第三章 存储系统(5)cache(1)

cache的基本原理(一)Cache的基本原理什么是CacheCache（缓存）是计算机系统中一种提高数据访问效率的技术。

它通过将经常访问的数据存储在速度更快的存储介质中，以便快速获取，从而加快系统的响应速度。

Cache的作用1.提高数据访问速度：Cache能够将数据存储在速度更快的存储介质中，以便快速获取。

相比于从较慢的主存（RAM）中读取数据，从Cache中读取数据的速度更快，从而提高了系统的响应速度。

2.减轻系统负载：Cache能够减轻对主存的访问压力，从而减轻了整个系统的负载。

当数据被缓存到Cache中时，对该数据的访问将不再需要访问主存，从而减少了主存的读写操作，提高了整个系统的效率。

Cache的基本原理Cache的基本原理可以概括为以下几个步骤：1.检查数据是否在Cache中：当系统需要访问某个数据时，首先会检查该数据是否已经存储在Cache中。

如果在Cache中找到了需求的数据，则无需从主存中读取，直接从Cache中获取数据。

2.数据未在Cache中：如果需要的数据不在Cache中，则需要从主存中读取。

同时，系统会将该数据从主存读取到Cache中，以便下次快速访问。

通常会采用一定的缓存算法（如LRU）来选择适合替换的数据，确保Cache的空间被合理利用。

3.数据写回主存：当Cache中的数据被修改后，系统会在合适的时机将修改后的数据写回主存。

这样可以保证数据的一致性，并且避免数据的丢失。

Cache的命中率Cache的命中率是评估Cache性能的重要指标。

它表示在访问数据时，该数据已经在Cache中的概率。

命中率越高，越能够提高系统的响应速度。

Cache的命中率可以通过以下公式计算：命中率 = 命中次数 / 总访问次数提高Cache命中率的方法为了提高Cache的命中率，可以采取以下方法：•提高Cache容量：增加Cache的容量可以存储更多的数据，从而减少Cache缺失的概率，提高命中率。

第三章存储系统(习题解答)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第三章存储系统（习题参考答案）1．有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：（1）该存储器能存储多少个字节的信息？（2）如果存储器由512K×8位SRAM芯片组成，需要多少芯片？（3）需要多少位地址作芯片选择？解：（1）∵ 220= 1M，∴ 该存储器能存储的信息为：1M×32/8=4MB （2）（1024K/512K）×（32/8）= 8（片）（3）需要1位地址作为芯片选择。

（选择两个512K×32位的存储体）2. 已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用256K×16位的DRAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式，问：（1）每个模块板为1024K×64位，共需几个模块板？（2）每个模块板内共有多少DRAM芯片?（3）主存共需多少DRAM芯片? CPU如何选择各模块板？解：(1)最大主存空间为：226×64位，每个模块板容量为：1024K×64位=220×64位设：共需模块板数为m：则：m=（226×64位）/（220×64位）= 64 (块)(2). 设每个模块板内有DRAM芯片数为n:n=(/) ×(64/16)=16 (片)(3) 主存共需DRAM芯片为：m×n = 64×16=1024 (片)每个模块板有16片DRAM芯片，容量为1024K×64位，需20根地址线(A19~A0)完成模块板内存储单元寻址。

