Chapter 8 Cache(1)
Chapter 8 Cache(1)
Contents of this lecture
| English | Chinese |
|---|---|
| Internal Memory and External Memory | 内部存储器与外部存储器 |
| Memory Locations and Addresses | 存储位置与地址 |
| Byte Ordering | 字节排序 |
| Main Memory Operations | 主存储器操作 |
| Characteristics of Memory Systems | 存储系统的特性 |
内部存储器与外部存储器
- 典型的计算机系统 配备有一个层次化的存储子系统。
内部存储器（主存储）
- 存储器位于系统内部，处理器可以直接访问。
- 示例：
- 主存储器（RAM）
- 缓存（Cache）
- 处理器寄存器（Processor Registers）
外部存储器（次级存储）
- 存储器位于系统外部，处理器通过I/O模块访问。
内存位置与地址
主存组织
- 内存由许多存储单元组成，每个单元可以存储一个值为0或1的比特信息。
- 可以将主存视为一个比特矩阵来组织。
- 内存的组织方式是，每次存取操作都可以以一个基本内存操作的方式，存储或读取一组固定大小的比特。
- 字（Word）：每组固定大小的比特称为一个字。
- 字长（Word Length）：每个字的比特数称为字长，通常在16到64比特之间。
地址与地址空间
- 地址 是标识内存字的数字。
- 通常使用从\(0\)到\(2^k - 1\)的数字，表示内存中连续位置的地址。
- 这些\(2^k\)个地址构成了计算机的地址空间，内存可以有最多2^k个可寻址位置。
- 例如：
- \(24\)位地址生成的地址空间为\(2^{24}\)，或\(16M\)位置。
- \(32\)位地址生成的地址空间为\(2^{32}\)，或\(4G\)位置。
字节寻址内存
- 将每个比特位置分配独立地址 是不现实的。
- 更实际的分配方法是，使连续的地址指向内存中的连续字节位置。
字节顺序
大端存储（Big-endian）
- 在大端存储中，较低的字节地址用于存储字中较高的字节（即左边的字节）。
- 例如：对于32位字长的字节寻址内存，在图2.3（a）中展示了大端存储的方式。
小端存储（Little-endian）
- 在小端存储中，较低的字节地址用于存储字中较低的字节（即右边的字节）。
- 例如：对于32位字长的字节寻址内存，在图2.3（b）中展示了小端存储的方式。
主内存操作
连接内存与处理器
主内存通过接口与处理器连接，以便数据传输和指令执行。
处理器-内存接口
- 处理器通过特定的寄存器（如 MAR 和 MDR）与内存进行交互，进行读写操作。
读操作（加载）
- 操作描述：将特定内存位置的内容复制到处理器。
- 处理器：将所需内存位置的地址加载到 MAR（内存地址寄存器）中，并将 R/W（读/写）线设置为1。
- 内存：将指定位置的数据放置在数据线上，并通过断言 MFC（内存就绪信号）信号确认此操作。
- 处理器：接收到 MFC 信号后，将数据线上的数据加载到 MDR（内存数据寄存器）中。
写操作（存储）
- 操作描述：将处理器中的一项信息传输到特定位置，覆盖该位置原有的内容。
- 处理器：将特定位置的地址加载到 MAR 中，并将数据加载到 MDR 中。同时将 R/W 线设置为0。
- 内存：当数据写入完成后，内存通过 MFC 信号响应处理器。
内存系统的特点
物理类型（Physical Types）
- 内存可以分为不同类型，如主内存、缓存、硬盘、光盘等。
- 每种类型的内存有不同的存储介质和功能，主要包括快速的半导体内存和较慢的磁性或光学存储。
容量（Capacity）
- 容量指内存系统能够存储的数据量，通常以字节为单位。
- 容量越大，能够存储的信息越多，但也需要更多的物理空间和成本。
传输单位（Unit of Transfer）
- 传输单位指的是内存系统在一次操作中能够传输的数据量。
- 常见的传输单位包括字（word）、字节（byte）、块（block）等。
