计算机系统结构随书ppt清华大学出本社

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1、第三章　存储系统现代计算机系统都以存储器为中心在计算机运行过程中，存储器是各种信息存储和交换的中心3.1存储系统原理3.2虚拟存储器3.3高速缓冲存储器(Cache)3.4三级存储系统3.1存储系统原理什么是存储系统(存储体系、存储器层次)为什么研究存储系统？存储系统的性能指标如何表示？如何构成存储系统？3.1.1存储系统的定义3.1.2存储器的层次结构3.1.3存储器的频带平衡3.1.4并行存储器3.1.1存储系统的定义1、存储系统(存储体系、存储层次)的定义2、存储系统的容量3、存储系统的单位容量平均价格4、存储系统的速度5、采用预取技

2、术提高命中率3.1.1存储系统的定义在一台计算机中，通常有多种存储器种类：主存储器、Cache、通用寄存器、先行缓冲存储器、磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等材料工艺：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM访问方式：直接译码、先进先出、随机访问、相联访问、块传送、文件组存储器的主要性能：速度、容量、价格速度用存储器的访问周期、读出时间、频带宽度等表示容量用字节B、千字节KB、兆字节MB和千兆字节GB等单位表示价格用单位容量的价格表示，如$/bit存储系统的关键是如何组织好速度、容量和价格均不相同的存储器，使这个存储器的速度接近

3、速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。1、存储系统(存储体系、存储层次)的定义两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个存储系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。M1(T1,S1,C1)从外部看：M2(T2,S2,C2)Mn(Tn,Sn,Cn)T≈min(T1,T2,…,Tn),用存储周

4、期表示S=max(S1,S2,…,Sn),用MB或GB表示C≈min(C1,C2,…,Cn),用每位的价格表示在一般计算机系统中主要有两种存储系统Cache存储系统：由Cache和主存储器构成主要目的：提高存储器速度虚拟存储系统：由主存储器和磁盘存储器构成主要目的：扩大存储器容量CacheCache存储系统主存储器从系统程序员的角度看，速度接近Cache的速度存储容量是主存的容量每位价格接近主存储器2、存储系统的容量要求：能提供尽可能大、能随机访问的地址空间。Cache存储系统的容量等于M2存储器的容量虚拟存储系统的容量比M2的容量大主存

5、储器虚拟存储系统磁盘存储器从应用程序员的角度看，速度接近主存储器的速度存储容量是虚拟地址空间每位价格接近磁盘存储器方法有两种：只对M2存储器进行编址，M1存储器只在内部编址另外设计一个容量很大的逻辑地址空间3、存储系统的单位容量平均价格计算公式：S2>>S1时,C≈C2,但S2与S1不能相差太大M1(S1,C1,T1)M2(S2,C2,T2)4、存储系统的速度表示方法：T-访问周期、存取周期、存储周期、存取时间、读出时间等命中率定义：在M1存储器中访问到的概率N1:M1的访问次数N2:M2的访问次数访问周期与命中率的关系：T＝HT1＋(1－H

6、)T2当命中率H→1时，T→T1存储系统的访问效率：存储系统的访问效率主要与命中率和两级存储器的速度之比有关例3.1：假设T2=5T1，在命中率H为0.9和0.99两种情况下，分别计算存储系统的访问效率。解：当H=0.9时,e1=1/(0.9+5(10.9))=0.72当H=0.99时,e2=1/(0.99=5(10.99))=0.96提高存储系统速度的两条途径：一是提高命中率H二是两个存储器的速度不要相差太大其中第二条有时做不到(如虚拟存储器)，主要依靠提高命中率例3.2：在虚拟存储系统中，两级存储器的速度相差特别悬殊T2=105T１。如

7、果要使访问效率e=0.9，问需要有多高的命中率？解：得:H=0.999998888877777...≈0.9999995、采用预取技术提高命中率方法：不命中时，把M2存储器中相邻几个单元组成的一个数据块都取出来送入M1存储器中。计算公式：0.9H+90000(1H)=189999.1H=89999其中：H’是采用预取技术后的命中率；H是原来的命中率；n为数据块大小与数据重复使用次数的乘积证明：采用预取技术之后，不命中率降低n倍：例3.3：在一个Cache存储系统中，当Cache的块大小为一个字时，命中率H=0.8；假设数据的重复利用率为5，计

8、算块大小为４个字时，Cache存储系统的命中率是多少？假设T2=5T1，分别计算访问效率。解：n=45=20,采用预取技术后,命中率提