计算机组成原理第十二课.ppt
计计算算机机组组成成原原理理唐朔飞唐朔飞第版第版高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高高等等教教育育电电子子音音像像出出版版社社【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量的容量为为8KB。每字块有。每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路组位，设计一个四路组相联映射的相联映射的Cache组织。组织。（1）画出主存地址字段中各段的位数）画出主存地址字段中各段的位数（2）设）设Cache初态为空，初态为空，CPU依次从主存第依次从主存第0,1,2,99号单元读出号单元读出100个字（主存一次读出一个字）个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读，并重复此次序读10次，问命中率是多少？次，问命中率是多少？（3）若）若Cache的速度是主存速度的的速度是主存速度的5倍，试问有倍，试问有Cache和无和无Cache相比，速度提高多少倍？相比，速度提高多少倍？（4）系统的效率为多少？）系统的效率为多少？【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为的容量为8KB。每字块有每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的位，设计一个四路组相联映射的Cache组织。组织。（1）画出主存地址字段中各段的位数）画出主存地址字段中各段的位数解：解：（1 1）组相联映射方式下，主存地址格式如图所示）组相联映射方式下，主存地址格式如图所示每个字块每个字块8 8个字，每个字个字，每个字3232位，则字块容量为位，则字块容量为832=32B832=32B，字，字块内地址块内地址b b为为2 2b b=32=32，得，得b b=5=5CacheCache容量为容量为8KB8KB，则一共含有，则一共含有8KB/32B=2568KB/32B=256块块四路组映射，则一共分成四路组映射，则一共分成256/4=64256/4=64组，因而组地址组，因而组地址q q满足满足2 2q q=64=64，得，得q q=6=6又由于主存容量为又由于主存容量为16MB=216MB=22424B B，因而主存地址线为，因而主存地址线为2424，24-24-b b-q q=13=13，得主存字块标记为，得主存字块标记为1313主存字块标记主存字块标记组地址组地址字块内地址字块内地址1365【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为的容量为8KB。每字块有每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的位，设计一个四路组相联映射的Cache组织。组织。（2 2）设）设CacheCache初态为空，初态为空，CPUCPU依次从主存第依次从主存第0,1,2,990,1,2,99号号单元读出单元读出100100个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读1010次，问命中率是多少？次，问命中率是多少？解：解：（2 2）每个字块有）每个字块有8 8个字，初态个字，初态Cache Cache 为空，因此为空，因此CPUCPU读第读第0 0号号单元时，未命中，必须访问内存，同时将该字所在的主存块单元时，未命中，必须访问内存，同时将该字所在的主存块调入调入CacheCache的第的第0 0组中的任何一块内，接着组中的任何一块内，接着CPUCPU读读1-71-7号单元时号单元时均命中。同理，均命中。同理，CPUCPU读第读第8 8，1616，9696号单元时均未命号单元时均未命中。可见中。可见CPUCPU在连续在连续100100个字中共有个字中共有1313次未命中，而后次未命中，而后9 9次循环次循环读读100100个字全部命中，命中率为个字全部命中，命中率为10010-1310010-131001010010=0.987=0.987【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为的容量为8KB。每字块有每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的位，设计一个四路组相联映射的Cache组织。组织。（3 3）若）若CacheCache的速度是主存速度的的速度是主存速度的5 5倍，试问有倍，试问有CacheCache和无和无CacheCache相比，速度提高多少倍？相比，速度提高多少倍？解：解：（3 3）设）设CacheCache的存取周期为的存取周期为t t，主存的存取周期为，主存的存取周期为5 5t t，命中，命中率为率为0.9870.987，则加入，则加入CacheCache后的系统平均访问时间后的系统平均访问时间t ta a为为t ta a=0.987=0.987t t+（1-0.9871-0.987）55t t=1.052=1.052t t则有则有CacheCache和没有和没有CacheCache相比，速度提高的倍率为相比，速度提高的倍率为3.753.75倍倍加入加入CacheCache后，速度是原来的后，速度是原来的5 5t t/1.052/1.052t t=4.75=4.75倍倍【例例4.11】设某主机内存容量为设某主机内存容量为16MB，Cache的容量为的容量为8KB。