第7章 存储系统(简化版).ppt

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1、第7章存储系统大连海事大学计算机系7.1存储系统的基本知识7.2Cache基本知识7.3降低Cache不命中率7.4减少Cache不命中开销7.5减少命中时间7.6并行主存系统7.7虚拟存储器7.8实例：AMDOpteron的存储器层次结构计算机系统结构设计中关键的问题之一：如何以合理的价格，设计容量和速度都满足计算机系统要求的存储器系统？人们对这三个指标的要求容量大、速度快、价格低三个要求是相互矛盾的速度越快，每位价格就越高；容量越大，每位价格就越低；容量越大，速度越慢。7.1存储系统的基本知识7.1.1存储系统的层次结构7.1存储系统的基本知识解决方法：采用多种存储器技术，构成

2、多级存储层次结构。程序访问的局部性原理：对于绝大多数程序来说，程序所访问的指令和数据在地址上不是均匀分布的，而是相对簇聚的。(局部性原理)程序访问的局部性包含两个方面时间局部性：程序马上将要用到的信息很可能就是现在正在使用的信息。空间局部性：程序马上将要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是相邻的。7.1存储系统的基本知识存储系统的多级层次结构多级存储层次7.1存储系统的基本知识假设第i个存储器Mi的访问时间为Ti，容量为Si，平均每位价格为Ci，则访问时间：T1C2>…>Cn整个存储系统要达到的目标：从CP

3、U来看，该存储系统的速度接近于M1的，而容量和每位价格都接近于Mn的。存储器越靠近CPU，则应该让CPU对它的访问频度越高，而且最好大多数的访问都能在M1完成。7.1存储系统的基本知识下面仅考虑由M1和M2构成的两级存储层次：M1的参数：T1，S1，C1M2的参数：T2，S2，C27.1.2存储层次的性能参数7.1存储系统的基本知识存储容量S一般来说，整个存储系统的容量即是第二级存储器M2的容量，即S=S2。每位价格C当S1<

4、2的次数不命中率：F＝1－H7.1存储系统的基本知识平均访存时间TATA＝HT1＋（1－H）（T1＋TM）＝T1＋（1－H）TM即TA＝命中时间+不命中率×不命中开销分两种情况来考虑CPU的一次访存：当命中时，访问时间即为T1（命中时间）当不命中时，情况比较复杂。不命中时的访问时间为：T2＋TB＋T1＝T1＋TMTM＝T2＋TB不命中开销TM：从向M2发出访问请求到把整个数据块调入M1中所需的时间。传送一个信息块所需的时间为TB。7.1存储系统的基本知识三级存储系统Cache（高速缓冲存储器）主存储器磁盘存储器（辅存）可以看成是由“Cache—主存”层次和“主存—辅存”层次构成的系

5、统。7.1.3三级存储系统7.1存储系统的基本知识从主存的角度来看“Cache-主存”层次：弥补主存速度的不足，完全由硬件实现，对程序员是透明的“主存－辅存”层次：弥补主存容量的不足，依靠辅助软硬件，特别是操作系统，常用来实现虚拟存储器7.1存储系统的基本知识1980年以来存储器和CPU性能提高的情况（以80年时的性能为基准）主存与CPU的速度差距越来越大7.1存储系统的基本知识两种存储层次7.1存储系统的基本知识存储层次CPU对第二级的访问方式比较项目目　　的存储管理实现访问速度的比值(第一级和第二级)典型的块(页)大小不命中时CPU是否切换“Cache－主存”层次“主存－辅存

6、”层次为了弥补主存速度的不足为了弥补主存容量的不足主要由专用硬件实现主要由软件实现几比一几万比一几十个字节几百到几千个字节可直接访问均通过第一级不切换切换到其他进程“Cache－主存”与“主存－辅存”层次的区别7.1存储系统的基本知识当把一个块调入高一层(靠近CPU)存储器时，可以放在哪些位置上?（映象规则）当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块?（查找算法）当发生不命中时，应替换哪一块？（替换算法）当进行写访问时，应进行哪些操作?（写策略）7.1.4存储层次的四个问题Cache和主存分块Cache是按块进行管理的。Cache和主存均被分割成大小相同的块。信息以块为单位

7、调入Cache。主存块地址（块号）用于查找该块在Cache中的位置。块内位移用于确定所访问的数据在该块中的位置。7.2Cache基本知识7.2.1基本结构和原理2.Cache的基本工作原理示意图7.2.2映象规则全相联映象全相联：主存中的任一块可以被放置到Cache中的任意一个位置。举例对比：阅览室位置──随便坐特点：空间利用率最高，冲突概率最低，实现最复杂。7.2Cache基本知识7.2Cache基本知识7.2Cache基本知识直接映象直接映象：主存中的每一块只能被