第2章-存儲系統(tǒng)(第08講)

計算機組成與系統(tǒng)結構第二章存儲系統(tǒng)（第08講）

1第二章存儲系統(tǒng)早期:計算機以運算器為中心目前:以存儲器為中心控制器輸入設備存儲器輸出設備運算器結果數據取數存數輸入命令輸出命令說明:實線：控制線虛線：反饋線粗線：數據線22.1.1對存儲系統(tǒng)的性能要求

1.存儲系統(tǒng)的成本:(1)每位成本:P=C/S;C—總價,S—容量

(2)舉例：內存、硬盤、光盤2.1分級存儲體系的形成32.存取速度：

(1)由存儲器工藝和容量決定.(2)存取時間、存儲周期

存取時間TA(MemoryAccessTime)

它是指存儲器接收到CPU發(fā)來的讀寫信號和單元地址開始，到讀出或者寫入數據所需的時間。分為讀出時間和寫入時間。2.1.1對存儲系統(tǒng)的性能要求4

存儲周期TM(MemoryCycleTime)它是指連續(xù)兩次讀寫存儲器所需的最小時間間隔。例如：連續(xù)兩次讀，連續(xù)兩次寫，或者一次讀、一次寫。

存取時間TA和存儲周期TM的聯(lián)系(1)TA和TM都是反映存儲器存取速度的指標.(2)一般，TM>TA。(TM=TA+存儲單元的恢復穩(wěn)定時間)2.1.1對存儲系統(tǒng)的性能要求53.存儲器帶寬BM

：(1)指每秒訪問的二進制位的數目。(2)BM=W/TM(存儲器的數據寬度/存儲周期)

(3)舉例：

若TM=500ns，每周期訪問16位,則

BM=16b/500ns=32Mb/s

(4)提高BM可從以下三方面入手:使TM

使W

增加存儲體2.1.1對存儲系統(tǒng)的性能要求64.存儲容量C：

(1)指計算機存儲信息的能力,即最大的二進制信息量.(2)它表示了在一個存儲器中可以容納的存儲單元總數。(3)用b或B表示.(4)表示存儲器容量常用單位(5)常用程序主存

速度

主存

不常用輔存

容量

輔存2.1.1對存儲系統(tǒng)的性能要求7單位K(kilo)M(mega)G(giga)T(tera)表示存儲器容量常用的單位8字地址：存放一個機器字的存儲單元，稱為字存儲單元，相應的單元地址叫字地址。字節(jié)地址：存放一個字節(jié)的存儲單元，稱為字節(jié)存儲單元，相應的單元地址叫字節(jié)地址。字尋址計算機：計算機中可編址的最小單位是字存儲單元字節(jié)尋址計算：計算機中可編址的最小單位是字節(jié)存儲單元。95.信息的可靠保存性,非易失性和可更換性(1)有源存儲器:例半導體存儲器靠電源才能存信息.

(2)無源存儲器:磁盤,磁帶等輔存中的信息關電后不會丟失

(3)非易失性:即掉電時,信息不會丟失.(4)ROM、RAMROM—只讀存取存儲器，非易失性的

RAM—隨機存取存儲器，易失性的2.1.1對存儲系統(tǒng)的性能要求10判斷：下列存儲器哪些是易失性的？那些是非易失性的？哪些是有源存儲器？哪些是無源存儲器？動態(tài)RAM、靜態(tài)RAM、ROM、磁盤、光盤116.存取方式:指存取信息的次序或時序的約束.

(1)

RAM(RandomAccessMemory):隨機存取存儲器,能以任意次序讀寫存儲單元,讀寫時間與所讀單元的地址無關,如主存,磁盤等.其尋址部件較復雜,價貴.

