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1、计算机系统结构第4章（存储系统）存储系统/MemorySystem【学习目标】1.领会存储系统的含义及其性能指标.2.理解并行存储器的工作原理。3.掌握虚拟存储系统的工作原理和虚拟存储系统的页面替换算法。4.掌握Cache存储系统的地址映象及变换方法以及Cache存储系统的块替换算法。第4章存储系统/MemorySystem【学习内容】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（Cache)4.5三级存储系统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
2、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。具有这种层次的存储系统能获得比较高的性能价格比的重要依据是:程序对程序空间的访问具有程序访问局部性的特点.存储系统的定义存储器的层次结构存储器的层次结构1.程序访问局部性2.存储系统的多级层次结构3.存储系统的透明性要求4.三级存储系统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.时间局部性:程序在最近的未来要用到的信息很可能
3、是在正在使用的信息.如循环程序的多次重复使用.空间局部性:程序在最近的未来用用到的信息很可能同现在使用的信息在存储空间位置上是相邻近的.程序访问局部性指出了最近的未来要使用的指令和数据很可能就是正在使用的指令和数据,或者是与正在使用的指令和数据在存储空间位置上相邻的指令和数据.因此,可以把存储空间位置相邻的信息作为一“块”或一“页”放到容量最小但速度最快的一级存储器中,从而可以使访问速度接近速度最快的那一级的存储器的速度.例如:2.存储系统的多级层次结构由n个速度、容量、价格各不相同的存储器组成的存储系统.其中,M1级最靠近CPU,它的速
4、度最快,或者说M1的访问周期T1最小,正是通过高速的M1使存储系统的访问速度能与CPU的速度匹配.但是,高速的M1的单位容量的平均价格同速度较低的存储器相比要贵得多,容量S1也因为价格的限制不能T太大.多层次结构的存储系统的性能价格比有优于任何的单级存储器.3.存储系统的透明性要求存储系统应满足以下透明性要求:(1)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,才能实现对Mi的访问,这钟地址变换对程序员应该是透明的.(2)在两个相临的存储器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
5、的.存储系统的透明性是由对存储系统进行管理的硬件和软件来实现的.4.三级存储系统多数计算机是由高速缓冲存储器(Cache)、主存储器和磁盘存储器(辅存)构成一个三级存储系统.实现方式:组织成2个独立的二级存储系统.(1)由Cache和主存组成的“Cache-主存”存储系统,或称为Cache存储器.(2)由主存和磁盘存储器组成的“主存-辅存”存储系统,因采用虚拟存储技术,也称为虚拟存储器.Cache主存辅存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来的,在主存和辅存之间增加辅助的软件和硬件,使主存和
6、辅存构成一个整体.等效的访问速度接近于主存访问速度,容量是辅存的容量,每位价格接近于辅存.Cache存储器是针对主存速度不能满足而提出来的,在物理Cache和主存之间增加辅助硬件,使Cache和主存构成一个整体,Cache存储器的等效访问速度接近物理Cache访问速度,容量却是主存的容量,每位价格接近主存的价格.虚拟存储器和Cache存储器对应用程序员都是透明的.由于CPU与主存的速度只差1个数量级,主存与辅存的速度却差3～4个数量级,因此,Cache只能全部采用硬件来实现.Cache存储器对系统程序员也是透明的,操作系统不会参与对Cac
7、he存储器的管理.在虚拟存储器中,为了降低成本,有部分功能由操作系统的存储管理软件来实现,因此,虚拟存储器对系统程序员是不透明的.目前,很多CPU的芯片内集成有Cache,因此把Cache又分为相临的二级,片内Cache称为一级Cache,片外Cache称为二级Cache.三级存储系统4.1.2存储系统的性能指标两个存储器组成的存储系统.T1＜T2,S1＜S2,C1＞C2存储系统的性能指标1.存储系统的容量S存储系统对计算机的使用者提供尽可能大地址空间,且能够随机访问.对于Cache存储器,其容量等于主存的容量,既M=M2.对于虚拟存储器
8、,其容量既不是主存的地址空间,也不是辅存的地址空间,而是比实际物理地址空间大得多的虚拟地址空间,并且用像主存一样的随机访问方式.2.存储系统的带宽存储器被连续访问时能提供的数据传输率称为存储器
