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
    在这里插入图片描述

  • 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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