• 第三章-存储系统-Cache和页式存储、虚拟存储

    第三章-存储系统-Cache和页式存储、虚拟存储

    Cache的基本概念与原理

    Cache的工作原理

    • 前期存在的问题：CPU与内存的速度差异

    • 添加Cache缓和速度矛盾

    • 在这里插入图片描述

    • 实际上，Cache被集成在CPU内部Cache用SRAM实现，速度快，成本高

    程序的局部性原理

    • 空间局部性，在最近未来要用的信息，很有可能与现在正在使用的信息咋存储空间上是邻近的

      • 数组元素，顺序执行的指令代码

    • 时间局部性：在最近的未来要用的信息，很可能现在正在使用的信息

      • 循环结构指令代码

    • 基于局部性原理，不难想到，可以把CPU目前访问的地址“周围”的部分数据放入Cache中；

    性能分析

    在这里插入图片描述

    • 例题：
      在这里插入图片描述

      • 在这里插入图片描述

    有待解决的问题：如何确定地址：”周围“的部分数据当道Cache中；

    以块为单位进行数据交换

    • Cache和主存的映射关系？
    • Cache写策略
    • Cache满了怎么办？

    Cache和主存的映射方式

    1 全相联映射

    • 主存块可以放在Cache的任意位置

    2 直接映射

    • 每个主存块只能放在一个特定的位置
      Cache块号=主存块号%Cache总块数
    • 在这里插入图片描述

    3 组相联映射

    • 在这里插入图片描述

    总结：在这里插入图片描述

    Cache的替换算法

    替换算法解决Cache装满的问题

    1、对于全相联映射：Cache完全满了才需要替换，且需要在全局选择替换哪一块；

    2 直接映射：如果对应位置非空，则毫无选择的替换，无需算法选择；
    3 组相联映射：分组内满了才需要替换，需要在分组内选择替换哪一块；

    随机算法（RAND）：若Cache已满，则随机选择一块替换

    • 在这里插入图片描述

    • 未考虑到局部性原理

    先进先出（FIFO）算法

    在这里插入图片描述

    • 未考虑到局部性原理

    近期最少使用算法（LRU）

    • 为每个Cache块设置一个“计数器”，用于记录每个Cache块已经有多久没有被访问，然后替换最大的

    在这里插入图片描述

    最不经常使用算法（LFU）

    • 在这里插入图片描述

    总结：在这里插入图片描述

    Cache的写策略

    保证数据的一致性

    写命中

    • 全写法
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    • 写回法

    写不命中

    总结在这里插入图片描述

    页式存储

    页式储存系统：一个程序在逻辑上被分为若干个大小相等的“页面” “页面”大小与“块”的大小相同。每个页面可以离散地放入不同的主存块中。

    虚地址与实地址

    在这里插入图片描述

    • 把逻辑页号映射到主存块号

    • 页表：逻辑页→主存块号

    • CPU执行的机器指令中，使用的是“逻辑地址”，因此需要通过“页表”将逻辑地址转为物理地址。页表的作用；
      记录了每个逻辑页面放在哪个主存块中；

    • 在这里插入图片描述

    • 引入快表（TLB）

      • 在这里插入图片描述

    总结：

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    虚拟存储器

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    存储器层次结构

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    段页式虚拟存储器

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