计算机组成原理学习（哈工大视频）第四章（2）

4.3高速缓冲存储器
CPU的运行速度远比内存快，为了避免CPU“空等”现象，解决CPU和主存（DRAM）的速度差异，使用缓存。

程序访问的局部性原理：时间的局部性（当前正在使用的指令和数据，在不久的将来还会再次使用的，故可以直接放到Cashe中），空间的局部性（当前正在使用的有个指令或数据，那在不仅的将来相邻的指令或数据可能会使用到，故将当前的指令或数据以及相邻的指令或数据放到Cashe中）

Cache的工作原理
主存和缓存的编址
主存块和缓存块的大小是相同的；主存块和缓存块看成整体，整体传送，块内的数据不变；主存的块数远大于缓存的块数；缓存块 中的标记，标记的是缓存对应的主存块的块号，故CPU要访问主存时，先在缓存中查找要访问的主存数据是否已经存在在缓存中；主存和缓存按块存储，块的大小相同，块内地址完全相同，不需要任何转化

命中与未命中：缓存共有C块，主存共有M块，M>>C
命中：主存块调入缓存，主存块与缓存块建立了对应关系，使用标记记录与某缓存块建立了对应关系的主存块号（所以有了局部性原理）
未命中：主存块未调入缓存，主存块与缓存块未建立对应关系

Cache的命中率
CPU欲访问的信息在Cache中的比率，命中率与Cache的容量与块长有关，一般每块可取4——8个字（一个存储字的大小与操作系统有关，取64位），块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度

Cache——主存系统的效率
效率e 与命中率有关：e=（访问Cache的时间）/（平均访问时间）
设Cache命中率为 h，访问Cache的时间为 tc，访问主存的时间为tm 则：e=（tc）/（h*tc+（1-h）*tm）

Cache的基本结构

Cache的读写操作
Cache的读操作：

Cache的写操作：Cache 是内存中某些块的缓存；Cache中有的信息，主存中也有；读操作不改变主存的信息；写操作可能造成主存和Cache的不一致，要解决写入Cache，则一定也写入主存：

Cache的改进
增加Cache的级数（片载，既片内Cache和片外Cache），统一缓存和分立缓存（指令Cache和数据Cache，与指令的执行的控制方式有关）

Cache——主存的地址映射
直接映射：主存当中 任意给定的一个块，只能映射到或者只能装载到缓存中某一个指定的块中，每个缓存块 i 可以和若干个主存块对应，而每个主存块 j 只能和一个缓存块对应，Cache的利用率低

全相联映射：主存中任何一个块可以被放入到Cache中的任意一个块中，电路复杂，速度慢，要比较的位数多

组相联映射：直接相联映射和全相联映射的折中，首先将Cache分成块，然后这些块分成若干组，将主存储器进行分区，每个区的大小和Cache中的组数是相等的

三种相联方式在多层次Cache结构中的不同作用：靠近CPU的Cache层次，要求高速度，采用直接相联，或者路数比较少的组相联；中间的一些层次，采用组相联的方式；距离CPU最远的Cache层次，采用全相联方式，因为距离CPU越远，对Cache的利用率要求越高，对速度要求越低。

替换算法
映射给出了内存中的一个内存块要放入到Cache中的话，可以放入到那些位置。如果在放入的过程中，发现可以放入内存块的的Cache的位置都已经被占有了，没有地方存放 这个内存块，则必须有一个Cache中的一个块被替换出来。
先进先出算法：
近期最少使用（LRU）算法：

4.4辅助存储器
特点：不直接与CPU交换信息，数据要先调用到主存储器中
磁表面存储器的技术指标：

磁记录的原理：
写操作：

读操作：

硬磁盘存储器的类型：固定磁头（磁头数量庞大，和磁道数相等）和移动磁头（磁头可以径向移动，故只需一个磁头），可换盘和固定盘；
硬磁盘存储器结构：

磁盘驱动器：

磁盘控制器：接受主机发来的命令，准换成磁盘驱动器的控制命令；实现主机和驱动器之间的数据格式转换；控制磁盘驱动器读写；磁盘控制器是主机和磁盘驱动器之间的接口（对主机，通过总线，对硬盘直接控制）
盘片使用硬质的铝合金材料制成

软磁盘存储器（现在基本退出市场）：

光盘存储器：采用光存储技术，利用激光写入和读出