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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 3.1.1 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 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,如$/bit 存储系统的关键是如何组织好速度、容量和价格均不相同的存储器,使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。 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。 在一般计算机系统中主要有两种存储系统:Cache存储系统:由Cache和主存储器构成 主要目的:提高存储器速度虚拟存储系统:由主存储器和磁盘存储器构成 主要目的:扩大存储器容量 2、存储系统的容量 要求:存储系统的容量等于M2存储器的容量提供尽可能大、能随机访问的地址空间 方法有两种:只对M2存储器进行编址,M1存储器只在内部编址另外设计一个容量很大的逻辑地址空间 3、存储系统的单位容量平均价格 计算公式: S2S1时, C≈C2, 但 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、读出时间等 命中率定义:在M1存储器中访问到的概率 N1: M1的访问次数 N2: M2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: 存储系统的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: 当H=0.9时, e1=1/(0.9+5(1?0.9))=0.72 当H=0.99时, e2=1/(0.99=5(1?0.99))=0.96 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),主要依靠提高命中率 例3.2: 在虚拟存储系统中,两级存储器的速度相差特别悬殊T2=105T1。如果要使访问效率e=0.9,问需要有多高的命中率? 解: 得: H=0.999998888877777...≈0.999999 5、采用预取技术提高命中率 方法:不命中时,把M2存储器中相邻几个单元组成的一个数据块都取出来送入M1存储器中。 计算公式: 数据重复使用次数的乘积 证明: 采用预取技术之后,不命中率降低n倍: 也可以采用另外一种证明方法:在原有命中率计算公式中,把访问次数扩大到n倍,这时,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: 例3.3: 在一个Cache存储系统中,当Cache的块大小为一个字时,命中率H=0.8;假设数据的重复利用率为5,计算块大小为4个字时,Cache存储系统的命中率是多少?假设T2=5T1,分别计算访问效率。 解: n=4?5=20, 采用预取技术后, 命中率提高到: Cache块为1个字大时, H=0.8, 访问效率为:Cache块为4个字大时, H=0.99, 访问效率为: 例3.4: 在一个虚拟存储系统中,T2=105 T1,原来的命中率只有0.8,如果访问磁盘存储器的数据块大小为4K字,并要求访问效率不低于0.9,计算数据在主存储器中的重复利用率至少为多少? 解:
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