哈工大威海计算机学院 计算机组成原理课件 第5章 存储系统.ppt

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1、第五章存储系统5.1存储器的分类与性能评价5.2存储系统的层次结构5.3半导体存储器5.6虚拟存储器5.4主存储器5.5高速缓冲存储器一、存储器分类1.按存储介质分类(1)半导体存储器(2)磁表面存储器(3)磁芯存储器(4)光盘存储器易失TTL、MOS磁头、载磁体硬磁材料、环状元件激光、磁光材料非易失5.1存储器的分类与性能评价(1)存取时间与物理地址无关（随机访问）顺序存取存储器磁带2.按存取方式分类(2)存取时间与物理地址有关（串行访问）随机存储器只读存储器直接存取存储器磁盘在程序的执行过程中可读可写在程序的执行过程中只读磁盘、磁带、光盘高速

2、缓冲存储器（Cache）FlashMemory存储器主存储器辅助存储器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM静态RAM动态RAM3.按在计算机中的作用分类（1）存储容量：存放二进制信息的数量存储容量=存储单元个数*存储字长（按字）=字节数（按字节编址）目前计算机的存储容量大多以字节数来表示地址线数目为n，存储容量＝2nB(2)存取速度：一般采用两种参数描述a.存取时间(TA)指从CPU给出有效地址启动一次存取（读/写）操作到该操作完成所需的时间。读、写分别为TAR、TAW。b.存取周期(Tmc)指连续两次存储器操作之间的最小时间。间隔

3、略大于TA二、存储器的性能评价（3）带宽：每秒从存储器进出的最大信息量存取周期反映存储器的带宽例：TMC＝100ns8位数据带宽为1/100ns×8b=80Mb/s提高存储器的带宽的途径a．缩短存取周期，指制造工艺方面,TTL为10ns;MOS为100nsb．增加储字长c．增加存储体（4）成本：也称价格，一般有两个指标：存储系统总的拥有成本和每存储位的成本。前者指构成整个计算机存储系统的所有存储器件及相关设备的购买总成本；后者等于存储芯片的容量（位）除以存储芯片的价格。5.2存储系统的层次结构一、存储器访问的局部性原理经过对处理器访问主存储器情况

4、的统计发现，无论是取指令还是存取数据，处理器访问的存储单元趋向于聚集在一个相对较小的连续存储单元区域内。这种现象称为存储器访问的局部性原理。访问局部性表现为时间局部性和空间局部性。时间局部性是指将要访问的信息就是现在正在访问的信息。空间局部性是指将要用到的信息就在正使用的信息旁边。二、层次结构的存储系统用户对存储系统的要求一般是相同的：容量大、速度快、价格低。在现有存储器工艺技术水平下，上述要求无法满足。容量大的存储器在速度上通常要比容量小的存储器慢。速度快的存储器在价格上通常要比速度慢的存储器贵。为了解决这种问题，选用生产与运行成本不同的、存储

5、容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，按一定的层次结构组织成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势，从而综合达到最优性能价格比，即把这样一个存储器组织作为一个整体看，具有容量大、速度快、位价低的综合指标。这样一个存储整体称为“存储系统”。高低小大快慢辅存寄存器缓存主存磁盘光盘磁带光盘磁带速度容量价格位／存储器三个主要特性的关系CPUCPU主机1)通用寄存器组：处于CPU内部，为执行指令方便而设，通常由几个、十几个、几十个寄存器组成，各种机器不等。其速度最快、容量最小、位价最高，

6、但由于容量太小，并不被看成是独立的存储级。2）主存：是存储系统的核心，是计算机自动、高速运行程序必不可少的功能部件，是计算机传统的五大部件之一。因此，计算机对主存的要求是比较高的，但在目前的存储技术水平下，主存只能做到容量比较大、速度比较快、位价适中，仍然远远满足不了CPU运行程序的要求。3）高速缓存（Cache）：为平滑主存与CPU之间的速度之差，加速CPU访存的速度，在性能较好的计算机中，主存与CPU之间增加一个缓冲存储器，其容量比通用寄存器组大得多，比主存小得多，速度接近CPU，位价介于寄存器与主存之间Cache与主存一起构成内存。寄存器、

7、Cache、主存由不同指标的半导体存储器实现。4）辅助存储器（外部存储器）；为了存放大量备用的程序和数据，在主机之外设置了一级辅助存储器，其容量比主存大得多，速度比主存慢得多，但位价也便宜得多。辅存通常由磁表面存储器实现，目前大多数计算机使用磁盘，但由于磁盘的容量实际上也有限，因此有些系统使用磁带等速度更低、容量更大（磁带等设备带盘可换，容量可无限延伸）的磁表面存储器作为硬盘的后备。由于辅存与主机的连接方式和I/O设备相同，因此主机通常以I/O管理方式管理外存。缓存CPU主存辅存三、缓存主存层次和主存辅存层次缓存主存辅存主存虚拟存储器10ns20

8、ns200nsms虚地址逻辑地址实地址物理地址主存储器（速度）（容量）1）Cache—主存层次：根据程序运行的局部性原理，可以在计算机运