(2)順序存取存儲器:只能以某種預先確定的順序讀寫存儲單元,如磁帶,它只能先讀寫外圈,后讀寫內圈.(SAM)sequential-accessmemory

2.1.1對存儲系統(tǒng)的性能要求12結論:評價存儲器的三個基本指標:C(Capacity)+C(Cost)+A(AccessSpeed)2.1.1對存儲系統(tǒng)的性能要求13補充：存儲器分類按存儲介質分：半導體存儲器：用半導體器件組成的存儲器。磁表面存儲器：用磁性材料做成的存儲器。光存儲器:利用光學原理制成的存儲器稱為光存儲器，主要是光盤14補充：存儲器分類按存儲器的讀寫功能分：

只讀存儲器(ROM)：存儲的內容是固定不變的，只能讀出而不能寫入的半導體存儲器。隨機讀寫存儲器(RAM)：既能讀出又能寫入的半導體存儲器。15補充：存儲器分類按存儲方式分：隨機存取存儲器(RAM)：可按地址隨機地訪問任意存儲單元；CPU可按字節(jié)或按字存取數據，進行處理；訪問各存儲單元所需的讀/寫時間相同，與地址無關。主存與高速緩存Cache是CPU可以直接編址訪問的存儲器—采用隨機訪問的存取方式。順序存取存儲器(SAM)sequential-accessmemory

16補充：存儲器分類按存儲方式分：順序存取存儲器(SAM)：

只能按某種順序來存取數據，存取時間和存儲單元的物理位置有關。如磁帶。17補充：存儲器分類按信息的可保存性分：

非永久記憶的存儲器：斷電后信息即消失的存儲器。如半導體存儲器、電荷存儲型存儲器永久記憶的存儲器：斷電后仍能保存信息的存儲器。如磁盤、磁帶182.1分級存儲體系的形成2.1.2存儲系統(tǒng)的分層結構1.計算機應用對存儲器要求的矛盾:

SC(價),C(價)CS192.1.2存儲系統(tǒng)的分層結構用戶要求存儲器的容量大,速度快.為解決容量、速度、價格的矛盾,有效的措施是實現分級存儲.

片外CACHE主存硬盤片內CACHE寄存器CPU內CPU內CPU外磁帶存儲價格升高CPU訪問頻度增加存儲價格降低CPU訪問頻度減少20存儲系統(tǒng)的分級結構2.1.2存儲系統(tǒng)的分層結構21存儲系統(tǒng)的層次結構可以解決的問題：解決了價格、容量、速度這3個基本指標之間的矛盾。存儲器層次結構可以提高計算機存儲系統(tǒng)性能/價格比，即：在速度方面接近最高級的存儲器，在容量和價格方面接近最低級的存儲器。

2.1.2存儲系統(tǒng)的分層結構222.存儲器訪問的局部性

它是存儲器層次的設計思想，也是實現存儲器層次結構的先決條件。

空間局部性時間局部性主存主存2.1.2存儲系統(tǒng)的分層結構23實現存儲系統(tǒng)的層次結構的先決條件（基礎）：存儲器訪問的局部性，即：時間局部性和空間局部性。時間上的局部性指的是當前正在使用的信息很可能是后面立刻還要使用的信息。空間上的局部性是指連續(xù)使用到的信息很可能在存儲空間上相鄰或者相近。

2.1.2存儲系統(tǒng)的分層結構24分層結構局部性原理是存儲系統(tǒng)層次結構技術可行性的基礎.一般:CPU頻繁訪問的信息高速存儲器中CPU不頻繁訪問的信息低速存儲器中2.1.2存儲系統(tǒng)的分層結構25例:二級存儲器系統(tǒng),第一級容量為1KB,訪問時間1

S；

第二級容量為1MB,訪問時間10

S。CPU先訪問第一級,如不在,就由第二級送至第一級.若信息可從第一級100%(或90%)取得,分別求平均訪問時間？解:100%時:TA=1*100%+10*0%=1

