在cache中替换数据中替换数据问题的引出：问题的引出：计算机开始执行一个程序。它从内存中取指令和数据，计算机开始执行一个程序。它从内存中取指令和数据，同时将这些值载入同时将这些值载入cache。当。当cache为空或很少被占用为空或很少被占用时，会工作得很好。但是，最终计算机会要将数据移时，会工作得很好。但是，最终计算机会要将数据移入到已占用的入到已占用的cache单元。此时，将哪个数据移出单元。此时，将哪个数据移出cache，以及此数据如何再保存到物理内存，这一问以及此数据如何再保存到物理内存，这一问题就变得至关重要。题就变得至关重要。计算机组成与结构31湖南大学计算机与通信学院替换策略：替换策略：1.FIFO 先进先出原则先进先出原则2.LRU 最久未最久未使用原则使用原则3.LFU 最少最少使用原则使用原则4.随机策略随机策略计算机组成与结构32湖南大学计算机与通信学院1.FIFO 先进先出策略：先进先出策略：一般与全相联映像配套使用一般与全相联映像配套使用l按顺序填充相联存储器，当按顺序填充相联存储器，当cache占满时返回最顶单元，用新数据占满时返回最顶单元，用新数据替换原有数据替换原有数据l只要一个寄存器就能实现只要一个寄存器就能实现该寄存器保存下一个要被替换的该寄存器保存下一个要被替换的单元的指针单元的指针l性能可能不好、容易实现性能可能不好、容易实现计算机组成与结构33湖南大学计算机与通信学院2.LRU 最久未使用策略最久未使用策略l跟踪单元的访问顺序，用新的数跟踪单元的访问顺序，用新的数据替换近期最久未使用的数据据替换近期最久未使用的数据l每个每个cache单元需要一个计数器单元需要一个计数器最近访问的数据，将相应的计数最近访问的数据，将相应的计数器置为器置为0；其余的计数器依次加；其余的计数器依次加1l性能好但实现难，一般用于组相联性能好但实现难，一般用于组相联Cache中。中。计算机组成与结构34湖南大学计算机与通信学院例：在一个例：在一个4路组相联路组相联cache单元中应用单元中应用LRU策略策略T D C V T D C V T D C V T D C VC c2 1B b1 1A a0 1-01.Cache单元的当前状态单元的当前状态2.CPU访问访问DT D C V T D C V T D C V T D C VC c1B b1A a13211D d0装入装入210-0计算机组成与结构35湖南大学计算机与通信学院3.CPU访问访问ET D C V T D C V T D C V T D C V0 1B b3 1A a2 1d1 14.CPU访问访问AT D C V T D C V T D C V T D C V1 1B b1A a0 1D d2 1命中命中E e替换替换3211D d0C c021E e3计数值计数值不变不变计算机组成与结构36湖南大学计算机与通信学院3.RANDOM 随机策略随机策略l随机的选择一个单元给新的数据使用随机的选择一个单元给新的数据使用l性能可能不好，与性能可能不好，与FIFO策略差不多策略差不多计算机组成与结构37湖南大学计算机与通信学院9.2.6 写数据到写数据到cachel写直达法写直达法每次信息从每次信息从CPU写入写入cache单元单元中时，也要写回相应的物理内存中时，也要写回相应的物理内存单元中单元中 l回写法回写法写入写入cache中的值并不总是被写中的值并不总是被写回物理内存。仅在数据被移出回物理内存。仅在数据被移出cache时写回物理内存一次时写回物理内存一次 写写命中时：命中时：计算机组成与结构38湖南大学计算机与通信学院处理写失效问题处理写失效问题l按写分配法按写分配法把单元装入把单元装入cache，然后使用写然后使用写直达法或写回法把数据写到直达法或写回法把数据写到cache l不按写分配法不按写分配法直接更新物理内存中的值，而直接更新物理内存中的值，而不把值装载至不把值装载至cache 计算机组成与结构39湖南大学计算机与通信学院9.2.7 cache的性能的性能评判性能的标准评判性能的标准lCache命中命中要访问的数据已在要访问的数据已在cache中中lCache失效失效要访问的数据不在要访问的数据不在cache中中计算机组成与结构40湖南大学计算机与通信学院v命中率命中率h：指由指由cache（而不是物理内存）而不是物理内存）提供服务的访存百分比提供服务的访存百分比 v平均访问时间平均访问时间Tm：是是cache访问时间访问时间Tc和内和内 存访问时间存访问时间Tp的加权平均，权值是的加权平均，权值是hTm=h Tc+(1-h)Tp 计算机组成与结构41湖南大学计算机与通信学院Tc=10nsTp=60ns结论：增加命中率结论：增加命中率能够减少平均访问能够减少平均访问时间时间计算机组成与结构42湖南大学计算机与通信学院 假定一台计算机含有假定一台计算机含有8字节的字节的Cache，CPU访问下列单元访问下列单元序列，每个值的下标是其物理内存地址的低序列，每个值的下标是其物理内存地址的低3位。