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计算机系统结构(第三章).ppt

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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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