2015. 7.23 Ibaraki Univ. Dept of Electrical & Electronic Eng. Keiichi MIYAJIMA 今後の予定 ７月23日 メモリアーキテクチャ２ ７月27日 まとめと、期末テストについて ８月３日 期末試験 メモリアーキテクチャ -仮想メモリ・キャッシュ- メモリの階層構造 高速 CPU （レジスタ） キャッシュメモリ メインメモリ ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） 大容量 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） 主記憶装置では比較的安価で大容量なDRAMが 使われているが、さらに大容量のメモリを安価に実 現したい 参照の局所性(referential locality) ＋ ハードディスクの安価さ 仮想記憶 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 仮想記憶の方式： •ページング方式 •セグメント方式 ネットワーク （インターネット） 大容量 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） ページング方式： 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） CPU 仮想メモリ 単 A(ページ） 一 の 仮 想 ア ド レ ス 空 間 アドレス変換表 A メインメモリ 物 A B(ページ） B D C(ページ） C C D(ページ） D ハードディスク E(ページ） E F(ページ） F ページという固定されたブロックに分割 E B F 理 ア ド レ ス 空 間 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） セグメント方式： 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） CPU 仮想メモリ アドレス変換表 1 ド プ セグメント1 2 レロ スグ 3 空 ラ セグメント2 間ム 4 ご セグメント3 と の 仮 セグメント4 想 ア セグメントという可変長ブロックに分割 メインメモリ 1 3 ハードディスク 4 2 物 理 ア ド レ ス 空 間 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 仮想記憶の方式： ネットワーク （インターネット） •ページング方式 •マッピングの単位が固定長なので、メモリの管理が簡単 •セグメント方式 •メモリの管理が複雑 •プログラムのサイズに適したマッピングが行われるため 効率がよい •複数のプログラムを完全に独立して動作させることが 可能 仮想記憶の注意点 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） スワップ (swap)： 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） CPU ドプ レロ スグ 空ラ 間ム ご と の 仮 想 ア 仮想メモリ アドレス変換表 1 セグメント1 2 セグメント2 3 セグメント3 4 セグメント4 メインメモリ 1 3 ハードディスク 4 2 物 理 ア ド レ ス 空 間 仮想記憶の注意点 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） スワップ (swap)： 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） CPU ドプ レロ スグ 空ラ 間ム ご と の 仮 想 ア 仮想メモリ アドレス変換表 1 セグメント1 2 セグメント2 3 セグメント3 4 セグメント4 メインメモリ 1 2 ハードディスク 4 3 ス ワ ッ プ 仮想記憶の注意点 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 スワップ (swap)： ネットワーク （インターネット） ハードディスクの速度はメインメモリと比較 して非常に遅いので、スワップが多発すると 処理速度が急激に低下する キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） ノイマン型のコンピュータでは、 最近参照された命令やデータ、 またその近くにある命令やデータ またすぐに、参照される確率が高い 参照の局所性(referential locality) 大容量 キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） この局所性の性質に着目 CPU 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） メインメモリ DRAM 低速・大容量 キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） この局所性の性質に着目 CPU キャッシュメモリ SRAM 高速・小容量 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） メインメモリ DRAM 低速・大容量 キャッシュメモリの性能はキャッシュアルゴリズムの善し悪しに よって変化する キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ ハードディスク （仮想記憶） キャッシュアルゴリズム 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） 読み出しの時、一番よく使われているものは LRU (least recently used)方式 キャッシュメモリを複数のブロックに分けて管理し、空き ブロックがなくなったら、もっとも長い間参照されなかっ たブロックを追い出して新しいデータと置き換える。 大容量 キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） キャッシュアルゴリズム 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） 書き込みの時 ライトスルー (write through)方式 •キャッシュメモリと同時にメインメモリにも書き込みを行う •書き込みに関しては、メインメモリのアクセス時間とおなじ なので、高速化されない ライトバック (write back)方式 •キャッシュメモリのみに書き込みを行う •いずれ、メインメモリにデータを書き込まなければならない ので、その動作が複雑になる キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） １次キャッシュ、２次キャッシュ キャッシュメモリも１つだけでは十分な効果が得られな くなってきている CPU CPUコア L1キャッシュ L2 キャッシュ メイン メモリ 本日のまとめ メモリアーキテクチャ 1. 仮想記憶 2. キャッシュ 本日の課題 １． 次のメモリ構造のそれぞれについて、汎用メモ リとの違いを明確にして説明せよ。 ① 連想メモリ ② 構造化メモリ ③ ビデオメモリ ２．仮想メモリにおけるマッピング方式をあげ、それ ぞれの特徴をハードウェア／ソフトウェア・トレードオ フの観点から比較して説明せよ。 ３．キャッシュがメモリアーキテクチャの設計に及 ぼす具体的な効果について述べよ。
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