位。A0B0C2A0D1B0E4F5A0C2D1B0G3C2H7I6A0B0 首先考虑相联首先考虑相联cachecache。它初始化为空，使用它初始化为空，使用FIFOFIFO的替换策略。表的替换策略。表9.29.2展展示了每一个值被访问时示了每一个值被访问时cachecache的内容。在的内容。在1818次访问中，有次访问中，有7 7次命中，命中次命中，命中率为率为h=0.389h=0.389。替替替替替替计算机组成与结构43湖南大学计算机与通信学院 直接映射直接映射cachecache中的结构在表中的结构在表9.39.3中。不需要替换策略。中。不需要替换策略。1818次次访问中只有访问中只有3 3次命中，命中率仅为次命中，命中率仅为h=0.167h=0.167。000000022211450376替替替替替替替替替替替替替替计算机组成与结构44湖南大学计算机与通信学院 2 2路组相联路组相联cachecache的结构在表的结构在表9.49.4中。中。CacheCache使用使用LRULRU替换策略；计替换策略；计数值也显示在表中。值得注意的是，因为数值也显示在表中。值得注意的是，因为cachecache是是2 2路的，仅仅构成路的，仅仅构成4 4个个cachecache地址，当内存低地址，当内存低3 3位地址中的低位地址中的低2 2位位(组号组号)相同时，映像到相同时，映像到cachecache的同一组。的同一组。1818次访问中同样次访问中同样7 7次命中，命中率次命中，命中率h=0.389h=0.389。000000022211450376替替替替替替计算机组成与结构45湖南大学计算机与通信学院同上例相联同上例相联Cache，但数据行（块）大小但数据行（块）大小2计算机组成与结构46湖南大学计算机与通信学院直接映像直接映像Cache，数据行（块）大小数据行（块）大小2A0B0C2A0D1B0E4F5A0C2D1B0G3C2H7I6A0B0替替替替替替替替替替替替 替替计算机组成与结构47湖南大学计算机与通信学院课堂练习：一台基于相对简单CPU的计算机，有一个16个字节、行大小为2字节的直接映像Cache。给出执行下列代码过程中及执行完代码后Cache的内容。同时求这段程序在Cache系统中的命中率。0:LDAC42343:STAC42356:MVAC7:INAC8:ADD9:JPNZ0020C:JUMP0010F:NOP10:CLAC11:JUMP002020:LDAC423523:JUMP002926:JUMP000029:AND4234:55计算机组成与结构48湖南大学计算机与通信学院TagData1Data2V00000000块块0块块1块块2块块3块块4块块5块块6块块7000LDAC34100042STAC14235510:LDAC42343:STAC 42356:MVAC7:INAC8:ADD9:JPNZ 0020C:JUMP 0010F:NOP10:CLAC11:JUMP 002020:LDAC423523:JUMP 002926:JUMP 000029:AND4234:551/4命中，命中，AC=55H0003542命中命中1命中命中替换替换423552/4命中，命中，4235H=55H000MVACINAC10/1命中，命中，R=55H1/1命中，命中，AC=56H命中命中000ADDJPNZ1命中命中0/1命中，命中，AC=ABH34命中命中STAC替换替换4255INACJPNZ000200000命中命中2/3命中命中跳过跳过不执行不执行LDAC35替换替换00242JUMP00235命中命中替换替换55命中命中2/4命中，命中，AC=55HJUMP命中命中2900替换替换00200命中命中2/3命中命中跳过不执行跳过不执行00002AND替换替换0/1命中，命中，AC=55H命中率=5/1145.45%计算机组成与结构49湖南大学计算机与通信学院9.3 