第4章 计算机体系结构存储系统.ppt

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1、目录第4章存储系统4.1存储系统的层次结构与性能指标4.2并行存储器4.3虚拟存储器4.4高速缓冲存储器4.5三级存储系统4.1存储系统的层次结构与性能指标存储系统设计的目标是以较小的成本使存储系统与处理机的速度相匹配，或者说达到与处理机相对应的工作速度和传输带宽，同时还要求存储系统有尽可能大的容量。速度、容量和价格是存储系统设计应考虑的3个主要因素。4.1.1存储系统的层次结构存储系统的层次结构是指在构成存储系统的几种不同的物理存储器（M1~Mn）之间，配上辅助软、硬件或辅助硬件，使之从应用程序员来看，它们在

2、逻辑上是一个整体，让存储系统的等效访问速度接近于最高层M1的访存速度，容量是最低层Mn的容量，每位价格接近于最低层Mn的每位价格。具有这种层次结构的存储系统能获得较高的性价比的重要依据是：程序对存储空间的访问具有程序访问局部性的特点。1.程序访问局部性程序访问局部性包括时间局部性和空间局部性两方面。时间局部性是指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。空间局部性是指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是相邻近的。由于程序访问局部性，可以把存储空间位置相邻近的信息

3、作为一“块”或一“页”放到容量最小且速度最快的第一级存储器M1中，在最近未来的一段时间内的多次连续访存都有很大可能会在M1的同一“块”或同一“页”中找到需要的信息，从而使访存的速度可接近M1的访问速度2.存储系统的多级层次结构存储系统的n个存储器访问周期之间有T1C2>…>Cn的关系。图4.1存储系统层次结构3.存储系统的透明性要求在程序执行期间，CPU产生一个连续的逻辑地址流，逻辑地址需要变换为某个Mi的物理地址，才

4、能实现对Mi的访问。这种地址变换对程序员应该是透明的。在两个相邻的存储器Mi和Mi+1之间调入和调出块或页的操作对程序员也应该是透明的。存储系统的这种透明性是由对存储系统进行管理的硬件和软件来自动实现的。4.三级存储系统虚拟存储器（VirtualMemory）是针对主存容量不能满足要求而提出的。Cache存储器（CacheMemory）是针对主存速度不能满足要求而提出的。图4.2三级存储系统的结构4.1.2存储系统的性能指标1.存储容量虚拟存储技术为用户设计了一个虚拟地址空间，这个虚拟地址空间比主存的实际地址空

5、间要大得多，并采用像主存一样的随机访问方式。2.存储系统带存储器被连续访问时能提供的数据传输速率称为存储器的最大带宽。4.命中率若逻辑地址流指定的信息能在M1中被访问到的次数为N1，在M1中未被访问到的次数为N2，则命中率为3.单位容量平均价格二级存储系统的单位容量平均价格为6.访问效率5.等效访问周期二级存储系统的等效访问周期（EquivalenceMemoryCycle）T表示为其中，T1和T2分别是M1和M2存储器的访问周期。4.2并行存储器并行存储器（ParallelMemory）是指在一个存储器访问周

6、期能并行访问到多个存储字的存储器，能有效地提高存储器的带宽。并行存储器主要有2种，一种是单体多字并行存储器，另一种是低位交叉编址多体并行存储器。4.2.1单体多字并行存储器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，所以，单体多字并行存储器的最大带宽比单体单字存储器的最大带宽提高n倍。单体多字并行存储器访问冲突概率大。访问冲突主要来自以下几个方面。（1）取指令冲突（2）读操作数冲突（3）写数据冲突（4）读写冲突4.2.2低位交叉编址多体并行存储器1.交叉编址方式由m个存储体组成的多

7、体并行存储器，其存储单元地址采用低位交叉编址的方法是：若每个存储体的容量均为n个存储字，则存储单元地址的低log2m位称为体号k，地址的高log2n位称为体内地址i。低位交叉编址的存储单元地址A的计算公式为：A=m×i+k若已知地址A，则可计算出该存储单元所在存储体的体号k=Amodm，以及体内地址。2.多体并行存储器的错位存储方法对错位存储的n×n二维数组可以实现以下4种并行访问方式的无存储体冲突的访问：①并行访问数组任意一行的n个元素。②并行访问数组任意一列的n个元素。③并行访问数组对角线的n个元素或任意一

8、条子对角线的所有元素。④并行访问数组中任意一个子数组的n个元素。对n×n的二维数组错位存储时，要求存储体的个数，且m取质数。二维数组的任意元素aij存储的体号和体内地址分别是：其中，p是满足的任意自然数；k是数组的第一个元素a00所在存储体的体号，一般取k=0。体内地址01230号体1号体2号体3号体4号体a00a01a02a03a13a10a11a12a21a22a23a20a30a