每字块有每字块有8个字，每字个字，每字32位，设计一个四路组相联映射的位，设计一个四路组相联映射的Cache组织。组织。（4 4）系统的效率为多少？）系统的效率为多少？解：解：则系统的效率则系统的效率e e为为（4 4）CacheCache的存取周期的存取周期t tc c=t t，系统平均访问时间，系统平均访问时间t ta a=1.052=1.052t te e=t tc c/t ta a100%=100%=t t/1.052/1.052t t100%=95%100%=95%三、替换算法三、替换算法1.先进先出先进先出（FIFO）算法算法 2.近期最少使用（近期最少使用（LRU）算法：算法：一般采用一般采用简化方法，只记录每个块最近一次使用的时间简化方法，只记录每个块最近一次使用的时间小结小结某一某一 主存块主存块 只能固定只能固定 映射到映射到 某一某一 缓存块缓存块直接直接全相联全相联组相联组相联某一某一 主存块主存块 能能 映射到映射到 任一任一 缓存块缓存块某一某一 主存块主存块 只能只能 映射到映射到 某一某一 缓存缓存 组组 中的中的 任一块任一块不灵活不灵活成本高成本高4.34.4 辅助存储器辅助存储器一、概述一、概述1.特点特点不直接与不直接与 CPU 交换信息交换信息2.磁表面存储器的技术指标磁表面存储器的技术指标道密度道密度 Dt位密度位密度 DbC=n k s寻道时间寻道时间+等待时间等待时间(1)记录密度记录密度(2)存储容量存储容量(3)平均寻址时间平均寻址时间(4)数据传输率数据传输率(5)误码率误码率辅存的速度辅存的速度寻址时间寻址时间磁头读写时间磁头读写时间Dr =Db V出错信息位数与读出信息的总位数之比出错信息位数与读出信息的总位数之比二、磁记录原理和记录方式二、磁记录原理和记录方式1.磁记录原理磁记录原理写写4.4局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体写线圈写线圈SNI局部磁化单元局部磁化单元写线圈写线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层写入写入“0”写入写入“1”IN读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出“0”读出读出“1”4.4读读1.磁记录原理磁记录原理2.磁表面存储器的记录方式磁表面存储器的记录方式011100010数据序列数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期位周期4.4例例 NRZ1 的读出代码波形的读出代码波形0110010数据序列数据序列驱动电流驱动电流磁通变化磁通变化感应电势感应电势同步脉冲同步脉冲读出代码读出代码4.4三、硬磁盘存储器三、硬磁盘存储器1.硬磁盘存储器的类型硬磁盘存储器的类型(1)固定磁头和移动磁头固定磁头和移动磁头(2)可换盘和固定盘可换盘和固定盘2.硬磁盘存储器结构硬磁盘存储器结构磁磁 盘盘 控控 制制 器器磁磁 盘盘 驱驱 动动 器器盘盘 片片主主 机机4.4磁盘磁盘磁磁盘盘组组主轴主轴磁头磁头音圈音圈电机电机位置检测位置检测定位驱动定位驱动模拟控制模拟控制放放大大闭环自动控制系统闭环自动控制系统由磁盘控制由磁盘控制器送来的目器送来的目标磁道信号标磁道信号测测速速输输出出读写臂读写臂传动机构传动机构主轴主轴定位驱动定位驱动数据控制数据控制(1)磁盘驱动器磁盘驱动器4.4(2)磁盘控制器磁盘控制器 接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令接收主机发来的命令，转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控制磁盘驱动器读写通过总线通过总线(3)盘片盘片对主机对主机对硬盘（设备）对硬盘（设备）磁盘控制器磁盘控制器 是是主机与磁盘驱动器之间的主机与磁盘驱动器之间的 接口接口由硬质铝合金材料制成由硬质铝合金材料制成4.4P135 例例4.12 例例4.14四、软磁盘存储器四、软磁盘存储器1.概述概述速度速度磁头磁头盘片盘片价格价格环境环境硬盘硬盘软盘软盘高高低低固定、活动固定、活动活动活动固定盘、盘组固定盘、盘组大部分不可换大部分不可换可换盘片可换盘片苛刻苛刻浮动浮动接触盘片接触盘片高高低低4.42.软盘片软盘片由聚酯薄膜制成由聚酯薄膜制成保护套保护套主轴孔主轴孔实际的软盘片实际的软盘片写保护口写保护口读读/写磁头访问槽写磁头访问槽衬里衬里/清洁材料清洁材料4.44.4.6 循环冗余校验码（循环冗余校验码（CRC）基于模基于模2 2运算而建立运算而建立编码规编码规律的校律的校验码验码【模模2 2四四则则运算运算】模模2 2加法加法(按位加，不考按位加，不考虑进虑进位位)：0+0=00+0=0，0+1=10+1=1，1+0=11+0=1，1+1=0(mod 2)1+1=0(mod 2)；模模2 2减法（按位减，不考减法（按位减，不考虑虑借位）：借位）：0-0=00-0=0，1-0=11-0=1，0-1=10-1=1，1-1=0(mod 2)1-1=0(mod 2)；模模2 2乘法：按二乘法：按二进进制乘法求出部分制乘法求出部分积积，再用模，再用模2 2加法加法求部分求部分积积之和，不考之和，不考虑进虑进位。