虚拟存储器虚拟存储器l存储管理单元存储管理单元在物理内存和较慢的在物理内存和较慢的存储设备存储设备间移动数据间移动数据l虚拟存储器的主要实现方法：分页和分段虚拟存储器的主要实现方法：分页和分段交换磁盘交换磁盘交换文件交换文件计算机组成与结构50湖南大学计算机与通信学院9.3.1 分页分页页面页面：在分页技术中，整个逻辑地址空间在分页技术中，整个逻辑地址空间被划分为连续的块叫做页面被划分为连续的块叫做页面页面的特点：页面的特点：1.每个页尺寸相同每个页尺寸相同2.页面不可重叠，每个逻辑地址确切地页面不可重叠，每个逻辑地址确切地3.属于某个页面属于某个页面计算机组成与结构51湖南大学计算机与通信学院3.一个页面或者包含程序指令或者包含数据，一个页面或者包含程序指令或者包含数据，不能同时包含两者。不能同时包含两者。4.可能导致可能导致内部碎片内部碎片问题问题内部碎片：内部碎片：假设假设MMU实现的页式存储器中每实现的页式存储器中每个页面大小为个页面大小为4K，一个一个4K+1大小的程序需大小的程序需要要MMU分配两个存储器页面，尽管它的第分配两个存储器页面，尽管它的第二个页面只用了二个页面只用了4K单元的一个单元，这就单元的一个单元，这就是所谓的内存碎片。是所谓的内存碎片。计算机组成与结构52湖南大学计算机与通信学院图图9.10 相对简单相对简单CPU一种可能的内存配置一种可能的内存配置 它具有它具有64k的逻辑地址空间的逻辑地址空间16k的物理内存，页面大小的物理内存，页面大小4k计算机组成与结构53湖南大学计算机与通信学院分页系统必须解决的问题：分页系统必须解决的问题：1.何时将某页移入内存？何时将某页移入内存？2.CPU如何在物理内存找到数据，尤其逻如何在物理内存找到数据，尤其逻辑地址和物理地址不一致的情况下？辑地址和物理地址不一致的情况下？3.当所有页框都装有页面，而当所有页框都装有页面，而CPU需要访需要访问的数据不在这些页面怎么办？问的数据不在这些页面怎么办？计算机组成与结构54湖南大学计算机与通信学院存储管理单元处理上述所有问题存储管理单元处理上述所有问题l完成逻辑地址到物理地址的转换完成逻辑地址到物理地址的转换l产生产生缺页故障缺页故障，将数据从页面装入到物理内存，将数据从页面装入到物理内存l产生产生请求页请求页，把新的请求页移入到物理内存，把新的请求页移入到物理内存计算机组成与结构55湖南大学计算机与通信学院图图9.11 存储器层次结构中的存储器层次结构中的MMU配置配置计算机组成与结构56湖南大学计算机与通信学院页表页表的概念的概念MMU用页表来跟踪哪一页存储在哪个帧中用页表来跟踪哪一页存储在哪个帧中 页表的组成页表的组成（如图（如图9.12）：）：1.帧指示域帧指示域(frame)2.有效位有效位(valid)3.计数值（计数值（count,有些页表不需要）有些页表不需要）4.脏位脏位(dirty)计算机组成与结构57湖南大学计算机与通信学院 图图9.12（a）为页表，（为页表，（b）为对应的物理内存为对应的物理内存 l相对简单相对简单CPU的页的页表，有表，有16K的物理的物理内存，页面大小为内存，页面大小为4K。l页表包含了页表包含了16个单个单元，每一单元对应元，每一单元对应逻辑地址空间的一逻辑地址空间的一个页面，它包含一个页面，它包含一个个2bit的域，表明的域，表明了该逻辑页存储在了该逻辑页存储在哪一个页框中哪一个页框中l每一单元还包含一每一单元还包含一个有效位个有效位 0页，对应于逻辑地页，对应于逻辑地址址0000H1FFFH，存储在存储在1号页框中，物号页框中，物理地址为理地址为1000H1FFFH 计算机组成与结构58湖南大学计算机与通信学院9.3.1 分段分段分段分段：在分段技术中，程序被划分为几段，在分段技术中，程序被划分为几段，每段为一个自包含的单元每段为一个自包含的单元分段的特点：分段的特点：1.每个段大小可以变化每个段大小可以变化2.分段存在分段存在外部碎片外部碎片问题问题计算机组成与结构59湖南大学计算机与通信学院外部碎片：外部碎片：内存驻留有内存驻留有3个段，另有个段，另有8K自由空自由空间。而这间。