第四章 存储体系

概述 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 存储系统是整个系统的瓶颈， CPU与主存储器的速度差距越来越大 1955年，第一台大型机IBM704，CPU和主存储器的工作周期均为12微秒，目前，CPU的工作速度提高了4个数量级以上，主存储器的工作速度仅提高2个数量级。

概述（续） 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 三大因素：速度、容量、价格 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。 三大因素：速度、容量、价格

Levels in Memory Hierarchy CPU regs C a c h e Memory disk size: speed: $/Mbyte: block size: 200 B 3 ns 8 B Register Cache Disk Memory 32 KB / 4MB 6 ns $100/MB 32 B 128 MB 60 ns $1.50/MB 8 KB 20 GB 8 ms $0.05/MB larger, slower, cheaper 8 KB cache virtual memory

Memory Hierarchy Registers Level 1 cache Level 2 Cache Memory Disk Typical Size 4 - 64 <16K bytes <2 Mbytes <16 Gigabytes > 5 Gigabytes Access Time 1 nsec 3 nsec 15 nsec 150 nsec 5,000,000 nsec Bandwidth (in MB/sec) 10,000 – 50,000 2000 - 5000 500 - 1000 100 Managed By Compiler Hardware OS OS/User

各级存储器的主要性能特性 存储器层次 通用寄存器 缓冲栈 Cache 存储周期 < 10ns < 10ns 10 - 60ns 存储容量 < 512B < 512B 8K-2MB 价格$c/KB 1200 80 3.2 访问方式 直接译码 先进先出 相联访问 材料工艺 ECL ECL SRAM 分配管理 编译器分配 硬件调度 硬件调度 带宽 400-8000 400-1200 200-800 （待续）

各级存储器的主要性能特性（续） 存储器层次 主存储器 磁盘存储器 脱机存储器 存储周期 60-300ns 10 - 30ms 2 - 20 min 存储容量 32M-1GB 1G-1TB 5G-10TB 价格$c/KB 0.36 0.01 0.0001 访问方式 随机访问 块访问 文件组 材料工艺 DRAM 磁表面 磁、光等 分配管理 操作系统 系统/用户 系统/用户 带宽 80-160 10-100 0.2 - 0.6

目 录 存储体系的概念 虚拟存储器 高速缓冲存储器（Cache） Cache-主存-辅存三级层次 主存保护（自学）

§1 存储体系的形成与性能 存储体系及其分支 存储体系的构成依据 存储体系的性能参数

存储系统 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

存储系统（续） 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

通用寄存器堆 指令和数据缓冲 Cache (SRAM) 主存储器（DRAM） 联机外部存储器 脱机外部存储器 CPU 内部 每位的价格越来越便宜 存储容量越来越大 访问速度越来越快

存储体系的形成与分支 主、辅存之间不能构成完整的整体，采用程序覆盖技术解决； 采用操作系统自动定位技术，形成一个整体，速度接近于主存，容量是辅存，价格接近辅存； 虚拟存储系统 虚地址：虚存地址、虚拟地址、逻辑地址、程序地址 、虚存容量、程序空间 物理地址、实（存）地址、主存容量、实存容量、实（主）存空间

存储体系的定义 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。 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。

解决速度 CPU中设置通用寄存器 采用存储器的多体交叉并行存取 采用存储层次 Cache

主存-辅存存储层次（容量） 主存 辅存 辅助软硬设备 从整体上看， 速度是主存的， 容量是辅存的。

Cache-主存存储层次（速度） 高速缓冲 Cache 主存 M 辅助硬件设备 从CPU看， 速度是Cache的， 容量是辅存的。 CPU

“Cache－主存”与“主存－辅存”层次的区别 存储层次 CPU对第二级的 访问方式 比较项目 目　　的 存储管理实现 访问速度的比值 (第一级和第二级) 典型的块(页)大小 失效时CPU是否切换 “Cache －主存”层次 “主存－辅存”层次 为了弥补主存速度的不足 为了弥补主存容量的不足 主要由专用硬件实现 几比一 几百比一 几十个字节 几百到几千个字节 可直接访问 均通过第一级 不切换 切换到其他进程 主要由软件实现

多级存储层次 CPU M1 M2 M3 Mn 存储体系（层次）

存储体系的构成依据 要求未被访问信息的地址能预知； 预知的准确性是存储层次设计的好坏的主要标志 时间和空间上的局部性 取决于所用算法和地址映像变换的方式

存储体系的性能参数

存储层次的每位价格 如两级容量差异大，则实现级间地址映像和地址变换困难，效率降低

命中率H CPU产生的逻辑地址能在M1中访问到（命中到）的概率。 H与地址预知算法及M1的容量有关 H----1 好

存储层次的等效访问时间

访问效率

访问效率说明 R-1 越好 R取决于个层次的各级器件和设备特性，命中率，容量及替换算法有关。 E-1 H在r较大时，H要高。 如两级速度差异很大， 提高H。 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 m=16 r=1 r=2 r=10 r=100 命中率

存储器层次结构设计的问题 映像方式：低层存储器的块按什么规则装入高层存储器。 映像机构：映像方式的实现。如何识别和查找高层存储器的信息块。 替换策略：访问失效后，如何淘汰信息块，而换新块。 写策略：写操作时采用何种策略以保持相邻两级存储器中数据的一致性，发生写操作失效时是否将被写的块从低层存储器取入高层存储器。