《计算机系统结构（第2版）》清华课件第3章.ppt

计算机系统结构 第三章 存储系统 第3章 存储系统 现代计算机系统以存储器为中心 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 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、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：随机访问、直接译码、先进先出、 相联访问、 块传送、文件组 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，例如：$C/bit。 组成存储系统的关键：把速度、容量和价格不同的多个物理存储器组织成一个存储器，这个存储器的速度最快，存储容量最大，单位容量的价格最便宜。 1. 存储系统的定义 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。这个存储系统对应用程序员是透明的，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。 虚拟存储器系统：对应用程序员透明 Cache存储系统：对系统程序员以上均透明 2.存储系统的容量 要求： 提供尽可能大的地址空间 能够随机访问 方法有两种： 只对系统中存储容量最大的那个存储器进行编址，其他存储器只在内部编址或不编址 Cache存储系统 另外设计一个容量很大的逻辑地址空间，把相关存储器都映射这个地址空间中 虚拟存储系统 3.存储系统的价格 计算公式： 当S2》S1时，C≈C2 S2与S1不能相差太大 4. 存储系统的速度 表示方法：访问周期、存取周期、存储周期、存取时间等 命中率定义：在M1存储器中访问到的概率 其中：N1是对M1存储器的访问次数 N2是对M2存储器的访问次数 访问周期与命中率的关系： T＝HT1＋(1－H)T2 当命中率H→1时，T→T1 存储系统的访问效率： 访问效率主要与命中率和两级存储器的速度之比有关 例3.1：假设T2＝５T１，在命中率H为0.9和0.99两种情况下，分别计算存储系统的访问效率。 解： 提高存储系统速度的两条途径： 一是提高命中率H， 二是两个存储器的速度不要相差太大 其中：第二条有时做不到(如虚拟存储器)，这时，只能依靠提高命中率 例3.2：在虚拟存储系统中，两个存储器的速度相差特别悬殊，例如：T2＝105 T１。如果要使访问效率到达e＝0.9，问需要有多高的命中率？ 解： 计算公式： 其中：H’是采用预取技术之后的命中率 H是原来的命中率 n为数据块大小与数据重复使用次数的乘积 解方程组： 由方程(1)得到：0.9H+90000-90000H=1 证明方法一： 采用预取技术之后， 不命中率(1-H)降低ｎ倍： 证明方法二： 在原有命中率的计算公式中，把访问次数扩大到n倍。由于采用了预取技术，命中次数为：nN1＋(n-1)N2,不命中次数仍为N2，因此新的命中率为： 3.1.2 存储系统的层次结构 多个层次的存储器： 　 第1层：Register Files(寄存器堆) 第2层： Buffers(Lookahead)(先行缓冲站) 　 第3层： Cache(高速缓冲存储器) 第4层： Main Memory(主存储器) 第5层： Online Storage(联机存储器) 第6层： Off-line Storage(脱机存储器) 用i表示层数，则有：工作周期Ti＜Ti+1， 存储容量：Si＜Si+1，单位价格：Ci＞Ci+1 各级存储器的主要主要性能特性 CPU与主存储器的速度差距越来越大 目前相差两个数量级 今后CPU与主存储器的速度差距会更大 3.1.3 存储系统的频带平衡 例3.5：Pentium4的指令执行速度为8GIPS，CPU取指令8GW/s，访问数据16GW/s，各种输入输出设备访问存储器1GW/s，三项相加，要求存储器的频带宽度不低于25GW/s。 如果采用PC133内存，主存与CPU速度差188倍 如果采用PC266内存，主存与CPU速度差94倍 解决存储器频带平衡方法 (1)多个存储器并行工作（本节下面介绍） (2)设置各种缓冲存储器（第五章介绍）