第五章存储体系5_2

5.3主存储器与CPU相连

现代微型计算机PC的主存储器基本包括两个部分：一个是ROM（只读存储器），就是不受电源影响，非易失性存储器。一般存放的是生产厂家烧写的固定指令和数据。另一个组成部分是RAM（随机读写存储器）

5.3.2存储容量的扩展

1. 位扩展：目的是增加同一个地址的存储单元位数。
2. 字扩展：是为了增加存储器中字的数量，即容量扩展。
3. 字位扩展：先位扩展再字扩展。

5.3.3主存储器与CPU的连接

这是重点也是难点

5.4高速存储器

提高存储器速度有以下几条有效途径：

1. 主存采用更加高速的技术来缩短存取器的读取时间，或者加长存储器的字长，使CPU一次可存取的数据宽度加长。
2. 采用并行操作的多端口存储器。
3. 在CPU和主存之间加入一个高速缓冲存储器（Cache），以缩短读取时间。
4. 在每个存储周期中存取几个字。

5.4.1双端口存储器

是指同一个存储器具有两组相互独立的读/写控制线，允许两个独立的CPU或控制器异步的访问存储单元。

5.4.2多交叉存储器

• 多交叉存储器可以在不改变每个存储体存储周期的情况下，提高存储器的带宽
• 采用M个存储体流水式并行存取得方式，对CPU连续访问的M个字成块传送，可以大大提高存储器的带宽。
• 每个存储体的字长都等于数据总线宽度。

1. 带宽=信息量（N个字*字长）/单位时间（读取分子字数所花的时间）
2. 模块数就是体数M，字长乘以字数就是信息总量，时间用T（存取周期）+（N-1）* t（总线传送周期）

5.4.3相联存储器

相联存储器是一种随机存取类的存储器，在相联存储器中，一个字是通过他的部分内容而不是他的地址进行检索的。

5.5高速缓冲存储器

• 它由高速SRAM组成
• Cache不是主存储器容量的扩充，它保存的内容是主存储其中某些单元的副本。

5.5.1Cache的基本原理

1. CPU与Cache之间的数据交换以字节为单位，而Cache与主存储器之间的数据交换以字块为单位。
2. 在Cache中数据块的大小称为行，在主存中的数据块的大小称为块，块与行是等长的。
3. Cache除了包含存储体系，还包含控制逻辑。
4. 根据CPU访问读一个字的情况：
   1. 读命中
   2. 读不命中
   3. 解决读不命中的方法：
      1. 将主存中的该字的数据块复制到Cache，然后将这个字传给CPU。
      2. 启动常规的主存读周期，把该字从主存中读出并送到CPU，于此同时，把字的数据块从主存中读出送到Cache。
5. 根据CPU写一个字的情况：
   1. 写不命中，直接写入主存中，且不写入Cache
   2. 写命中，有两种方式处理：
      1. 对主存写操作也对Cache进行，称为“写贯穿策略”
      2. 只对Cache操作，仅当Cache的行被替换时，相应主存的内容才被修改，称为“写回策略”
6. Cache的命中率。

5.5.2主存储器与Cache的地址映射方式

1.直接映射

1. 直接映射是一种多对一的映射关系，主存的一块只能复制到Cache的一个特定行位置上去。
2. 主存地址被划分成块内地址b、字块地址c和高位标记t（m-c）三个部分。
3. CPU给出m+b为主存地址，Cache中的控制逻辑将中间的c位地址取出。
4. 直接映射方式的缺点是机制不灵活，Cache命中率低。

2.全相联映射

1. 全相联映射中，主存地址被划分成块内地址和高位标记地址两部分。
2. CPU给出了一个字m+b的主存地址，为了实现快速检索，主存地址中的m位的块号与Cache中所有行标记同时在比较器中比较。
3. 优点是机制灵活、命中率高。
4. 缺点是比较器电路难于设计和实现，因此只适合于小容量的Cache。

3.组相联映射

1. 组相联的方式是将Cache分成2^(c-r)组，每组r行，主存中的字块放Cache到哪个组是固定的，映射到哪一行是不确定的。有如下函数关系：j = （i mod 2^(c-r)）乘以 2^r + k,其中，0 <= k <= z^r - 1
2. 大大增加了映射的灵活性，提高了命中率。