本科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件 chapter4-1

第四章存儲(chǔ)體系

概述現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都以存儲(chǔ)器為中心在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，存儲(chǔ)器是各種信息存儲(chǔ)和交換的中心存儲(chǔ)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸，CPU與主存儲(chǔ)器的速度差距越來(lái)越大1955年，第一臺(tái)大型機(jī)IBM704，CPU和主存儲(chǔ)器的工作周期均為12微秒，目前，CPU的工作速度提高了4個(gè)數(shù)量級(jí)以上，主存儲(chǔ)器的工作速度僅提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。概述（續(xù)）存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何組織好速度、容量和價(jià)格均不相同的存儲(chǔ)器使這個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量與容量最大的那個(gè)存儲(chǔ)器相等單位容量的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲(chǔ)器。三大因素：速度、容量、價(jià)格LevelsinMemoryHierarchyCPUregsCacheMemorydisksize:speed:$/Mbyte:blocksize:200B3ns8BRegisterCacheMemoryDiskMemory32KB/4MB6ns$100/MB32B128MB60ns$1.50/MB8KB20GB8ms$0.05/MBlarger,slower,cheaper8B32B8KBcachevirtualmemoryMemoryHierarchyRegistersLevel1cacheLevel2CacheMemoryDiskTypicalSize4-64<16Kbytes<2Mbytes<16Gigabytes>5GigabytesAccessTime1nsec3nsec15nsec150nsec5,000,000nsecBandwidth(inMB/sec)10,000–50,0002000-5000500-1000500-1000100ManagedByCompilerHardwareHardwareOSOS/User各級(jí)存儲(chǔ)器的主要性能特性存儲(chǔ)器層次通用寄存器緩沖棧Cache存儲(chǔ)周期<10ns<10ns10-60ns存儲(chǔ)容量<512B<512B8K-2MB價(jià)格$c/KB1200803.2訪問(wèn)方式直接譯碼先進(jìn)先出相聯(lián)訪問(wèn)材料工藝ECLECLSRAM分配管理編譯器分配硬件調(diào)度硬件調(diào)度帶寬400-8000400-1200200-800（待續(xù)）各級(jí)存儲(chǔ)器的主要性能特性（續(xù)）存儲(chǔ)器層次磁盤存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)周期10-30ms60-300ns存儲(chǔ)容量1G-1TB32M-1GB價(jià)格$c/KB0.010.36訪問(wèn)方式塊訪問(wèn)隨機(jī)訪問(wèn)材料工藝磁表面DRAM分配管理系統(tǒng)/用戶操作系統(tǒng)帶寬10-10080-160脫機(jī)存儲(chǔ)器2-20min5G-10TB0.0001文件組磁、光等系統(tǒng)/用戶0.2-0.6目錄存儲(chǔ)體系的概念虛擬存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）Cache-主存-輔存三級(jí)層次主存保護(hù)（自學(xué)）

§1存儲(chǔ)體系的形成與性能

存儲(chǔ)體系及其分支

存儲(chǔ)體系的構(gòu)成依據(jù)存儲(chǔ)體系的性能參數(shù)

存儲(chǔ)系統(tǒng)在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，通常有多種存儲(chǔ)器種類：主存儲(chǔ)器、Cache、通用寄存器、先行緩沖存儲(chǔ)器、磁盤存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等材料工藝：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM

訪問(wèn)方式：直接譯碼、先進(jìn)先出、隨機(jī)訪問(wèn)、相聯(lián)訪問(wèn)、塊傳送、文件組存儲(chǔ)系統(tǒng)（續(xù)）存儲(chǔ)器的主要性能：速度、容量、價(jià)格速度用存儲(chǔ)器的訪問(wèn)周期、讀出時(shí)間、頻帶寬度等表示容量用字節(jié)B、千字節(jié)KB、兆字節(jié)MB和千兆字節(jié)GB等單位表示價(jià)格用單位容量的價(jià)格表示，如$/bit訪問(wèn)速度越來(lái)越快通用寄存器堆指令和數(shù)據(jù)緩沖Cache(SRAM)主存儲(chǔ)器（DRAM）聯(lián)機(jī)外部存儲(chǔ)器脫機(jī)外部存儲(chǔ)器每位的價(jià)格越來(lái)越便宜存儲(chǔ)容量越來(lái)越大CPU

內(nèi)部存儲(chǔ)體系的形成與分支

主、輔存之間不能構(gòu)成完整的整體，采用程序覆蓋技術(shù)解決；采用操作系統(tǒng)自動(dòng)定位技術(shù)，形成一個(gè)整體，速度接近于主存，容量是輔存，價(jià)格接近輔存；虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)虛地址：虛存地址、虛擬地址、邏輯地址、程序地址、虛存容量、程序空間物理地址、實(shí)（存）地址、主存容量、實(shí)存容量、實(shí)（主）存空間

存儲(chǔ)體系的定義兩個(gè)或兩個(gè)以上速度、容量和價(jià)格各不相同的存儲(chǔ)器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來(lái)成為一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序員透明。從應(yīng)用程序員看，它是一個(gè)存儲(chǔ)器。這個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量與容量最大的那個(gè)存儲(chǔ)器相等單位容量的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲(chǔ)器。解決速度CPU中設(shè)置通用寄存器

采用存儲(chǔ)器的多體交叉并行存取采用存儲(chǔ)層次

Cache主存-輔存存儲(chǔ)層次（容量）主存輔存輔助軟硬設(shè)備從整體上看，速度是主存的，容量是輔存的。Cache-主存存儲(chǔ)層次（速度）高速緩沖Cache主存M輔助硬件設(shè)備從CPU看，速度是Cache的，容量是輔存的。高速緩沖CacheCPU多級(jí)存儲(chǔ)層次CPUM1M2M3Mn存儲(chǔ)體系（層次）存儲(chǔ)體系的構(gòu)成依據(jù)要求未被訪問(wèn)信息的地址能預(yù)知；時(shí)間和空間上的局部性預(yù)知的準(zhǔn)確性是存儲(chǔ)層次設(shè)計(jì)的好壞的主要標(biāo)志取決于所用算法和地址映像變換的方式存儲(chǔ)體系的性能參數(shù)

存儲(chǔ)層次的每位價(jià)格

如兩級(jí)容量差異大，則實(shí)現(xiàn)級(jí)間地址映像和地址變換困難，效率降低命中率H

CPU產(chǎn)生的邏輯地址能在M1中訪問(wèn)到（命中到）的概率。H與地址預(yù)知算法及M1的容量有關(guān)H----1好

存儲(chǔ)層次的等效訪問(wèn)時(shí)間

訪問(wèn)效率訪問(wèn)效率說(shuō)明R-1越好

R取決于個(gè)層次的各級(jí)器件和設(shè)備特性，命中率，容量及替換算法有關(guān)。E-1H在r較大時(shí)，H要高。r=100,為使e>0.9

必須H>0.998r=2,為使e>0.9H>0.889如兩級(jí)速度差異很大，提高H。

訪問(wèn)效率m=160.20.40.60.81.00.20.40.60.81.0命中率r=2r=10r=100r=1存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題