计算机系统结构 第3章 存储器体系结构

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1、内容提要：第3章存储器体系结构随着计算机和微电子技术的发展，存储器无论是其器件还是体系结构都发生了很大的变化。本章主要介绍存储器层次结构、性能参数、多体并行存储器、磁盘阵列、高速缓冲存储器Cache、虚拟存储器的管理方式及存储器保护。重点:存储器性能参数、多体并行存储器、磁盘阵列的组成方式、Cache的组成原理与地址映象、Cache的置换策略与主存更新、虚拟存储器组成与管理方式。难点:Cache的地址映象、Cache的置换策略与主存更新、虚拟存储器的组成与段页式管理。3.1概述3.2高速缓冲存储器Cache3.3虚拟存储器3.4存储器保护措施第3章存储器

2、体系结构3.1.1存储器的层次结构3.1.2基本概念与性能参数3.1.3多体并行存储器3.1.4磁盘阵列3.1概述存储器是计算机的主要部件之一，其容量、速度、价格是存储器设计时所要考虑的三个要素。近年来出现了许多种类型的存储器，它们各有特色，有的速度快，但容量小；有的容量大，但速度慢。一般而言，速度快的存储器容量小，位价格高。3.1.1存储器的层次结构目前，存储器按照存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器和光存储器等。其中半导体存储器容量小，速度快，位价格高，常用作主存。磁表面存储器有磁盘和磁带，属于非易失存储器，容量大，位价格低，信息可以长久保存。光

3、存储器容量也很大，位价格也很低，信息也可以长久保存。研究发现，程序在运行的过程中（80～90）%时间是在执行(10～20)%的程序代码，即局部性原理。表现为两个方面。（1）时间局部性：如果一个存储项被访问，则该存储项可能很快再次被访问。（2）空间局部性：如果一个存储项被访问，则该项及其相邻项可能很快被一起访问.形成这种局部性的原因在于程序的顺序执行和所包含的循环程序。1.存储器访问中的局部性原理为满足CPU对高速大容量存储器的需求，又不过高地增加成本。无论是巨型机、大型机、中小型还是微型计算机，都采用层次化的存储器体系结构，其表示如图3.1所示。寄存器一

4、般与CPU制作在一起，其速度与CPU一致,但数量有限。高速缓冲存储器(Cache)多由双极型器件构成，容量小，界于CPU和主存之间，速度与CPU匹配，用来存放(10～20)%的常用程序或数据。2.存储器的层次结构图3.1多层存储器结构主存多由半导体存储器构成，与CPU直接连接，容量较大。外存由非易失的存储器构成，容量很大，有时也称为海量存储器，用来存储暂不执行的程序或不被处理的数据。在CPU工作时，首先从Cache中读取指令或数据。如果能从Cache获得指令或数据，称为命中(Hit)；否则称为未命中或者失效(Miss),这时需要访问主存，从主存中获取指令

5、或数据，同时传送到上层的Cache中。若在主存中未能获取指令或数据，则称访问主存失效或未命中，这时再去访问外存。3.1.2基本概念与性能参数1.基本概念性原理一般情况下，上层所存储的信息是下层存储器中的一个子集，或者说是下层的映像。在Cache与主存之间传送信息，常以块或者页为单位；在主存与外存之间常以文件为单位。为了说明各层之间的关系和一些基本概念，下面以图3.2为例进行说明。图3.2存储器层次关系图中Mi表示不同的存储器，靠近CPU的(M1)速度快，容量小，位价格高；远离CPU的(Mn)速度慢，容量大，位价格低。若以Si、Ci、Ti分别表示存储器Mi

6、的容量、位价格和访问时间，则：Si＜Si+1Ci＞Ci+1Ti＜Ti+1①根据时间局部性，Mi级存储器一般只存放Mi+1级中近期使用过的数据块或页；②根据空间局部性，在从Mi+1级存储器读取一个字并送往Mi时，一般把该字所在的块或页整体送往Mi，以提高CPU访问Mi级时的命中率。常用参数有4个，即命中率、等效访问时间、平均位价格和访问效率，分别用H、T、C和e表示。（1）命中率H通常是把在Mi级访问成功的概率称为该级的命中率，用H来表示，一般用模拟的方法来确定，即测试程序，分别统计出访问成功的次数N1和不成功的次数N2，则命中率为：H=N1N1+N2若用

7、F表示失效率或未命中率，则F=1-H2.性能参数（2）等效访问时间T等效访问时间也称为访问周期。以主存---辅存二级存储器系统为例，T1表示访问M1成功所用的时间；Tm表示访问失效时间，它包括访问M2所用的时间T2，且从M2中读出一个数据块（或页）送M1，再从M1读出所需要的字的全部时间。这样，主存---辅存二级存储器系统的等效访问时间为：T=HT1+(1-H)Tm（3.1）当命中率H近似于1时，等效访问时间近似于T1。由于上一级存储器访问的命中率一般都很高，为简单起见常用访问M2的时间T2来代替Tm。这样T=HT1+(1-H)T2（3.3）C≈C1S1

8、+C2S2S1+S2（3）平均位价格对于二级存储器系统，若用C1和S1表示M1的