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1、计算机组成原理考研复习,第三章 存储器层次结构,考点分析：存储器层次结构是组成原理这门课的重点，大家在复习这一章的时候要注意Cache-主存-外存的层次结构，对比Cache-主存和虚拟存储器的相关思想、原理和方法。本章是综合应用题常考点，典型的考题包括Cache的三种不同映像方式的相关计算，主存芯片的字扩展和位扩展方案设计以及虚存相关地址转换的内容。,（一）存储器的分类（二）存储器的层次化结构（三）半导体随机存取存储器 1.SRAM 存储器的工作原理 2.DRAM 存储器的工作原理 3.只读存储器（四）主存储器与 CPU 的连接（五）双口 RAM 和多模块存储器（六）高速缓冲存储器（Cache
2、）1.程序访问的局部性原理 1.Cache 的基本工作原理 2.Cache 和主存之间的映射方式 3.Cache 中主存块的替换算法 4.Cache 写策略（七）虚拟存储器,存储器的分类（识记）包括各种不同的分类方式，不同存储器的对比识记存储器的层次化结构（理解）理解Cache-主存-外存的层次结构设计的原理和目的理解,半导体存储器磁表面存储器,存储器分类,按存储介质分,随机存储器顺序存储器,按存取方式分,只读存储器ROM随机读写存储器RAM,按存储内容可变性分,易失性存储器非易失性存储器,按信息易失性分,主存储器辅助存储器高速缓冲存储器控制存储器,按在计算机系统中的作用分,高速缓冲存储器：高
3、速小容量半导体存储器,存放计算机运行期间的大量程序和数据,内存：CPU可直接访问的存储器,外存：大容量辅助存储器。用来存放系统程序和大型数据文件及数据库。,存储器的分级结构,半导体随机存取存储器SRAM存储器的工作原理 DRAM存储器的工作原理 注意DRAM刷新相关问题，以及SRAM和DRAM的对比（断电后不能保存信息；SRAM存取速度快，但容量不如DRAM大。）只读存储器 知道有PROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory 等不同种类的ROM,主存与CPU的连接（熟练掌握）这是解决主存扩展问题的基础 地址线的连接；数据线的连接；控制线的连接。,【例3】CPU的地址总线16根(
4、A15A0，A0为低位)，双向数据总线8根(D7D0)，控制总线中与主存有关的信号有MREQ(允许访存，低电平有效)，R/W(高电平为读命令，低电平为写命令)。主存地址空间分配如下：08191为系统程序区，由只读存储芯片组成；819232767为用户程序区；最后(最大地址)2K地址空间为系统程序工作区。上述地址为十进制，按字节编址。现有如下存储器芯片：EPROM：8K8位(控制端仅有CS)；SRAM：16K1位，2K8位，4K8位，8K8位。请从上述芯片中选择适当芯片设计该计算机主存储器，画出主存储器逻辑框图，注意画出选片逻辑(可选用门电路及38译码器74LS138)与CPU 的连接，说明选哪
5、些存储器芯片，选多少片。,主存容量：2168位64KB选用芯片：EPROM：8K8位芯片1片SRAM：8K8位芯片3片，2K8位芯片1片。需要用到3：8译码器的5个输出端，且对最后的2K8位芯片另需加门电路译码。,（五）双口 RAM 和多模块存储器,双端口存储器和多模块交叉存储器属于并行存储器。前者采用空间并行技术，后者采用时间并行技术。,交叉存储器连续读取n个字所需的时间为：t1=T+(n-1)顺序方式连续读取n个字所需时间为：t2=nT,Cache的基本工作原理 Cache和主存之间的映射方式 不同映射方式的对比，以及相关的计算Cache中主存块的替换算法 理解不同的替换算法的思想 Cac
6、he写策略 了解写直达和回写的原理和目的,高速缓冲存储器（Cache）（掌握）,cache的基本原理,解决CPU和主存之间速度不匹配的问题CPU与cache之间的数据交换以字为单位Cache与主存间的数据传送以数据块为单位,Cache的相关计算,命中率（Hit Rate）：,cache/主存系统的平均访问时间ta：ta=htc+(1-h)tm tc命中时的cache访问时间 tm未命中时的主存访问时间,h命中率Nccache完成存取的总次数Nm主存完成存取的总次数,设r=tm/tc表示主存慢于cache的倍率，e表示访问效率,主存与Cache的地址映射,全相联映射(fully associat
7、ive mapping)可以将一个主存块存储到任意一个Cache行直接映射(direct mapping)将一个主存块存储到唯一的一个Cache行组相联映射(set associative mapping)可以将一个主存块存储到唯一的一个Cache组中任意一个行,全相联映射,全相联映射的检索过程,直接映射,直接映射的检索过程,组相联映射,组相联映射的检索过程,Cache中主存块的替换算法全相联和组相联，需要选择替换策略（算法）,cache的写操作策略,写入策略解决主存内容的更新问题，保持正确写回法(write back)只写入Cache，在被替换时才写回主存全写法(write through)
