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第五章 多级结构的存储系统 教学专题 多级结构的存储系统 授课学时 10学时（600分钟） 教学章节 5.1～5.5 授课对象 计算机专业本科生 教学课型 理论课 授课形式 课堂讲授 教学 重点 (1) 三级结构的存储系统的基本组成﹑运行原理； (2) 静态存储器及动态存储器的存储原理和内部结构； (3) 大容量多数据位存储器的构成方法； (4) 高速缓存存储器的运行原理映像方式。 教学 难点 (1) 高速缓存存储器的多路组相联映像方式 (2) 高速缓存存储器的替换算法及命中率问题 教学内容和 教学目标 知识点 学习要求 了解 理解 掌握 熟练掌握 三级结构的存储系统的实现原则 √ 动态存储器的读写过程 √ 静态存储器的存储原理 √ 提高主存系统性能的可行性途径 √ 高速缓存存储器运行原理 √ 高速缓存存储器的命中率 √ 教学 过程 教学过程设计 三级结构的存储器系统概述 主存储器部件的组成与设计 高速缓存存储器 时间分配 100分钟 300分钟 200分钟 教学要点 本章的首要教学要点是使学生理解计算机的存储体系构建采用多级结构的原因及依托的原理和原则。其后对主存储器进行重点讲解，把握主存的组成结构，可以构造主存的两种半导体材料的异同，由此加深对主存部件的了解。对于高速缓冲存储器的讲解重点安排在cache的直接映像﹑全相联﹑组相联三种映像方式的设计原理和优缺点的比较上，在教学中可以进一步与学生讨论提高高速缓冲存储器命中率的一些措施。 一、层次存储器系统概述 1. 用途及对其要求 用途：存储器系统是计算机中用于存储程序和数据的部件，很重要。 对其要求是：尽可能快的读写速度，尽可能大的存储容量，尽可能低的成本费用。 怎样才能同时实现这些要求呢？用多级存储器把要用的程序和数据，按其使用的急迫程度分段调入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由硬软件系统统一调度管理。 返回 程序运行的局部性原理 2. 程序运行时的局部性原理表现在： 在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问。在空间上， 这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区 在访问顺序上，指令顺序执行比转移的可能性大 (大约 5:1 )，合理地把程序和数据分配在不同存储介质中 解决方案　 选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，组成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势，从而达到最优性能价格比，以满足使用要求。 例如，用容量更小但速度最快的 SRAM芯片组成 CACHE，容量较大速度适中的 DRAM芯片组成 MAIN MEMORY，用容量特大但速度极慢的磁盘设备构成 VIRTUAL MEMORY。 返回 1993年大型计算机的存储器系统 存取速度 存储容量 存储成本 CPU 10ns 512B 1800 (美分/KB) 缓存 20~40ns 128KB 72 主存 60~100ns 512MB 5.6 虚存 10~20ms 60~228GB 0.23 后援 2~20ms 512GB~2TB 0.01 若能使 CPU大部分时间访问高速缓存CACHE，速度最快；仅在从缓存中读不到数据时才去读主存，速度略慢但容量更大；当从主存中还读不到时才去成批量读虚存，速度很慢容量极大；这就很好地同时解决了对速度、容量、成本三个方面的需求。 1993年大型计算机的存储器系统 设备工艺 带宽 传送单位 分配管理 CPU ECL 400~800 4~8B 编译器分配 缓存 256Kb 250~400 32B 硬件控制 主存 4MB 80~133 0.5~1KB O.S 虚存 1GB 3~5MB/S 5~512KB O.S/用户 后援 5GB磁带 0.18~0.23 后援 O.S/用户 静态和动态存储器芯片特性 SRAM DRA