访问方式（Access Methods）
- 访问方式决定了如何从内存中读取数据或写入数据。
- 常见的访问方式包括顺序访问、随机访问、直接存取等。
性能（Performance）
- 性能是衡量内存系统效率的关键指标，包括读写速度、响应时间和带宽。
- 高性能内存可以更快地响应处理器的请求，从而提高整体系统的效率。
物理特性（Physical Characteristics）
- 物理特性包括内存的尺寸、功耗、响应时间等。
- 这些特性直接影响内存的应用场景和成本，决定了内存是否适合高性能计算或嵌入式应用。
物理类型（Physical Types）
半导体（Semiconductor）
- 示例：
- 主内存（Main Memory）：例如DRAM、SRAM等，是计算机系统中的主要存储设备，用于存储正在运行的程序和数据。
磁性表面（Magnetic Surface）
- 示例：
- 磁盘（Magnetic Disk）：如硬盘（HDD），用于大容量数据存储，数据通过磁头在磁性表面上进行读写。
- 磁带（Magnetic Tape）：主要用于大容量数据存储，通常用于备份和归档。
光学（Optical）
- 示例：
- 光盘（CD, CD-R, CD-RW）：用于存储音频、视频和数据等，CD-R是可记录的光盘，CD-RW是可重复擦写的光盘。
- DVD、Blu-Ray：具有更高存储容量的光盘，常用于存储高清电影和大容量数据。
容量（Capacity）
主内存的容量通常通过以下方式表示：
- 字长（Word Size）
- 指内存组织的自然单位中所包含的位数。
- 常见的字长有8位、16位、32位和64位等。
- 字数（Number of Words）
- 指特定内存设备中可用的字的数量。
- 例如：如果内存容量为4K×8，则其字长为8位，字数为4K。
- 字长（Word Size）
传输单元（Unit of Transfer）
定义：指每次从内存中读取或写入的比特数。
内部内存（Internal Memory）
- 通常等于内存模块的数据线数量。
- 它通常等于字长，但不一定是。
外部内存（External Memory）
- 数据通常以比字长更大的单位传输，这些单位称为“块”（blocks）。
存取方式（Access Methods）
顺序存取（Sequential Access）
- 内存按数据单位（称为记录）组织。
- 如果当前记录是第1个，那么要读取第N个记录，必须先读取从第1个到第N-1个记录。
- 访问任意记录的时间变化很大。
- 示例：磁带
随机存取（Random Access）
- 可以随机选择任何内存位置，并直接访问。
- 访问给定位置的时间与位置地址无关且是恒定的。
- 示例：半导体RAM内存
直接存取（Direct Access）
- 每个数据块或记录根据物理位置有唯一的地址。
- 通过直接存取到达大致位置，然后进行顺序搜索、计数或等待，直到达到最终位置。
- 存取时间可变。
- 示例：磁盘
性能（Performance）
- 内存访问时间（Memory Access Time）
- 从提供地址到获取有效数据（内存或其他存储设备）所需的时间。
- 随机存取内存（RAM）：执行读取或写入操作所需的时间。
- 非随机存取内存：将读写机制定位到所需位置所需的时间。
- 内存周期时间（Memory Cycle Time）
- 仅用于随机存取内存。
- 从一次内存访问到下一次内存访问的时间。
- 包括访问时间和在第二次访问开始之前所需的额外时间。
- 内存周期时间 = 内存访问时间 + 恢复时间
- 访问时间和内存周期时间都是衡量内存速度的指标。
- 传输速率（Transfer Rate）
- 定义为数据进出内存单元的传输速率。
物理特性（Physical Characteristics）
- 易失性/非易失性（Volatile/Nonvolatile）
- 易失性（Volatile）
- 信息在电源关闭时自然衰退或丢失。
- 非易失性（Nonvolatile）
- 一旦记录，信息将保持不变，直到被故意更改。无需电力即可保持信息。
- 示例
- 磁表面存储器是非易失性的。
