第2章-存儲(chǔ)系統(tǒng)(第08講)

計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二章存儲(chǔ)系統(tǒng)（第08講）

1第二章存儲(chǔ)系統(tǒng)早期:計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為中心目前:以存儲(chǔ)器為中心控制器輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備運(yùn)算器結(jié)果數(shù)據(jù)取數(shù)存數(shù)輸入命令輸出命令說明:實(shí)線：控制線虛線：反饋線粗線：數(shù)據(jù)線22.1.1對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求

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

(2)舉例：內(nèi)存、硬盤、光盤2.1分級(jí)存儲(chǔ)體系的形成32.存取速度：

(1)由存儲(chǔ)器工藝和容量決定.(2)存取時(shí)間、存儲(chǔ)周期

存取時(shí)間TA(MemoryAccessTime)

它是指存儲(chǔ)器接收到CPU發(fā)來的讀寫信號(hào)和單元地址開始，到讀出或者寫入數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。分為讀出時(shí)間和寫入時(shí)間。2.1.1對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求4

存儲(chǔ)周期TM(MemoryCycleTime)它是指連續(xù)兩次讀寫存儲(chǔ)器所需的最小時(shí)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(shí)間TA和存儲(chǔ)周期TM的聯(lián)系(1)TA和TM都是反映存儲(chǔ)器存取速度的指標(biāo).(2)一般，TM>TA。(TM=TA+存儲(chǔ)單元的恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間)2.1.1對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求53.存儲(chǔ)器帶寬BM

：(1)指每秒訪問的二進(jìn)制位的數(shù)目。(2)BM=W/TM(存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度/存儲(chǔ)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(chǔ)體2.1.1對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求64.存儲(chǔ)容量C：

(1)指計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的能力,即最大的二進(jìn)制信息量.(2)它表示了在一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)。(3)用b或B表示.(4)表示存儲(chǔ)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(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求7單位K(kilo)M(mega)G(giga)T(tera)表示存儲(chǔ)器容量常用的單位8字地址：存放一個(gè)機(jī)器字的存儲(chǔ)單元，稱為字存儲(chǔ)單元，相應(yīng)的單元地址叫字地址。字節(jié)地址：存放一個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元，稱為字節(jié)存儲(chǔ)單元，相應(yīng)的單元地址叫字節(jié)地址。字尋址計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)中可編址的最小單位是字存儲(chǔ)單元字節(jié)尋址計(jì)算：計(jì)算機(jī)中可編址的最小單位是字節(jié)存儲(chǔ)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(chǔ)器:例半導(dǎo)體存儲(chǔ)器靠電源才能存信息.

(2)無源存儲(chǔ)器:磁盤,磁帶等輔存中的信息關(guān)電后不會(huì)丟失

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

RAM—隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，易失性的2.1.1對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求10判斷：下列存儲(chǔ)器哪些是易失性的？那些是非易失性的？哪些是有源存儲(chǔ)器？哪些是無源存儲(chǔ)器？動(dòng)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(shí)序的約束.

(1)

RAM(RandomAccessMemory):隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,能以任意次序讀寫存儲(chǔ)單元,讀寫時(shí)間與所讀單元的地址無關(guān),如主存,磁盤等.其尋址部件較復(fù)雜,價(jià)貴.

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

2.1.1對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求12結(jié)論:評(píng)價(jià)存儲(chǔ)器的三個(gè)基本指標(biāo):C(Capacity)+C(Cost)+A(AccessSpeed)2.1.1對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求13補(bǔ)充：存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器。磁表面存儲(chǔ)器：用磁性材料做成的存儲(chǔ)器。光存儲(chǔ)器:利用光學(xué)原理制成的存儲(chǔ)器稱為光存儲(chǔ)器，主要是光盤14補(bǔ)充：存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)器的讀寫功能分：

只讀存儲(chǔ)器(ROM)：存儲(chǔ)的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而不能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器(RAM)：既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。15補(bǔ)充：存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)方式分：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)：可按地址隨機(jī)地訪問任意存儲(chǔ)單元；CPU可按字節(jié)或按字存取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理；訪問各存儲(chǔ)單元所需的讀/寫時(shí)間相同，與地址無關(guān)。主存與高速緩存Cache是CPU可以直接編址訪問的存儲(chǔ)器—采用隨機(jī)訪問的存取方式。順序存取存儲(chǔ)器(SAM)sequential-accessmemory

16補(bǔ)充：存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)方式分：順序存取存儲(chǔ)器(SAM)：

只能按某種順序來存取數(shù)據(jù)，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)。如磁帶。17補(bǔ)充：存儲(chǔ)器分類按信息的可保存性分：

非永久記憶的存儲(chǔ)器：斷電后信息即消失的存儲(chǔ)器。如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、電荷存儲(chǔ)型存儲(chǔ)器永久記憶的存儲(chǔ)器：斷電后仍能保存信息的存儲(chǔ)器。如磁盤、磁帶182.1分級(jí)存儲(chǔ)體系的形成2.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)1.計(jì)算機(jī)應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)器要求的矛盾:

SC(價(jià)),C(價(jià))CS192.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)用戶要求存儲(chǔ)器的容量大,速度快.為解決容量、速度、價(jià)格的矛盾,有效的措施是實(shí)現(xiàn)分級(jí)存儲(chǔ).

