组成原理第3章

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1、第三章存储系统•现代计算机系统都以存储器为中心•在计算机运行过程中，存储器是各种信息存储和交换的中心天津师范大学计信学院长期存在的问题：在总价格限制下，单纯性主存设备的速度跟不上CPU的发展，容量不能满足软件规模扩大。本章学习两种提高主存系统性能/价格比的结构化方法：并行存储器与存储层次技术。后者为主。•3.1存储系统原理•什么是存储系统（或存储体系、存储器层次）？•为什么研究存储系统？•存储系统的性能指标如何表示？•如何构成存储系统？天津师范大学计信学院•3.1.1存储系统的定义•3.1.2存储器的层次结构•3.1.3存储器的频带平衡•3.1.4并行存储器•3.1.1存储系统的定义•在一

2、台计算机中，通常有多种存储器•主存储器、Cache、通用寄存器、磁盘存储器、各种缓冲存储器、磁带存储器、光盘存储器等•构成存储器的材料：ECL,TTL,MOS，磁表面存储器，光天津师范大学计信学院存储器、静态存储器SRAM、动态存储器DRAM等等•存储器的访问方式：直接译码、随机访问、相联访问、块交换、文件组、手工加载等•存储器的主要性能指标：速度、容量和价格•速度用存储器的读出时间、访问周期、频带宽度等表示。•读出时间：“读”命令有效到数据总线数据有效的时间间隔TA；•访问周期：单体存储器连续两次读写操作的最小时间间隔天津师范大学计信学院TM；•TM>TA•容量用字节B、千字节KB、兆字

3、节MB和千兆字节GB等表示。价格用单位容量的价钱表示，例如$C/Mbyte。1、存储系统（或存储体系、存储层次）的定义•两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。M1M2MnCPU(T1,S1,C1)(T2,S2,C2)(Tn,Sn,Cn)•在一般计算机系统中，主要有两种存储系统：•(1)Cache存储系统：由Cache和主存储器构成•主要目的：提高

4、存储器速度•(2)虚拟存储系统：由主存储器和磁盘存储器构成天津师范大学计信学院•主要目的：扩大存储器容量磁盘存储器主存储器Cache主存储器主存储器磁盘存储器速度接近Cache，存储容量天津师范大学计信学院速度接近主存储器，存储等于主存，每位价格接近容量是虚拟地址空间，每主存储器。位价格接近磁盘存储器。Cache存储系统虚拟存储系统•2、存储系统的容量•要求：存储系统的容量等于M2存储器的容量•提供尽可能大的地址空间，且能够随机访问•方法有两种：•1、只对M2存储器进行编址，M1存储器只在内部编址天津师范大学计信学院•2、另外设计一个容量很大的逻辑地址空间M1M2CPU(T1,S1,C1)

5、(T2,S2,C2)•3、存储系统的单位容量平均价格•计算公式：C1⋅S1+C2⋅S2C=S1+S2•当S2>>S1时，C≈C2天津师范大学计信学院•4、存储系统的速度•表示方法：等效存取周期、等效存取时间等•命中率定义：在M1存储器中访问到的概率N1H=NN12+天津师范大学计信学院•其中：N1是对M1存储器的访问次数•N2是对M2存储器的访问次数•访问周期与命中率的关系：•T＝HT1＋(1－H)T2•当命中率H→1时，T→T1•存储系统的访问效率：T天津师范大学计信学院1T11T2e====fH(,)T2THT⋅+−⋅12()1HTHH+−⋅()1T1T1•访问效率主要与命中率和两级存

6、储器的速度之比有关•例：假设T2＝５T１，在命中率H为0.9和0.99两种情况下，分别计算存储系统的访问效率。•解：当H＝0.9时，e1＝1／(0.9＋5(1－0.9))＝0.72•当H＝0.99时，e2＝1／(0.99＋5(1－0.99))＝0.96天津师范大学计信学院•提高存储系统速度的两条途径：•一、提高命中率H•二、两个存储器的速度不要相差太大•其中：第二条有时做不到(如虚拟存储器)，因此，主天津师范大学计信学院要依靠提高命中率•例：在虚拟存储系统中，两级存储器的速度相差特别悬殊T2＝105T１。如果要使访问效率e＝0.9，问需要有多高的命中率？•解：109.=5天津师范大学计信学

7、院HH+−⋅()1100.9H＋90000(1－H)＝1•89999.1H＝89999•计算得H＝0.999998888877777…≈0.999999•5、采用预取技术提高命中率•方法：不命中时，把M2存储器中相邻几个单元组成的一个数据块都取出来送入M1存储器中。•计算公式：天津师范大学计信学院Hn+−1H'=n•H’是采用预取技术之后的命中率•H是原来的命中率•n为数据块大小与数据重复使用次数的乘积•证明：采用预取技