408答疑

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一、存儲器概述

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二、主存儲器

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三、主存儲器與 CPU 的連接

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四、外部存儲器

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五、高速緩沖存儲器

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六、虛擬存儲器

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七、參考資料

鮑魚科技課件

b站免費王道課后題講解:

網課全程班:

26王道考研書

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八、總結

復習提示

本章是歷年命題重點，特別是有關 Cache 和虛擬存儲器的考點容易出綜合題。此外，存儲器的特點、存儲器的擴展（芯片選擇、連接方式、地址范圍等）、交叉存儲器、Cache 的相關計算與替換算法、虛擬存儲器與 TLB 也容易出選擇題。讀者應在掌握基本原理的基礎上，多結合習題進行反復訓練，以加深鞏固。另外，讀者需掌握存在 Cache 和 TLB 的計算機中的地址翻譯與 Cache 映射問題，也建議結合 OS 復習。

思考題

1. 存儲器系統為何要分這些層次？計算機如何管理這些層次？
   • Cache-主存層在存儲系統中主要對 CPU 訪存起加速作用，即從整體運行的效果看，CPU 訪存速度加快，接近于 Cache 的速度，而尋址空間和位價卻接近于主存。
   • 主存-輔存層在存儲系統中主要起擴容作用，即從程序員的角度看，他所使用的存儲器的容量和位價接近于輔存，而速度接近于主存。因此從整個存儲系統來看，就達到了速度快、容量大、位價低的效果。
   • 主存與 Cache 之間的信息調度全部由硬件自動完成。
   • 而主存與輔存的信息調度則采用虛擬存儲技術實現，即將主存與輔存的一部分通過軟/硬結合的技術組成虛擬存儲器，程序員可用這個比主存實際空間（物理地址空間）大得多的虛擬地址空間（邏輯地址空間）編程，當程序運行時，再由軟/硬件自動配合完成虛擬地址空間與主存實際物理空間的轉換。
2. 影響 Cache 性能的因素有哪些？
   • 決定 Cache 系統訪存效率重要因素是命中率，它與很多因素有關：
     • 命中率與映射方式有關，全相聯映射方式的命中率最高，直接映射方式的命中率最低。
     • 命中率與 Cache 容量有關，顯然 Cache 容量越大，命中率就越高。
     • 命中率還與主存塊（或 Cache 行）的大小有關，主存塊的大小要適中。
   • 除上述因素外，系統是采用單級還是采用多級 Cache、數據 Cache 和指令 Cache 是分離還是合在一起、主存-總線-Cache-CPU 之間采用什么架構等，都會影響 Cache 的總體性能。
3. 虛擬存儲系統的頁面是設置得大一些好還是設置得小一些好？
   • 頁面大小要適中。
   • 頁面大小時，平均頁內剩余空間較小，可節省存儲空間，但會使得頁表增大，頁面大小時也不能充分利用空間局部性來提高命中率；
   • 頁面太大時，可減少頁表空間，但平均頁內剩余空間較大，會浪費較多存儲空間，頁面太大還會使頁面調入/調出的時間較長。

常見問題和易混淆知識點

1. Cache 行的大小和命中率之間有什么關系？

   • Cache 行的長度較大時，能充分利用程序訪問的空間局部性，使一個較大的局部空間被一起調到 Cache 中，因此可以增加命中機會。但是，行長也不能太大，主要原因有兩個：

     • 行長大使失效損失變大。也就是說，若未命中，則需花更多時間從主存讀塊。
     • 行長太大，Cache 項數變少，因此命中的可能性變小。

   • Cache 行的長度較小時，命中率會很低，但好處是存取塊的代價較小。

2. 發生取指令 Cache 缺失的處理過程是什么？
   • 程序計數器恢復當前指令的值。
   • 對主存進行讀的操作。
   • 將讀入的指令寫入 Cache 中，更改有效位和標記位。
   • 重新執行當前指令。
3. Cache 總容量與映射方式有何種關系？

   • $Cache總容量=[每個Cache行標記項的容量（有效位、臟位、LRU替換位、標記位）+Cache行長]\times Cache總行數$

   • 其中，有效位和標記位是所有 Cache 所必需的；臟位只在 Cache 采用回寫法時才需要設置；LRU 替換位只在 Cache 采用 LRU 替換算法時才需要設置。

   • 有效位：占1位，用于說明 Cache 行中的數據是否有效。

   • 臟位（修改位）：占 1 位，回寫法才需要設置，用以說明 Cache 行中的數據是否被修改過。

   • LRU 替換位：位數為 ${\log }_2$（組內塊數），用于 LRU 替換算法中的訪問計數。

   • 標記位 Tag：主存地址結構中的標記字段，其位數取決于所用的映射方式，用于匹配 Cache 行對應主存中的哪個塊。

   • Cache 容量與映射方式的具體關系如下圖所示。