简述高速缓冲存储器的工作原理

cache中央处理器cache外存主存中央处理器cachecache中央处理器cachecache中央处理器cachecache中央处理器cachecache中央处理器cache主存cache中央处理器cache外存主存cache中央处理器cachecache中央处理器cache主存中央处理器cachecache中央处理器cachecache中央处理器cachecache中央处理器cachecache中央处理器cache主存cache中央处理器cache外存主存cache中央处理器cachecache外存主存cachecachecachecache主存cache外存主存cachecache主存cachecachecachecache主存cache外存主存cache中央处理器cache二级缓存二级缓存是为了协调一级缓存与内存之间的速度
在实际应用中，虚拟文件系统存储方案以非对称式拓扑结构 为表现形式。
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虚拟存储的特点：
虚拟存储提供了一个大容量存储系统集中管理的手段，由网络中 的一个环节（如服务器）进行统一管理，避免了由于存储设备扩 充所带来的管理方面的麻烦。
虚拟存储对于视频网络系统最有价值的特点是：可以大大提高 存储系统整体访问带宽。
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三级缓存的性能影响
❖ 在游戏方面，提升三级缓存的容量对游戏的性能影响很大， 如果是网吧机提升三级缓存的容量，会有显著的性能提升的。
❖ 对PC机来说，三级缓存其实只是做了个辅助的作用，除了服务器 ，其实对大多数家庭机没什么用的， 对于家庭机内存是最重要的 。
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高速存储器的工作原理图：
地址总线
LRU管理逻辑
CAM
相联存储图表
主
CPU

一
存 储 器 是 计 算 机 不可 缺 少 的 部 件 。 有 了存 储 器 计 算 机 才 有 “ 忆 ”功 能 ，才能 存 储 计 算和 处 理 的 数据 ，从 而 保证 计 算 记 机在 没有人 的直接 干预 下 自动进 行工 作。现 代的 计算机 系统 ， 控 制 器 需 要 从 内 存 中取 指 令 ， 运 算 器 进 行 计 算 需 要 从 内 存 中 取 数 据 ，计 算 完 成 后 要 把 计 算 结 果 再 送 回 内 存 中 ， 因 此 ，现 代 的计算 机都是 以存 储器 为中心 的 。 现 在 随 着 计 算 机 可 以 配 置 的 外 部 设 备越 来 越 多 ，数 据 传 送 速 度 比 以 前 有 了 很 大 的 提 高 ， 而 且 多数 据 采 用 存 储 器 直 接 存 取 （ Ａ） 式 和输 入 、输 出通 道 技 术 ， 这样 很 多 外 设 与仔 储器 直 ＤＭ 方 接 而不通过 Ｃ ＰＵ 交 换 数 据 。 内 存 储 器 一 般 包 括 主存 和 高 速 缓 冲 存 储 器 Ｃ ｃ ｅ 作 为 计 ａｈ ， 算机的存 储系统 ，还应 该包括外存储器 ， 现在的计算机 系统都 把 外 存 储 器 作 为 计 算 机 的 基 本 配 置 。 外 存 储 器 不 能 由 Ｃ Ｕ 直 接 访 Ｐ 问 ，一 般 用 来 存 放 当 前 机 器 暂 不运 行 的 程 序 和 数 据 。 一 旦 计 算 机 需 要 访 问 存 放 在 外 存 储 器 中 的 程 序 和 数 据 ，它 可 利 用 ＤＭ Ａ 方 式 把 程 序 或 数据 直 接 传 送 到 内 存 储 嚣 中 ，再 由 ＣＰ 去 访 Ｉ 。 Ｕ ｈ Ｊ 这 样 ，它 们就 构 成 计 算 机 系 统 的 三 级 存 储体 系结 构 。 这 三 级 结 构按 其 访 问 的 作 用 和 特 点 可 分 为两 个 层 次 ：主 存 高 速 缓 冲 层 次 和 主 存 辅 存 层 次 。 前 者 是 为 了提 高 计 算 机 内 存 的 速 度 ， 后 者 是 为 了提 高 外 存 的 速 度 。 如 图 １所 示 ， 本 文 主 要 讨 论 的 是 前 个 层次 中的缓 冲存 储器 。

高速缓存的理论依据


程序访问的局部性 时间局部性：如果一个存储单元被访问，则可能该 单元会很快被再次访问，这称为程序访问的时间局 部性。 空间局部性：在一个较短的时间间隔内，CPU对局 部范围的存储器地址频繁访问，而对此地址范围之 外的地址访问很少； 设立高速缓存的理论依据是程序访问的局部性

逐行相加
逐列相加
代码1多次运行的平均时间为0.25ms 代码2多次运行的平均时间为0.35ms
例
对于双精度数的矩阵，处理器为拥有1MB二级Cache的 MIPS R4000，在机器SG Challeage L上，CPU运行时间 为77.2s。如果循环次序改为k,j,i，执行时间为44.2s。利 用一种称为分块的技术进一步优化编译，大大提高调整缓 存的命中率，可以使运行时间少于10s! for(i=0;i!=500;i++) 面对CPU与存储器越来 for(j=0;j!=500;j++) 越大的速度差异，一种 for(k=0;k!=500;k++) 可能的途径是寻求软件 x[i][j]=x[i][j]+y[i][k]*z[k][j]; 帮助。使用大量的程序
00组
01组
1111
(1) 直接映射
块号
0001
组标记
00 00 01 10 11
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111源自00组01组1111
分析：CPU访问主存第1块的过程
(1) 直接映射
块号
0001
组标记
00 01 01 10 11
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111

第6章计算机的存储系统现代计算机采用程序控制方式工作，因此，用来存放程序的存储系统是计算机的重要组成部分。

存储器包括内存储器和外存储器。

内存储器包括主存储器和高速缓冲存储器，外存储器即辅助存储器。

主存储器简称主存，它位于主机内部。

本章介绍计算机的存储系统，包括主存储器的基本组成、层次结构和工作原理，高速缓冲存储器的工作原理，以及各类外存储器。

6.1 存储器与存储系统概述6.1.1 存储器的作用现代计算机都是以存储器为中心的计算机，存储器处于全机的中心地位。

存储器的作用可归纳为：⑴存放程序和数据。

计算机执行的程序、程序运行所需要的数据都是存放在存储器中的。

⑵现代计算机可以配置的输入输出设备越来越多，数据传送速度不断加快，并且多数采用直接存储器存取（DMA）方式和输入输出通道技术，与存储器直接交换数据而不通过CPU。

⑶共享存储器的多处理器计算机的出现，使得可利用存储器来存放共享数据，并实现各处理器之间的通信，更加强了存储器作为整个计算机系统中心的作用。

6.1.2 存储器分类⒈按存取方式分类⑴随机存取存储器RAM(Random Access Memory）特点：存储器中任何一个存储单元都能由CPU或Ｉ/O设备随机存取，且存取时间与存取单元的物理位置无关。

用途：常用作主存或高速缓存。

⑵只读存储器ROM(Read-Only Memory）特点：存储器的内容只能读出而不能写入。

用途：常用来存放固定不变的系统程序。

作为固定存储，故又叫“固存”。

随着用户要求的提高，只读存储器产品从ROM→可编程只读存储器PROM→光可擦除可编程只读存储器EPROM→电可擦除可编程的只读存储器EEPROM，为用户方便地存入和改写内容提供了物质条件。

⑶顺序存取存储器SRAM特点：存储器中存储的信息（字或者记录块），完全按顺序进行存放或读出，在信息载体上没有惟一对应的地址号，访问指定信息所花费的时间和信息所在存储单元的物理位置密切相关。