第07章 存储系统.ppt

计算机组成与结构 第七章 存储系统 第七章 存储系统 7.1 存储系统的层次结构 7.2 高速缓冲存储器Cache 7.3 虚拟存储器 7.4 相联存储器 7.5 存储保护 本章学习目标 熟悉存储系统的层次结构； 掌握Cache存储器工作原理； 掌握Cache存储器组织的三种方法：地址映像、全相联映像、组相联映像； 熟悉Cache存储器替换算法、Cache一致性解决方案； 熟悉虚拟存储器的基本概念、分类、层次结构、完整的工作过程； 掌握段式虚拟存储器的原理、方法、地址映射方法； 掌握页式虚拟存储器的原理、方法、地址映射方法； 熟悉段页式虚拟存储器的原理、方法、地址映射方法； 熟悉相联存储器的原理、结构，了解其应用； 熟悉存储保护的原理、分类。 7.1 存储系统的层次结构 — 存储系统性能指标 存储系统 存储器的性能指标： 速度：用存储器的访问周期（又称存储周期、存取周期、读写周期等）、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：用单位容量的价钱表示。 7.1 存储系统的层次结构 — 存储系统定义及特点 存储系统 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、或软硬件相结合的方法连接起来构成的系统。 存储系统特点： 对应用程序员透明 速度：接近速度最快的存储器 容量：与容量最大的存储器相等或接近 单位容量的价格：接近最便宜的存储器 7.1 存储系统的层次结构 — Cache存储系统 存储系统 Cache－主存 存储系统： 主要目标：提高存储器的速度。 由Cache和主存储器构成，完全由硬件实现。 程序员视角：对程序员透明，Cache的速度、主存的容量与价格。 7.1 存储系统的层次结构 — 虚拟存储系统 存储系统 虚拟（主存－辅存）存储系统 主要目标：增加存储容量。 由主存和辅存构成，由软件与硬件结合的方法实现。 程序员视角：对应用程序员透明，主存的速度、辅存的容量与价格。 7.1 存储系统的层次结构 — 存储系统层次结构 存储系统层次结构 7.2 高速缓冲存储器Cache — 程序访问局部性原理 Cache存储器工作原理 程序访问的局部性原理 短时间内，由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内，在此范围内的地址被频繁访问，范围以外的地址较少访问。 程序访问局部性包括时间局部和空间局部 7.2 高速缓冲存储器Cache — Cache原理 Cache存储器工作原理 高速缓冲存储器Cache： 在主存与CPU之间设置的速度快、容量小的（静态）存储器。 Cache中存有部分主存的副本，当需存取该部分主存时，可直接访问Cache，省去了较长的访存时间。 Cache存储器的工作速度是主存的数倍，全部功能由硬件实现，对程序员透明。 7.2 高速缓冲存储器Cache — Cache存储空间划分 Cache存储器工作原理 Cache结构（存储空间划分） 将主存与Cache划分成容量相等的小块。 Cache块存储某个主存块的副本。 主存的存取操作可转化为Cache存储器的存取操作，提高了指令或数据的存取速度。 为了便于管理，每个Cache块还需附加一些标记： 主存块号标记：用以标明该Cache块是哪个主存块的副本。 有效位标记：表示该Cache块是否有效。 脏位Dirty标记：表示该Cache块内容是否被改写。 7.2 高速缓冲存储器Cache — Cache存储空间划分图示 Cache存储器工作原理 7.2 高速缓冲存储器Cache — Cache访问 Cache存储器工作原理 Cache存取访问 主存地址高m位（块号）或部分位与Cache块的主存块号标记比较，根据比较结果区分两种情况： 相等，即Cache命中： 需要的主存内容已经在该Cache块中，直接访问Cache，不必再访存。 不相等，即Cache不命中： 需要的主存内容尚未在Cache中，需访问主存。 同时还需将包含该内容的主存块整个复制到某个Cache块中。根据程序访问的局部性原理，此后程序还将频繁存取该字块的内容。 7.2 高速缓冲存储器Cache — Cache效率 Cache存储器工作原理 Cache效率： Cache效率的评价：命中率与失效率 CPU要访问的信息在Cache中的比率称为命中率。 影响Cache效率的重要因素： Cache容量 块的大小 替换策略：新块替换旧块的方法 替换原则：尽量使被替换掉的字块在下一时段最少使用。 7.2 高速缓冲存储器Cache — Cache与主存的一致性 Cache存储器工作原理 Cache与主存的一致性问题： 在对Cache进行写操作时，可能造成主存块与Cache块（主存块的副本）内容