8、写入Cache的同时也写入主存写一次法 写命中与写未命中的处理方法与写回法基本相同，只是第一次写命中时要同时写入主存,虚拟存储器的基本概念 页式虚拟存储器 段式虚拟存储器 段页式虚拟存储器 TLB（快表）,虚拟存储器（掌握）,虚拟存储器的基本概念,虚拟存储器：在主存-外存层次间借助于磁盘辅助存储器实现以透明方式提供给用户作用：扩大主存容量，提高辅存访问速度，有效管理存储系统,虚拟存储器的基本概念,虚存机制要解决的关键问题(1)调度问题：决定哪些程序和数据应被调入主存。(2)地址映射问题：在访问主存时把虚地址变为主存物理地址（内地址变换）；在访问辅存时把虚地址变成辅存的物理地址（外地址变换），以
9、便换页。(3)替换问题：决定哪些程序和数据应被调出主存。(4)更新问题：确保主存与辅存的一致性。,主存-外存层次的基本信息传送单位段：按程序逻辑划分为可变长的块，称为段页：机械地划分为大小相同的块，称为页面段页：程序按模块分段，段内分页,虚拟存储器的管理段式管理：把主存按段分配的存储管理方式页式管理：以定长页面进行存储管理的方式段页式管理：分段和分页相结合,页式虚拟存储器,页式管理的地址变换：用页表,快表与慢表,为避免页表已保存或已调入主存时对主存访问次数的增多,把页表的最活跃部分存放在高速存储器中组成快表。转换后援缓冲器TLB：专用于页表缓存的高速存储部件,段式虚拟存储器,在段式虚拟存储系统
10、中，段是按照程序的逻辑结构划分的，各个段的长度因程序而异。虚拟地址由段号和段内地址组成,为了把虚拟地址变换成实主存地址，需要一个段表。段表的表项至少包含下面三个字段：(1)有效位：指明该段是否已经调入实存。(2)段起址：指明该段在实存中的首地址。(3)段长：记录该段的实际长度。,段式管理的地址变换：用段表,段页式虚拟存储器,段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的结合。它把程序按逻辑单位分段以后，再把每段分成固定大小的页。虚拟地址格式如下：,指示哪个基址寄存器，从中取出段表的起始地址,由段号，从段表中取出页表起始地址,由页号，从页表中取出物理页号,第四章 指令系统,考点分析：指令系统
11、历来都是考试的常考点，这一章相对简单，要拿高分就要确保这章相关考点的分数。,指令系统,指令格式（熟练掌握）指令的基本格式 定长操作码指令格式 扩展操作码指令格式 定长操作码和扩展操作码优缺点的对比，采用扩展操作码方式指令数目的计算以及设计,一、指令的一般格式,1.操作码,反映机器做什么操作,(1)长度固定,(2)长度可变,用于指令字长较长的情况,，RISC,如 IBM 370,操作码 8 位,操作码分散在指令字的不同字段中,(3)扩展操作码技术,操作码的位数随地址数的减少而增加,4 位操作码,8 位操作码,12 位操作码,16 位操作码,最多15条三地址指令,最多15条二地址指令,最多15条一
12、地址指令,16条零地址指令,三地址指令操作码每减少一种可多构成24 种二地址指令,二地址指令操作码每减少一种可多构成24 种一地址指令,练习,已知指令字长为16位，每个地址码为4位，采用扩展操作码的方式，设计15条三地址指令，15条二地址指令，15条一地址指令，16条零地址指令，画出扩展图,例：设机器指令字长为16位，指令中地址字段的长度为4位，共有11条三地址指令，72条二地址指令，64条零地址指令。问最多还能规定多少条单地址指令？解：三地址指令的地址字段共需12位，所以可有4位操作码，可规定16条三地址指令。现有11条三地址指令，所以还有16115个编码用于二地址指令。二地址指令的地址字段
13、共需8位，可有8位操作码，去掉三地址指令用掉的操作码，可规定51680条二地址指令。现有72条二地址指令，所以还有80728个编码用于单地址指令。单地址指令的地址字段共需4位，可有12位操作码，去掉二、三地址指令用掉的操作码，可规定816128条单地址指令。由于要求有64条零地址指令，而4位操作码只能提供16条指令，所以需要由单地址指令提供64/164个操作码编码，因此还能规定1284124条单地址指令。,练习,指令系统指令字长为16位，具体双操作数、单操数和无操作数三种指令格式，每个操作数地址规定用6位表示，现要求设计14条双操作数指令、100条单操作数指令和100条无操作数指令，画出扩展图
14、。,双操作数,单操作数,无操作数,000000,000001,100011,1111,1111,1111,100100,100100,100101,指令系统,指令的寻址方式（掌握）有效地址的概念 数据寻址和指令寻址 常见寻址方式 要注意不同寻址方式的对比，掌握每种方式的寻址过程,指令的寻址方式,1.顺序寻址方式 PC1PC设置程序计数器（或称指令计数器）PC，每执行一条指令，计数器加1；把计数器内容作为指令的存储地址。2.跳跃寻址方式 当程序转移时，修改PC的内容下条指令的地址，不是计数器给出的，而是当前指令指定的。程序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行，指令计数器的内容相应改变。,有效地址：操作数的实际地址。,偏移寻址,直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合；,OP,有两个地址字段：形式地址A，某个专用寄存器。,EA=A+(R),三种偏移寻址是相对寻址、基址寻址、变址寻址。,指令系统,CISC和RISC的基本概念（了解）知道两者的区别,CISC与RISC的对比,