一共有64块模块板，采用6根高位地址线(A25~A20)，通过6:64译码器译码,产生片选信号对各模块板进行选择。

3．用16K×8位的DRAM芯片组成64K×32位存储器，要求：(1) 画出该存储器的组成逻辑框图。

计算机组成原理(简单题)第一章概论1、计算机的应用领域：科学计算、数据处理、实时控制、辅助设计、通信和娱乐。

2、计算机的基本功能：存储和处理外部信息，并将处理结果向外界输出。

3、数字计算机的硬件由：运算器、控制器、存储器、输入单元和输出单元。

4、软件可以分成系统软件和应用软件。

其中系统软件包括：操作系统、诊断程序、编译程序、解释程序、汇编程序和网络通信程序。

5、计算机系统按层次进行划分，可以分成，硬件系统、系统软件和应用软件三部分。

6、计算机程序设计语言可以分成：高级语言、汇编语言和机器语言。

第二章数据编码和数据运算1、什么是定点数？它有哪些类型？答：定点数是指小数点位置固定的数据。

定点数的类型有定点整数和定点小数。

2、什么是规格化的浮点数？为什么要对浮点数进行规格化？答：规格化的浮点数是指规定尾数部分用纯小数来表示，而且尾数的绝对值应大于或等于1/R并小于等于1。

在科学计数法中，一个浮点数在计算机中的编码不唯一，这样就给编码带来了很大的麻烦，所有在计算机中要对浮点数进行规格化。

3、什么是逻辑运算？它有哪些类型？答：逻辑运算时指把数据作为一组位串进行按位的运算方式。

基本的逻辑运算有逻辑或运算、逻辑与运算和逻辑非运算。

4、计算机中是如何利用加法器电路进行减法运算的？答：在计算机中可以通过将控制信号M设置为1，利用加法器电路来进行减法运算。

第三章存储系统1、计算机的存储器可以分为哪些类型？答：计算机的存储器分成随机存储器和只读存储器。

2、宽字存储器有什么特点？答：宽字存储器是将存储器的位数扩展到多个字的宽度，访问存储器时可以同时对对个字进行访问，从而提高数据访问的吞吐量。

3、多体交叉存储器有什么特点？答：多体交叉存储器是由对个相互独立的存储体构成。

每个存储器是一个独立操作的单位，有自己的操作控制电路和存放地址的寄存器，可以分别进行数据读写操作，各个存储体的读写过程重叠进行。

4、什么是相联存储器？它有什么特点？答：相联存储器是一种按内容访问的存储器。

简述cache存储体系的结构原理Cache存储体系的结构原理随着互联网的发展和数据量的不断增加，对于数据的访问速度和效率要求也越来越高。

为了提高数据的访问速度，减少对数据库等后端存储系统的压力，缓存技术应运而生。

Cache存储体系是一种常见的缓存技术，通过将数据存储在内存中，以提高数据的读取速度。

本文将从结构和原理两个方面对Cache存储体系进行简要的介绍。

一、Cache存储体系的结构Cache存储体系通常由三层结构组成：缓存层、数据库层和应用层。

1. 缓存层：缓存层是整个Cache存储体系的核心。

它由缓存服务器和缓存存储介质组成。

缓存服务器负责接收应用层的读请求，并根据缓存策略决定是否从缓存存储介质中读取数据。

缓存存储介质通常使用高速内存，如内存条或固态硬盘，以保证读取速度。

缓存层的设计要考虑数据一致性和可靠性，通常会采用缓存同步和缓存失效等机制。

2. 数据库层：数据库层是缓存层的下一层，负责存储和管理原始数据。

数据库层通常使用关系型数据库或分布式数据库，用于存储大量的数据。

在缓存层无法满足读取请求时，数据库层会被调用，从而保证数据的完整性和可靠性。

3. 应用层：应用层是整个Cache存储体系的最上层，负责接收用户的请求，并将读取到的数据返回给用户。

应用层可以是Web服务器、应用程序或其他数据访问接口。

应用层通常会通过缓存服务器来提高数据的读取速度，以提升用户体验。

二、Cache存储体系的原理Cache存储体系的原理主要包括缓存命中和缓存失效两个方面。

1. 缓存命中：当应用层发起读取请求时，缓存服务器会首先检查缓存层是否存在请求的数据。

如果数据在缓存层中存在，即发生了缓存命中，缓存服务器会立即将数据返回给应用层。

这样可以避免对数据库层的访问，大大提高了读取速度和系统的吞吐量。

2. 缓存失效：当缓存层无法命中请求的数据时，即发生了缓存失效。

