【计算机】计算机体系结构（全书3）.pptVIP

计算机系统结构 第一章 基本概念 第二章 指令系统 第三章 存储系统 第四章 输入输出系统 第五章 标量处理机 第六章 向量处理机 第七章 互连网络 第八章 并行处理机 第九章 多处理机 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 3.1 存储系统原理 3.2 虚拟存储器 3.3 高速缓冲存储器(Cache) 3.4 三级存储系统 3.1 存储系统原理 什么是存储系统(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？ 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 在一台计算机中，通常有多种存储器 种类：主存储器、Cache、通用寄存器、先行缓冲存储器、磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等 材料工艺：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM 访问方式：直接译码、先进先出、随机访问、相联访问、块传送、文件组 1、存储系统(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存储系统。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。 2.单位容量的平均价格C 整个存储系统的平均单位容量价格可以这样来计算： C = （C1*S1 + C2*S2）/（S1 + S2） 因此，整个存储系统的单位容量价格C接近于比较便宜的M2存储器的单位容量价格C2。但是S2 与 S1不能相差太大。否则，存储系统要达到比较高的性能，调度起来很困难。 2.单位容量的平均价格C 整个存储系统的平均单位容量价格可以这样来计算： C = （C1*S1 + C2*S2）/（S1 + S2） 因此，整个存储系统的单位容量价格C接近于比较便宜的M2存储器的单位容量价格C2。但是S2 与 S1不能相差太大。否则，存储系统要达到比较高的性能，调度起来很困难。 3.访问周期T 要使存储系统的速度与相对比较快的那个存储器的速度接近，有2条途径: 一条是提高命中率H。 另一条是使构成存储系统的两个存储器的速度之比不要太大。 3.1.3 频带平衡 使计算机系统中各级存储器的频带达到平衡，使系统结构设计者的一项重要工作。一般来说，有3条途径可以解决存储器的频带平衡问题。 1.多个存储器并行工作，并且用并行访问和交叉访问等方法提高存储器的访问速度。 2.设置各种缓冲存储器。 3.采用储存系统，特别是Cache存储系统。 3.1.4 并行存储器 1.并行访问存储器 在具体实现时，把地址码分成两个部分，其中一部分仍作为存储器的地址去访问存储器，而另一部分则去控制一个多路选择器，从同时读出的n个数据中选择一个数据输出。 并行访问存储器的优点是非常简单、容易。主要缺点是访问的冲突大，主要冲突来自如下几个方面： （1）取指令冲突。 （2）读操作数冲突。 （3）写数据冲突。 （4）读写冲突。 2.交叉访问存储器 交叉访问存储器通常有两种工作方式，一种是地址码高位交叉，另一种是地址码低位交叉。 高位交叉访问存储器：地址码的低位部分是各个存储体的体内地址，高 位部分用来区分存储体的体号。 低位交叉访问存储器：地址码的低位部分是组成主存储器的各个存储体的体号，高位部分是各个存储体的体内地址 3.2 虚拟存储器 1961年英国曼彻斯特大学Kilbrn等人提出70年代广泛地应用于大中型计算机系统中目前许多微型机也开始使用虚拟存储器 3.2.1 虚拟存储器工作原理 3.2.2 地址的映象和变换方法 3.3.3 加快内部地址变换速度的方法 3.3.4 页面替换算法及其实现方法 3.2.1 虚拟存储器工作原理 页式虚拟存储器是虚拟存储器中用得比较广泛的一种，另外的段式虚拟存储器河段页式虚拟存储器主要是因为地址变换方法不同产生的。 一个用户程序要访问虚拟存储器时，必须给出多用户虚拟地址Av。在操作系统和有关硬件的共同管理下，首先进行内部地址变化。如果变化成功，得到主存实页号批，，而多用户虚拟地址中的页内偏移D可以直接作为主存实地址中的页内偏移d