体系结构课件chapter41章节.pptVIP

计算机系统结构 第四章 存储体系 * 概述 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 存储系统是整个系统的瓶颈， CPU与主存储器的速度差距越来越大 1955年，第一台大型机IBM704，CPU和主存储器的工作周期均为12微秒，目前，CPU的工作速度提高了4个数量级以上，主存储器的工作速度仅提高2个数量级。 * 概述（续） 存储系统的关键是如何组织好速度、容量和价格均不相同的存储器 使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。 三大因素：速度、容量和价格 * Levels in Memory Hierarchy CPU regs C a c h e Memory disk size: speed: $/Mbyte: block size: 200 B 3 ns 8 B Register Cache Memory Disk Memory 32 KB / 4MB 6 ns $100/MB 32 B 128 MB 60 ns $1.50/MB 4 KB 20 GB 8 ms $0.05/MB larger, slower, cheaper 8 B 32 B 8 KB cache virtual memory * Memory Hierarchy Registers Level 1 cache Level 2 Cache Memory Disk Typical Size 4 - 64 16K bytes 2 Mbytes 16 Gigabytes 5 Gigabytes Access Time 1 nsec 3 nsec 15 nsec 150 nsec 5,000,000 nsec Bandwidth (in MB/sec) 10,000 – 50,000 2000 - 5000 500 - 1000 500 - 1000 100 Managed By Compiler Hardware Hardware OS OS/User * 目 录 存储体系的概念 虚拟存储器 (重点) 高速缓冲存储器(Cache) (重点) 主存保护(自学) * §4.1 存储体系的概念 存储体系及其分支 存储体系的构成依据 存储体系的性能参数 * 存储系统 在一台计算机中，通常有多种存储器 种类：不同的分类方法，按存取方式分类、在计算机中的作用分类等 材料工艺：半导体（ECL、TTL、MOS）、磁表面、光介质等 访问方式：顺序访问、随机访问、相联访问等 * 存储系统（续） 存储器的主要性能：速度、容量、价格 速度用存储器的访问周期、读出时间、频带宽度等表示 容量用字节B、千字节KB、兆字节MB和千兆字节GB等单位表示 价格用单位容量的价格表示，如$/bit * 访问速度越来越快 通用寄存器堆 指令和数据缓冲 Cache (SRAM) 主存储器（DRAM） 联机外部存储器 脱机外部存储器 每位的价格越来越便宜 存储容量越来越大 CPU内部 * 4.1 存储体系的定义 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从逻辑上成为一个完整的整体。它不是存储系统而是存储体系。这个系统对应用程序员透明。 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。 * 4.1.1存储体系及其分支 采用操作系统自动定位技术，形成一个整体，速度接近于主存，容量是辅存，价格接近辅存； 虚拟存储系统 虚地址：虚存地址、虚拟地址、逻辑地址、程序地址 、虚存容量、程序空间 物理地址、实（存）地址、主存容量、实存容量、实（主）存空间 应用程序员用机器指令的地址对整个程序统一编址，该地址称为虚地址(程序地址)，实际主存的地址称为实地址(实存地址)。用辅助映像表建立两者间的联系。 * 解决速度 CPU中设置通用寄存器 采用存储器的多体交叉并行存取 采用存储层次 Cache * 主存-辅存存储层次（容量） 主存 辅存 辅助软硬设备 从整体上看， 速度是主存的， 容量是辅存的。 * Cache-主存存储层次（速度） 高速缓冲 Cache 主存 M 辅助硬件设备 从CPU看， 速度是Cache的， 容量是辅存的。 高速缓冲 Cache CPU * 多级存储层次 多级存储体系（层次） CPU M1 M2 M3 Mn … … * 4.1.2存储体系的构成依据 要求未被访问信息的地址能预知； 时间局部性：最近的未来用到的信息很可能是现在正在使用的信息 因为程序存在循环 空间局部性：最近的未来用到的信息很可能与现在正