本科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件 chapter4-1

第四章存儲體系

概述現(xiàn)代計算機系統(tǒng)都以存儲器為中心在計算機運行過程中，存儲器是各種信息存儲和交換的中心存儲系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的瓶頸，CPU與主存儲器的速度差距越來越大1955年，第一臺大型機IBM704，CPU和主存儲器的工作周期均為12微秒，目前，CPU的工作速度提高了4個數(shù)量級以上，主存儲器的工作速度僅提高2個數(shù)量級。概述（續(xù)）存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何組織好速度、容量和價格均不相同的存儲器使這個存儲器的速度接近速度最快的那個存儲器存儲容量與容量最大的那個存儲器相等單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。三大因素：速度、容量、價格LevelsinMemoryHierarchyCPUregsCacheMemorydisksize:speed:$/Mbyte:blocksize:200B3ns8BRegisterCacheMemoryDiskMemory32KB/4MB6ns$100/MB32B128MB60ns$1.50/MB8KB20GB8ms$0.05/MBlarger,slower,cheaper8B32B8KBcachevirtualmemoryMemoryHierarchyRegistersLevel1cacheLevel2CacheMemoryDiskTypicalSize4-64<16Kbytes<2Mbytes<16Gigabytes>5GigabytesAccessTime1nsec3nsec15nsec150nsec5,000,000nsecBandwidth(inMB/sec)10,000–50,0002000-5000500-1000500-1000100ManagedByCompilerHardwareHardwareOSOS/User各級存儲器的主要性能特性存儲器層次通用寄存器緩沖棧Cache存儲周期<10ns<10ns10-60ns存儲容量<512B<512B8K-2MB價格$c/KB1200803.2訪問方式直接譯碼先進先出相聯(lián)訪問材料工藝ECLECLSRAM分配管理編譯器分配硬件調(diào)度硬件調(diào)度帶寬400-8000400-1200200-800（待續(xù)）各級存儲器的主要性能特性（續(xù)）存儲器層次磁盤存儲器主存儲器存儲周期10-30ms60-300ns存儲容量1G-1TB32M-1GB價格$c/KB0.010.36訪問方式塊訪問隨機訪問材料工藝磁表面DRAM分配管理系統(tǒng)/用戶操作系統(tǒng)帶寬10-10080-160脫機存儲器2-20min5G-10TB0.0001文件組磁、光等系統(tǒng)/用戶0.2-0.6目錄存儲體系的概念虛擬存儲器高速緩沖存儲器（Cache）Cache-主存-輔存三級層次主存保護（自學）

§1存儲體系的形成與性能

存儲體系及其分支

存儲體系的構(gòu)成依據(jù)存儲體系的性能參數(shù)

存儲系統(tǒng)在一臺計算機中，通常有多種存儲器種類：主存儲器、Cache、通用寄存器、先行緩沖存儲器、磁盤存儲器、磁帶存儲器、光盤存儲器等材料工藝：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM

訪問方式：直接譯碼、先進先出、隨機訪問、相聯(lián)訪問、塊傳送、文件組存儲系統(tǒng)（續(xù)）存儲器的主要性能：速度、容量、價格速度用存儲器的訪問周期、讀出時間、頻帶寬度等表示容量用字節(jié)B、千字節(jié)KB、兆字節(jié)MB和千兆字節(jié)GB等單位表示價格用單位容量的價格表示，如$/bit訪問速度越來越快通用寄存器堆指令和數(shù)據(jù)緩沖Cache(SRAM)主存儲器（DRAM）聯(lián)機外部存儲器脫機外部存儲器每位的價格越來越便宜存儲容量越來越大CPU

內(nèi)部存儲體系的形成與分支

主、輔存之間不能構(gòu)成完整的整體，采用程序覆蓋技術(shù)解決；采用操作系統(tǒng)自動定位技術(shù)，形成一個整體，速度接近于主存，容量是輔存，價格接近輔存；虛擬存儲系統(tǒng)虛地址：虛存地址、虛擬地址、邏輯地址、程序地址、虛存容量、程序空間物理地址、實（存）地址、主存容量、實存容量、實（主）存空間

存儲體系的定義兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個存儲系統(tǒng)。這個系統(tǒng)對應用程序員透明。從應用程序員看，它是一個存儲器。這個存儲器的速度接近速度最快的那個存儲器存儲容量與容量最大的那個存儲器相等單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。解決速度CPU中設置通用寄存器

采用存儲器的多體交叉并行存取采用存儲層次

Cache主存-輔存存儲層次（容量）主存輔存輔助軟硬設備從整體上看，速度是主存的，容量是輔存的。Cache-主存存儲層次（速度）高速緩沖Cache主存M輔助硬件設備從CPU看，速度是Cache的，容量是輔存的。高速緩沖CacheCPU多級存儲層次CPUM1M2M3Mn存儲體系（層次）存儲體系的構(gòu)成依據(jù)要求未被訪問信息的地址能預知；時間和空間上的局部性預知的準確性是存儲層次設計的好壞的主要標志取決于所用算法和地址映像變換的方式存儲體系的性能參數(shù)

存儲層次的每位價格

如兩級容量差異大，則實現(xiàn)級間地址映像和地址變換困難，效率降低命中率H

CPU產(chǎn)生的邏輯地址能在M1中訪問到（命中到）的概率。H與地址預知算法及M1的容量有關(guān)H----1好

存儲層次的等效訪問時間

訪問效率訪問效率說明R-1越好

R取決于個層次的各級器件和設備特性，命中率，容量及替換算法有關(guān)。E-1H在r較大時，H要高。r=100,為使e>0.9

必須H>0.998r=2,為使e>0.9H>0.889如兩級速度差異很大，提高H。

訪問效率m=160.20.40.60.81.00.20.40.60.81.0命中率r=2r=10r=100r=1存儲器層次結(jié)構(gòu)設計的問題