S90%時:TA=1*90%+10*10%=1.9

S結論:提高第一級的訪問時間的比率可使平均訪問時間接近(或等于)第一級的速度.263.命中率和訪問周期(1)命中率是存儲器層次結構的度量方法。(2)命中率(Hit):即要訪問的信息正好在這一級中的概率,即命中的訪問次數與總訪問次數之比.最主要的是,CPU產生的邏輯地址能在內存中訪問到的概率.Hit與傳送信息塊的大小,這一級的存儲器的容量和存儲策略等有關.容量大+調度得當

H

2.1.2存儲系統(tǒng)的分層結構27(3)平均訪問時間TA與H密切相關.2.1.2存儲系統(tǒng)的分層結構舉例:有一兩級存儲系統(tǒng),由M1和M2組成,其中M1的訪問次數為R1,M2的訪問次數為R2,訪問時間分別為TA1和TA2

命中率H=

R1+R2

,則CPU對整個存儲系統(tǒng)的平均訪問時間

TA=H.TA1+(1-H).TA2

若相鄰兩級的訪問周期比值r=

TA2/TA1,,

存儲層次的訪問效率e=TA1/TA

則e=TA1/TA

=H+(1-H)r=r+(1-r)HR11128存儲系統(tǒng)的追求目標:當e1,即TA

TA1(較快一級的存儲器訪問時間)為提高e,可從兩方面入手:

提高H值:即擴充最高一級存儲器的容量高代價

降低r值:當r=100,要使e>0.9H>0.998

當r=2,要使e>0.9H只需>0.889注意:相鄰兩級存儲器的速度差異不能太大,在cache—主存系統(tǒng)中,取r=5-7為好.在主存—磁盤層次中,r=104,這很不理想,其間有很大空檔,從r不能太大的觀點出發(fā),最好應有一種S-C-C介于其間的存儲器作為中間層次.29有關訪問時間的計算：te=hctc+(1-hc)tmte=hctc+(1-hc)(tc+tm)=tc+(1-hc)tm**CACHE主存tm：主存的訪問時間te：訪問整個存儲器的有效平均時間tc

：CACHE的訪問時間hc：CACHE的命中率30片內CACHEte2=tc1+(1-hc1)te片外CACHE主存te2=tc1+(1-hc1)(tc2+(1-hc2)tm)二級CACHEtm：主存的訪問時間te2：訪問整個存儲器的有效平均時間tc1：片內CACHE的訪問時間tc2：片外CACHE的訪問時間hc1：片內CACHE的命中率hc2：片外CACHE的命中率31片內CACHEte2=tc1+(1-hc1)te片外CACHEte2=tc1+(1-hc1)(tc2+(1-hc2)tm)te2=tc1+(1-hc1)(tc2+(1-hc2)(tmemory+(1-hm)tdisk))主存1-10ns10-20ns50ns10mstmemory

：主存的訪問時間te2：訪問整個存儲器的有效平均時間hm：主存的命中率32考試題：

假定處理機訪問CACHE的時間tc=8ns,訪問存儲器的時間tm=50ns,硬盤的訪問時間tdisk=200ms。當CACHE的命中率hc=0.9和存儲器的命中率hm=0.5時，試計算CACHE-主存-硬盤層次的虛擬存儲器訪問的平均有效時間te。答案：10.000013ms33例題：某計算機系統(tǒng)的內存儲器由Cache和主存構成，Cache的存取周期為45ns,主存的存取周期為200ns。已知在一段給定的時間內，CPU共訪問內存4500次，其中340次訪問主存，問：1．Cache的命中率是多少？2．CPU訪問內存的平均時間是多少納秒？3．Cache-主存系統(tǒng)的效率是多少？

34解：1.命中率=(4500-340)/4500=0.922.平均時間=0.92*45+(1-0.92)*200=57.4ns3.效率=45/57.4*100%=78%

35解：主存-硬盤層次的虛擬存儲器訪問的平均有效時間：

te1=hm

tm+（1-hm）（tm

+tdisk）=tm+（1-hm）tdisk

（評分標準：2分