片外CACHE主存硬盤片內(nèi)CACHE寄存器CPU內(nèi)CPU內(nèi)CPU外磁帶存儲(chǔ)價(jià)格升高CPU訪問頻度增加存儲(chǔ)價(jià)格降低CPU訪問頻度減少20存儲(chǔ)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)2.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)21存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)可以解決的問題：解決了價(jià)格、容量、速度這3個(gè)基本指標(biāo)之間的矛盾。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)可以提高計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)性能/價(jià)格比，即：在速度方面接近最高級(jí)的存儲(chǔ)器，在容量和價(jià)格方面接近最低級(jí)的存儲(chǔ)器。

2.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)222.存儲(chǔ)器訪問的局部性

它是存儲(chǔ)器層次的設(shè)計(jì)思想，也是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的先決條件。

空間局部性時(shí)間局部性主存主存2.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)23實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)的先決條件（基礎(chǔ)）：存儲(chǔ)器訪問的局部性，即：時(shí)間局部性和空間局部性。時(shí)間上的局部性指的是當(dāng)前正在使用的信息很可能是后面立刻還要使用的信息?？臻g上的局部性是指連續(xù)使用到的信息很可能在存儲(chǔ)空間上相鄰或者相近。

2.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)24分層結(jié)構(gòu)局部性原理是存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)技術(shù)可行性的基礎(chǔ).一般:CPU頻繁訪問的信息高速存儲(chǔ)器中CPU不頻繁訪問的信息低速存儲(chǔ)器中2.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)25例:二級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第一級(jí)容量為1KB,訪問時(shí)間1

S；

第二級(jí)容量為1MB,訪問時(shí)間10

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

S90%時(shí):TA=1*90%+10*10%=1.9

S結(jié)論:提高第一級(jí)的訪問時(shí)間的比率可使平均訪問時(shí)間接近(或等于)第一級(jí)的速度.263.命中率和訪問周期(1)命中率是存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的度量方法。(2)命中率(Hit):即要訪問的信息正好在這一級(jí)中的概率,即命中的訪問次數(shù)與總訪問次數(shù)之比.最主要的是,CPU產(chǎn)生的邏輯地址能在內(nèi)存中訪問到的概率.Hit與傳送信息塊的大小,這一級(jí)的存儲(chǔ)器的容量和存儲(chǔ)策略等有關(guān).容量大+調(diào)度得當(dāng)

H

2.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)27(3)平均訪問時(shí)間TA與H密切相關(guān).2.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)舉例:有一兩級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng),由M1和M2組成,其中M1的訪問次數(shù)為R1,M2的訪問次數(shù)為R2,訪問時(shí)間分別為TA1和TA2

命中率H=

R1+R2

,則CPU對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的平均訪問時(shí)間

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

若相鄰兩級(jí)的訪問周期比值r=

TA2/TA1,,

存儲(chǔ)層次的訪問效率e=TA1/TA

則e=TA1/TA

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

TA1(較快一級(jí)的存儲(chǔ)器訪問時(shí)間)為提高e,可從兩方面入手:

提高H值:即擴(kuò)充最高一級(jí)存儲(chǔ)器的容量高代價(jià)

降低r值:當(dāng)r=100,要使e>0.9H>0.998

當(dāng)r=2,要使e>0.9H只需>0.889注意:相鄰兩級(jí)存儲(chǔ)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(diǎn)出發(fā),最好應(yīng)有一種S-C-C介于其間的存儲(chǔ)器作為中間層次.29有關(guān)訪問時(shí)間的計(jì)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(shí)間te：訪問整個(gè)存儲(chǔ)器的有效平均時(shí)間tc

：CACHE的訪問時(shí)間hc：CACHE的命中率30片內(nèi)CACHEte2=tc1+(1-hc1)te片外CACHE主存te2=tc1+(1-hc1)(tc2+(1-hc2)tm)二級(jí)CACHEtm：主存的訪問時(shí)間te2：訪問整個(gè)存儲(chǔ)器的有效平均時(shí)間tc1：片內(nèi)CACHE的訪問時(shí)間tc2：片外CACHE的訪問時(shí)間hc1：片內(nèi)CACHE的命中率hc2：片外CACHE的命中率31片內(nèi)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(shí)間te2：訪問整個(gè)存儲(chǔ)器的有效平均時(shí)間hm：主存的命中率32考試題：

假定處理機(jī)訪問CACHE的時(shí)間tc=8ns,訪問存儲(chǔ)器的時(shí)間tm=50ns,硬盤的訪問時(shí)間tdisk=200ms。當(dāng)CACHE的命中率hc=0.9和存儲(chǔ)器的命中率hm=0.5時(shí)，試計(jì)算CACHE-主存-硬盤層次的虛擬存儲(chǔ)器訪問的平均有效時(shí)間te。答案：10.000013ms33例題：某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存儲(chǔ)器由Cache和主存構(gòu)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(shí)間內(nèi)，CPU共訪問內(nèi)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(nèi)存的平均時(shí)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(shí)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(chǔ)器訪問的平均有效時(shí)間：

te1=hm

tm+（1-hm）（tm

+tdisk）=tm+（1-hm）tdisk

（評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：2分