- 半导体存储器可以是易失性的或非易失性的。
- 易失性（Volatile）
- 可擦除/不可擦除（Erasable/Non-erasable）
- 可擦除（Erasable）
- 存储器的内容可以被修改或更改。
- 不可擦除（Non-erasable）
- 存储器的内容不能修改，除非摧毁存储单元。
- 可擦除（Erasable）
小测验（Quiz）
**内存组织方式是将一组 n 位存储或检索为单个基本操作。n 被称为____。**
- A. 字（Word）
- B. 字长（Word Length）
- C. 地址（Address）
- D. 单元（Cell）
答案：B. 字长（Word Length）
32位值 0x30A79847 被存储到地址 0x1000。如果系统是小端（Little Endian），则字节 ____ 存储在地址 0x1002 中。
- A. 0x30
- B. 0xA7
- C. 0x98
- D. 0x47
答案：B. 0xA7
解释：
- 在小端模式下，最低有效字节（右边的字节）存储在最低的地址位置，因此 0x47 会存储在地址 0x1000，0x98 存储在 0x1001，0xA7 存储在 0x1002，0x30 存储在 0x1003。
在主内存中，字长为 16 位，字的数量为 8K，这个主内存的容量是多少？
- A. 16K×16
- B. 16K×8
- C. 8K×16
- D. 8K×8
答案：C. 8K×16
解释：字长为 16 位，字的数量为 8K（即 8192 个字）。因此，内存的容量为 8K × 16 位。
对于随机访问内存，执行读或写操作所需的时间称为 ____。
- A. 内存周期时间（memory cycle time）
- B. 内存命中时间（memory hit time）
- C. 内存恢复时间（memory recovery time）
- D. 内存访问时间（memory access time）
答案：D. 内存访问时间（memory access time）
解释：内存访问时间指的是从内存接收或写入数据所需要的时间。
在内存中，任何位置在指定地址后都可以在短且固定的时间内访问，这种内存叫做 ____。
- A. 直接访问内存（direct access memory）
- B. 顺序访问内存（sequential access memory）
- C. 关联访问内存（associative access memory）
- D. 随机访问内存（random access memory）
答案：D. 随机访问内存（random access memory）
解释：随机访问内存（RAM）允许在固定时间内访问任何内存位置，无论其物理位置如何。
如果关闭计算机电源，存储在 ____ 设备上的内容将会丢失。
- A. RAM
- B. 硬盘（disk）
- C. DVD
- D. CD-ROM
答案：A. RAM
解释：RAM（随机访问内存）是易失性内存，当计算机关机或电源关闭时，存储的数据将会丢失。而硬盘、DVD 和 CD-ROM 是非易失性存储设备，不会因断电而丢失数据。
正确还是错误？对于内部内存，数据通常以比字长更大的单位进行传输，这些单位被称为块（blocks）。
- 答案：错误
解释：这个描述适用于外部内存（如硬盘），而不是内部内存。内部内存通常以字为单位进行数据传输，而外部内存可能以更大的单位，如块（blocks），进行数据传输。
正确还是错误？内存访问时间长于内存周期时间。
- 答案：错误
解释：内存访问时间是从提供地址到获取有效数据的时间，而内存周期时间是从一次内存访问到下一次内存访问的时间。内存周期时间包括访问时间和恢复时间，因此内存访问时间不应长于内存周期时间。
什么是内存访问时间？什么是内存周期时间？解释它们之间的关系。
- 答案：
- 内存访问时间是从提供地址到获取有效数据的时间。
- 内存周期时间是从一次内存访问到下一次内存访问的时间。
- 它们的关系是：
内存周期时间 = 内存访问时间 + 恢复时间
解释：内存周期时间包括内存访问时间和恢复时间，恢复时间是内存准备好下一次访问所需要的额外时间。
- 答案：