位。模模2 2除法：按模除法：按模2 2减法求部分余数，不借位。减法求部分余数，不借位。上商上商规则规则：余数最高位：余数最高位为为1 1，商，商为为1 1，余数最高位，余数最高位为为0 0，商，商为为0 0；余数位数少于除数位数即余数位数少于除数位数即为为最后余数。最后余数。模模2 2加法和模加法和模2 2减法的减法的结结果是相同的，果是相同的，即：模即：模2 2减法可用模减法可用模2 2加法代替加法代替两个相同数的模两个相同数的模2和恒和恒为为0【例例】(1)(1)已知已知 x=1010 x=1010，y=101y=101，求，求xy(mod 2)xy(mod 2)(2)x=10000(2)x=10000，y=101y=101，求，求xyxy（mod 2mod 2）【解解】10101010101101101010100000000010101010100010100010100001000010110110110110110101001000000010010010110101011.CRC码码的的编码编码方式方式设设待待编编的信息的信息码组为码组为Dn-1Dn-2D2D1D0，共，共n位，可用多位，可用多项项式式M(x)表示：表示：M(x)=Dn-1xn-1+Dn-2xn-2+D1x1+D0 x0将信息码组左移将信息码组左移k位，得位，得M(x)xM(x)xk k，即成，即成n+kn+k位信息组位信息组Dn-1+kDn-2+kD2+kD1+kD0+k00000k位位空出的空出的k位用来接位用来接k位校验位位校验位CRC校验码就是用多项式校验码就是用多项式M(x)xM(x)xk k除以生成多项式除以生成多项式G(x)（即（即产生校验码的多项式），所得余数作为校验位产生校验码的多项式），所得余数作为校验位为了得到为了得到k位余数（校验位），位余数（校验位），G(x)必须是必须是k+1位位设所得余数为设所得余数为R(x)，商为，商为Q(x)，则有，则有M(x)xk=Q(x)G(x)+R(x)将余数拼接在左移了位后的信息位后面，就构成了这个有将余数拼接在左移了位后的信息位后面，就构成了这个有效信息的效信息的CRC码。这个码。这个CRC码用多项式表示为码用多项式表示为M(x)xk+R(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x)=Q(x)G(x)（模（模2和）和）CRC码是一个可被生成多项式码是一个可被生成多项式G(x)除尽的数码除尽的数码若若CRC码在传输过程中不出错，其余数必为码在传输过程中不出错，其余数必为0；若出错，则；若出错，则余数不为余数不为0，由该余数指出哪一位出错，即可纠正，由该余数指出哪一位出错，即可纠正【例例4.15】已知有效信息为已知有效信息为1100，试用生成多项式，试用生成多项式G(x)=1011将其编成将其编成CRC码码解：解：有效信息有效信息M(x)=1100，得，得n=4G(x)=1011，得，得k+1=4，从而，从而k=3，即需加，即需加3位校验位位校验位有效信息左移有效信息左移3位后再被位后再被G(x)模模2除，即除，即有效信息有效信息M(x)x3=1100000M(x)x3/G(x)=1100000/1011=1110+010/1011 （模（模2除）除）所以所以M(x)x3+R(x)=1100000+010=1100010为为CRC校验码校验码R(x)总的信息位为总的信息位为7位，有效信息位为位，有效信息位为4位，故上述位，故上述1100010码又码又称为（称为（7，4）码）码2.循循环码环码的的纠错纠错原理原理【以以G(x)=1011为为例例】若接收到的循若接收到的循环环校校验码验码V(x)能被能被G(x)整除，整除，则则无无错错，余数非，余数非0则则出出错错,余数余数为为101时时是左起第一位出是左起第一位出错错；余数非；余数非0又非又非101时时，继续继续做模做模2除，若除除，若除p次次后得余数后得余数101，则则左起左起p+1位出位出错错，将出，将出错错位位变变反反得到正确数据得到正确数据码码。解：解：解：解：【例例】设设G(x)=1011，判断判断校校验码验码V(x)=1101010时时是否出是否出错错，若出若出错则纠错则纠正正 又除了又除了又除了又除了3 3次，即左起第次，即左起第次，即左起第次，即左起第4 4位出位出位出位出错错错错，正确，正确，正确，正确码码码码：V(x)=1100010 V(x)=1100010 五、光盘存储器五、光盘存储器1.概述概述采用光存储技术采用光存储技术采用非磁性介质采用非磁性介质采用磁性介质采用磁性介质第一代光存储技术第一代光存储技术第二代光存储技术第二代光存储技术不可擦写不可擦写可擦写可擦写2.光盘的存储原理光盘的存储原理只读型和只写一次型只读型和只写一次型可擦写光盘可擦写光盘热作用热作用（物理或化学变化）（物理或化学变化）热磁效应热磁效应4.4利用激光写入和读出利用激光写入和读出
