第3章--存储系统设计fppt课件.ppt

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1、第3章存储系统设计3.1存储系统原理3.2交叉访问存储器3.3页式虚拟存储器3.4Cache存储器习题33.1存储系统原理3.1.1基本概念从用户的角度来看，存储器的三个主要指标是：容量、速度和价格。用户对存储器的要求是“容量大、速度快、价格低”，显然，这三个要求是相互矛盾的，因为很明显存储器的速度越快，价格就越高；存储器的容量越大，速度就越慢。下面我们来具体解释一下这三个概念。存储器容量SM=W·l·m。其中W为单个存储体的字长，l为单个存储体的字数，m为并行工作的存储体的个数。也就是说，存储

2、器的容量与单个存储体的字长、单个存储体的字数和并行工作的存储体的个数成正比。存储器的速度可以用访问时间TA、存储周期TM或频宽Bm来描述。Bm是存储器被连续访问时，可以提供的数据传送速率，通常用每秒传送信息的位数（或字节数）来衡量。单体的Bm=W/TM。m个存储体并行工作时可达到的最大频宽Bm=W·m/TM。以上指的都是理想情况下，存储器所能达到的最大频宽。由于存储器不一定总能连续满负荷地工作，所以，实际频宽往往要低于最大频宽。为了提高CPU的访存速度，有以下二种方法：(1)在组成上引入并行和重

3、叠技术，构成并行主存系统。在保持每位价格基本不变的情况下，能使主存的频宽得到较大的提高。如单体多字存储器、多体交叉存储器。(2)改进存储器的系统结构，发展存储体系（或称存储系统）。如采用Cache-主存-辅存存储层次的存储器。所谓存储体系，是指计算机系统的存储器部分由多种不同的存储器构成，由操作系统和硬件技术来完成程序的定位，使之成为一个完整的整体。由于它由多级存储器构成，故又称之为存储层次。存储器价格包含了存储单元本身以及为实现存储器操作所必须的外围电路的价格。3.1.2多级存储层次为实现用户

4、“容量大、速度快、价格低”的要求，仅用单一的一种存储器很难达到这一目标，较为理想的方法就是采用存储层次，用多种存储器构成存储器的层次结构。图3.1是多级存储层次的示意图。其中，M1，M2，…，Mn为用不同技术实现的存储器。最靠近CPU的M1速度最快，容量最小，每位价格最高；而离CPU最远的Mn则相反，速度最慢，容量最大，每位价格最低。对于其中任何相邻的两级来说，靠近CPU的存储器总是容量小一些，速度快一些，价格高一些。图3.1多级存储层次若设ci、TAi、Smi分别表示Mi的每位价格、访问时间和

5、存储容量，则多级存储层次中任何相邻二级之间存在以下关系：ci>ci+1TAi

6、算机程序的一个特性，即程序的局部性。局部性原理指出，绝大多数程序访问的指令和数据都是相对簇聚的，它包括时间上的局部性和空间上的局部性。时间局部性是指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，这主要是程序循环造成的，即循环中的语句要被重复的执行。空间局部性是指在最近的未来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息，在程序空间上是相邻或相近的，这主要是由于指令通常是顺序执行的，以及数据一般是以向量、阵列、树形、表格等形式簇聚地存储所致。根据程序的局部性，存储层次的构成和管理主要采用以下两种方法

7、相结合：(1)Mi级一般只需存放Mi+1级中近期使用过的块和页（根据时间局部性）；(2)在从Mi+1级取所要访问的字送到Mi级时，一并把该字所在的块或页整个取出来（根据空间局部性），以增大CPU在访问Mi级时的命中率。3.1.3存储系统的性能参数这里以二级存储层次为例来分析其性能，二级存储层次结构如图3.2所示。存储层次主要采用三个性能参数：平均位价格c、命中率H和等效访问时间TA。图3.2二级存储层次设ci、TAi、SMi分别表示Mi的平均位价格、访问时间和存储容量。1.平均位价格c显然，当S

8、M1<