计算机系统结构第4章存储系统

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1、计算机系统结构教程陈嘉多媒体教学课件福州大学软件学院存储系统的层次结构与性能指标存储系统的设计目标：以较小的成本使存储系统的工作速度与处理机的速度相匹配，同时要求存储系统有尽可能大的容量。程序访问局部性：时间局部性：程序在最近的未来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息。（如循环程序）空间局部性：程序在最近的未来要用到的信息很可能同现在正在使用的信息在存储空间位置上相邻近。（如顺序执行程序,数据聚族存储）存储系统的多级层次结构：M1(T1,S1,C1)M2(T2,S2,C2)Mn(Tn,Sn,Cn)

2、…T1C2>…>Cn单位容量平均价格通过程序访问局部性原理使存储系统的等效访问速度接近于M1的访问速度存储系统的容量为Mn的容量，每位价格接近于Mn的每位价格程序局部性不仅使层次结构的存储系统在速度、容量和价格的综合水平较高，而且可对存储空间采用分块或分页的管理方式来获得对M1较高的命中率由于程序访问的时间和空间局部性，从而保证对M1有较高的命中率存储系统层次结构要解决的问题：定位问题寻址问题替换问题写回问题三级存储系统Cache内存辅

3、存Cache存储器虚拟存储器虚拟存储器(主存-辅存存储系统)是针对主存容量不能满足要求而提出的，对应用程序员透明，对系统程序员不透明。虚拟存储器的等效访问速度接近于主存访问速度，容量却是辅存的容量，每位价格接近辅存的每位价格Cache存储器(Cache-主存存储系统)是针对主存速度不能满足要求而提出的，对应用程序员和系统程序员都透明。虚拟存储器在主存和辅存之间增加辅助的硬、软件，使主存和辅存构成一个整体Cache存储器的等效访问速度接近于物理Cache的访问速度，其容量却是主存的容量，每位价格接近主

4、存的每位价格在物理Cache和主存之间增加辅助硬件，使Cache和主存构成一个整体存储系统的性能指标：存储容量“Cache-主存”存储系统存储系统的容量就是主存的容量“主存-辅存”存储系统虚拟地址空间的容量虚拟地址空间既不是主存的地址空间，也不是辅存的地址空间，这个虚拟地址空间比主存的实际地址空间大得多，并采用像主存一样的随机访问方式存储系统带宽存储器最大带宽—每秒从存储器进出信息的最大数量（若存储周期200ns，存储字为32位，则存储器带宽为160M位/秒）存储器带宽—存储器被连续访问时能提供的数

5、据传输速率实际带宽<最大带宽单位容量平均价格C=C1S1+C2S2S1+S2S1<

6、-H)T2/T1=访问效率与命中率和两级存储器的访问周期比有关存储系统的透明性要求地址变换和替换算法对程序员都应是透明的，这种透明性由对存储系统进行管理的硬件和软件自动实现地址映象虚拟地址与物理地址间对应关系的规则地址变换虚拟存储系统按照某种地址映象方式把虚拟地址转换成物理地址相邻层之间的数据传送单位CPU与高速缓存之间：字高速缓存与主存储器之间：块（每块32个字节）主存与磁盘之间：页面（每页4K字节，包括128块）磁盘与磁带之间：段并行存储器并行存储器—通过设置多个存储器或存储体，使它们并行工作，

7、在一个存储器访问周期能并行访问到多个存储字单体多字并行存储器把存储器的存储字字长增加n倍，以存放n个指令字或数据字，从而在一个存储周期内能访问到n个指令字或数据字，最大带宽比单体单字存储器的最大带宽提高n倍优点：实现简单缺点：访问冲突概率大取指令冲突一个存储字中有一个转移指令字时，转移指令后预取的指令字只能作废读操作数冲突单体多字并行存储器一次取出的n个数据字不一定都是要执行的指令所需要的操作数，而当前执行指令需要的全部操作数也可能不包含在一个存储字中而不能被一次取出数据存放的随机性比指令存放的随机

8、性大，所以读操作数冲突的概率较大写数据冲突必须凑齐n个数据字后才能作为一个存储字一次写入存储器。需要先把属于一个存储字的n个数读到数据寄存器中，然后再把整个存储字写回存储器读写冲突在要读出的数据字和要写入的数据字同处于一个存储字时，读和写的操作就无法在同一个存储周期中完成交叉访问存储器由多个存储体组成一个更大容量的主存时，对存储器的多个存储体的存储单元采用交叉编址方式，组成交叉访问存储器高位交叉访问存储器高位(体号k)低位(体内地址j)log2m位log2n位A=k*