缓存失效后，缓存服务器会向数据库层发起读取请求，获取数据并存储到缓存层中，以备下一次的读取请求。

存储系统一、选择1、设机器字长为32位，一个容量为16MB的存储器，CPU按半字寻址，其可寻址的单元数是2、若某存储器存储周期为250ns，每次读出16位，则该存储器的数据传输率是3、设机器字长为64位，存储容量为128MB，若按字编址，它可寻址的单元个数是4、在Cache和主存构成的两级存储体系中，主存与Cache同时访问，Cache的存取时间是100ns，主存的存取时间是1000ns，如果希望有效（平均）存取时间不超过Cache存取时间的115%，则Cache的命中率至少应为5、某一SRAM芯片，其容量为1024×8位，除电源和接地端外，该芯片的引脚的最小数目为6、某一DRAM芯片，采用地址复用技术，其容量为1024×8位，除电源和接地端外，该芯片的引脚的最少数目为7、某存储器容量为32K×16位，则（）8、A.地址线为16根，数据线为32根B. 地址线为32根，数据线为16根C.址线线为15根，数据线为16根D. 地址线为15根，数据线为32根9、若RAM中每个存储单元为16位，则下面所述正确的是（）A.地址线也是16根B.地址线与16无关C.地址线与16有关D.地址线不得少于16根10、下面有关DRAM和SRAM存储芯片的叙述，通常情况下，错误的是（）A.DRAM芯片的集成度比SRAM高B.DRAM芯片的成本比SRAM高C.DRAM芯片的速度比SRAM快D.DRAM芯片工作时需要刷新，SRAM芯片工作时不需要刷新11、某SARM芯片，其存储容量为512×8位，包括电源端和接电线，该芯片引出线的数目应为12、在存储器芯片中，地址译码采用双译码方式是为了13、在1K×1位的存储芯片中，采用双译码方式，译码器的输出信号有条。

14、若存储周期为250ns，每次读出16位，则该存储器的数据传输率为15、若数据在存储器中采用以低字节地址为字地址的存放方式，则十六进制数12345678H的存储自己顺序按地址由小到大依次是16、某计算机字长为32位，存储器容量为16MB，CPU按半字寻址，其可寻址的单元数是17、某计算机字长为32位，存储器容量为4MB，CPU按字寻址，其寻址范围是0到18、某计算机字长为16位，存储器容量为256KB，CPU按字节寻址，其寻址范围是19、某计算机字长为16位，存储器容量为256KB，CPU按字寻址，其寻址范围是20、某计算机字长为16位，存储器容量为64KB，CPU按字寻址，其可寻址得21、某计算机字长为32位，存储器容量为256KB，CPU按字寻址，其可寻址的单元数是22、4个16K×8位的存储芯片，可设计为容量的存储器。

cache存储体系的结构原理
Cache存储体系的结构原理包括如下几个方面：
1. 层次结构：Cache存储体系一般由多级缓存组成，包括L1、L2、L3等多级缓存。

不同级别的缓存容量和访问速度各不相同，越靠近处理器的缓存级别容量越小、访问速度越快。

2. 局部性原理：Cache存储体系利用了程序运行过程中存在的
局部性原理，包括时间局部性和空间局部性。

时间局部性指的是一段时间内某个数据被访问的概率很高，而空间局部性指的是一次访问某个数据后，其附近的数据也有很大的可能性会被访问。

3. 缓存映射：Cache存储体系中的数据被映射到下一级的缓存
或主存中。

常见的映射方式有直接映射、全相联映射和组相联映射。

直接映射是指每个数据块只能映射到缓存中的某个固定位置，全相联映射是指缓存中每个位置都可以映射任意数据块，组相联映射是指将缓存分成若干组，每组中有若干个位置，每个数据块只能映射到该组中的某个位置。

4. 缓存一致性：当多个处理器共享同一个缓存时，需要保证缓存的一致性。

一致性协议（如MESI协议）用于解决多个处理
器同时对同一个数据进行读写操作时可能出现的数据不一致问题。

5. 替换策略：当缓存已满时，需要按照一定策略替换缓存中的数据。

常见的替换策略有最近最少使用（LRU）、先进先出
（FIFO）等。

以上是Cache存储体系的结构原理的一些基本概念和原则，实际实现中还有一些细节和技术，例如缓存预取、写缓冲区等。