26考研——存储系统（3）

408答疑

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一、存储器概述

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二、主存储器

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三、主存储器与 CPU 的连接

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四、外部存储器

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五、高速缓冲存储器

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六、虚拟存储器

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七、参考资料

鲍鱼科技课件

b站免费王道课后题讲解:

网课全程班:

26王道考研书

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八、总结

复习提示

本章是历年命题重点，特别是有关 Cache 和虚拟存储器的考点容易出综合题。此外，存储器的特点、存储器的扩展（芯片选择、连接方式、地址范围等）、交叉存储器、Cache 的相关计算与替换算法、虚拟存储器与 TLB 也容易出选择题。读者应在掌握基本原理的基础上，多结合习题进行反复训练，以加深巩固。另外，读者需掌握存在 Cache 和 TLB 的计算机中的地址翻译与 Cache 映射问题，也建议结合 OS 复习。

思考题

1. 存储器系统为何要分这些层次？计算机如何管理这些层次？
   • Cache-主存层在存储系统中主要对 CPU 访存起加速作用，即从整体运行的效果看，CPU 访存速度加快，接近于 Cache 的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。
   • 主存-辅存层在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器的容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。因此从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的效果。
   • 主存与 Cache 之间的信息调度全部由硬件自动完成。
   • 而主存与辅存的信息调度则采用虚拟存储技术实现，即将主存与辅存的一部分通过软/硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可用这个比主存实际空间（物理地址空间）大得多的虚拟地址空间（逻辑地址空间）编程，当程序运行时，再由软/硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。
2. 影响 Cache 性能的因素有哪些？
   • 决定 Cache 系统访存效率重要因素是命中率，它与很多因素有关：
     • 命中率与映射方式有关，全相联映射方式的命中率最高，直接映射方式的命中率最低。
     • 命中率与 Cache 容量有关，显然 Cache 容量越大，命中率就越高。
     • 命中率还与主存块（或 Cache 行）的大小有关，主存块的大小要适中。
   • 除上述因素外，系统是采用单级还是采用多级 Cache、数据 Cache 和指令 Cache 是分离还是合在一起、主存-总线-Cache-CPU 之间采用什么架构等，都会影响 Cache 的总体性能。
3. 虚拟存储系统的页面是设置得大一些好还是设置得小一些好？
   • 页面大小要适中。
   • 页面大小时，平均页内剩余空间较小，可节省存储空间，但会使得页表增大，页面大小时也不能充分利用空间局部性来提高命中率；
   • 页面太大时，可减少页表空间，但平均页内剩余空间较大，会浪费较多存储空间，页面太大还会使页面调入/调出的时间较长。

常见问题和易混淆知识点

1. Cache 行的大小和命中率之间有什么关系？

   • Cache 行的长度较大时，能充分利用程序访问的空间局部性，使一个较大的局部空间被一起调到 Cache 中，因此可以增加命中机会。但是，行长也不能太大，主要原因有两个：

     • 行长大使失效损失变大。也就是说，若未命中，则需花更多时间从主存读块。
     • 行长太大，Cache 项数变少，因此命中的可能性变小。

   • Cache 行的长度较小时，命中率会很低，但好处是存取块的代价较小。

2. 发生取指令 Cache 缺失的处理过程是什么？
   • 程序计数器恢复当前指令的值。
   • 对主存进行读的操作。
   • 将读入的指令写入 Cache 中，更改有效位和标记位。
   • 重新执行当前指令。
3. Cache 总容量与映射方式有何种关系？

   • $Cache总容量=[每个Cache行标记项的容量（有效位、脏位、LRU替换位、标记位）+Cache行长]\times Cache总行数$

   • 其中，有效位和标记位是所有 Cache 所必需的；脏位只在 Cache 采用回写法时才需要设置；LRU 替换位只在 Cache 采用 LRU 替换算法时才需要设置。

   • 有效位：占1位，用于说明 Cache 行中的数据是否有效。

   • 脏位（修改位）：占 1 位，回写法才需要设置，用以说明 Cache 行中的数据是否被修改过。

   • LRU 替换位：位数为 ${\log }_2$（组内块数），用于 LRU 替换算法中的访问计数。

   • 标记位 Tag：主存地址结构中的标记字段，其位数取决于所用的映射方式，用于匹配 Cache 行对应主存中的哪个块。

   • Cache 容量与映射方式的具体关系如下图所示。