而这8K空间被划分开了，于是不移动或空间被划分开了，于是不移动或撤除某个当前载入段的话，大小超过撤除某个当前载入段的话，大小超过3K的段的段已无法装入内存（如图已无法装入内存（如图9.16）图图9.16由于分段引起的物理内存外部碎片由于分段引起的物理内存外部碎片计算机组成与结构60湖南大学计算机与通信学院分段机制中逻辑地址到物理地址的转换分段机制中逻辑地址到物理地址的转换 图图9.15 分段机制中逻辑地址分段机制中逻辑地址到物理地址的转换到物理地址的转换逻辑地址被剖分为段号和偏移量 计算机组成与结构61湖南大学计算机与通信学院l段号输入到段表中，如果段已被装入内存，段号输入到段表中，如果段已被装入内存，输出段的起始地址和段大小输出段的起始地址和段大小l如果段不在物理内存中，就产生一个缺段，如果段不在物理内存中，就产生一个缺段，MMU装入新段到内存中装入新段到内存中 l偏移量与段大小进行比较，如果前者大于偏移量与段大小进行比较，如果前者大于后者，或者相等，说明所访问单元不在段后者，或者相等，说明所访问单元不在段内，就产生一个错误内，就产生一个错误 l如果偏移量有效，则与段地址的起始值相如果偏移量有效，则与段地址的起始值相加，形成一个正确的物理内存地址加，形成一个正确的物理内存地址 计算机组成与结构62湖南大学计算机与通信学院分段机制中的一个严重缺陷分段机制中的一个严重缺陷在分页机制中，页号送到页表（和在分页机制中，页号送到页表（和TLB）以产生页框号。该值和偏移量拼接构成物理地以产生页框号。该值和偏移量拼接构成物理地 址。而在分段机制中，通过页表或址。而在分段机制中，通过页表或TLB产生的产生的 起始地址要与偏移量相加，此过程消耗的时间起始地址要与偏移量相加，此过程消耗的时间 比拼接要多得多比拼接要多得多 计算机组成与结构63湖南大学计算机与通信学院带分页的分段带分页的分段l分页和分段两种机制的结合体分页和分段两种机制的结合体l在内存中不必是一个连续整块在内存中不必是一个连续整块l逻辑地址被划分为三个部分逻辑地址被划分为三个部分1.段号段号 2.页号页号 3.偏移量偏移量计算机组成与结构64湖南大学计算机与通信学院图图9.17段页式机制中逻辑地址转换为物理地址段页式机制中逻辑地址转换为物理地址计算机组成与结构65湖南大学计算机与通信学院段页式机制中的优点：段页式机制中的优点：1.不需要找一个足够大的连续块来装载整个段，物理不需要找一个足够大的连续块来装载整个段，物理内存的段分配相对简单内存的段分配相对简单2.2.组成段的页可被放在物理内存的任意位置组成段的页可被放在物理内存的任意位置，减，减少了外部碎片少了外部碎片3.4.3.不再需要在段表中显式的存储段的大小不再需要在段表中显式的存储段的大小5.6.4.当明确产生页框号后，也不再需要加上偏移量来当明确产生页框号后，也不再需要加上偏移量来生成一个值；而是使用更快的拼接生成一个值；而是使用更快的拼接 计算机组成与结构66湖南大学计算机与通信学院9.6 总结总结l大部分计算机的存储层次不仅仅包括物理内存物理内存，还包括cache和虚拟内存虚拟内存。Cache存储器是一个介于CPU和物理存储器间的高速存储器；cache的一级经常置入CPU芯片内。Cache 存储器可以是统一起来的，也可以分离成单独的指令cache和数据cache。Cache的性能很大程度上由命中率和平均访问时间决定。lCache存储器可使用三种映射策略中的一种。相联相联映射映射是最灵活的，但它要求使用相对昂贵的相联存储器而不是标准的静态RAM。直接映射直接映射灵活性少些，但也便宜些。组相联映射组相联映射综合了直接映射的优点以及相联映射的某些灵活性。使用组相联的存储器使用FIFO、LRU或者是随机替换策略随机替换策略。计算机组成与结构67湖南大学计算机与通信学院l虚拟存储器虚拟存储器使用辅存，比如磁盘，来扩展处理器可用的内存空间。它比给系统加物理内存要便宜很多，且不会严重降低系统性能。内存管理单元内存管理单元把处理器发布的虚拟地址映射为相应的物理地址。l一个虚拟存储器系统虚拟存储器系统可使用分页分页或分段机制。分页系统在物理内存和虚拟内存间交换固定大小的页框。MMU用页表和TLB来跟踪哪一个页框对应于每一页面。段式系统可管理不同尺寸的段。它减少了内部碎片内部碎片，但引入了外部碎片外部碎片。一个系统中结合这两种方法是可行的，可以用可变数目的固定长度页来构造可变大小的段。计算机组成与结构68湖南大学计算机与通信学院