存储层次
存储的核心概念
存储的核心概念存储是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和管理数据和程序。
它允许计算机在执行指令和处理数据时进行读写操作，并且可以长期保存数据以供以后使用。
存储的核心概念包括存储层次结构、存储器层次、主存储器和辅助存储器。
一、存储层次结构计算机中的存储层次结构是根据存取速度和容量来划分的，它分为多个层次，每个层次都有自己的特点和功能。
存储层次结构从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器。
下面我将逐一介绍这些层次。
1. 寄存器：寄存器是存储器层次结构中最接近CPU 的一层，也是最快的一层。
它用于存放CPU 需要立即访问的数据和指令。
寄存器的容量很小，一般只有几十个字节，但是它的读写速度非常快，能够满足CPU 对数据和指令的高速处理需求。
2. 高速缓存：高速缓存是位于CPU 和主存储器之间的一层存储器，作为主存储器和寄存器之间的缓冲区，用于加速CPU 对数据和指令的访问。
高速缓存的容量比寄存器大，但比主存储器小，一般几十到几百个千字节。
它的读写速度比主存储器快，但比寄存器慢。
它通过缓存一部分主存储器中的数据和指令，提高了CPU 对存储器的访问效率。
3. 主存储器：主存储器（也叫内存）是计算机系统中最重要的存储器，用于存放程序和数据。
它的容量比高速缓存大，一般几十到几百个千兆字节。
主存储器的读写速度比高速缓存慢，但比辅助存储器快。
它能够提供给CPU 进行读写操作。
4. 辅助存储器：辅助存储器（也叫外存）是计算机系统中最大的存储器，负责长期保存数据和程序。
它的容量比主存储器大，可以达到几百个千兆字节或者更大。
辅助存储器的读写速度比主存储器慢，但它具有永久存储的特点，即使计算机断电，数据也不会丢失。
以上是存储层次结构中的几个层次，不同层次的存储器在容量、读写速度、价格等方面都有所不同，通过合理地利用这些存储器，可以提高计算机系统的性能和效率。
二、存储器层次存储器层次是指存储器在层次结构中的位置和关系。
存储器层次结构
存储器层次结构计算机存储器层次结构是指在计算机系统中用于存储和访问数据的不同层级的存储设备。
它按照速度、容量和成本的不同划分为多个层级，以达到高效地存取数据的目的。
存储器层次结构的设计影响着计算机系统的性能和运行速度。
本文将介绍计算机存储器层次结构的基本概念以及各个层级的特点。
1. 导言计算机存储器层次结构是指计算机系统中用于存储和访问数据的多个层级，其目的是提高计算机系统的性能和运行速度。
存储器层次结构由速度、容量和成本不同的存储设备组成，按照速度从快到慢排列，形成存储器层次结构。
2. 寄存器寄存器是存储器层次结构中最快的存储设备，位于CPU内部。
它可以快速存取数据，但容量有限。
寄存器是计算机处理数据时的临时存储空间，用于存储指令、操作数和中间结果等。
由于寄存器的高速度和小容量，它常用于存储最频繁使用的数据，以加快数据的存取速度。
3. 高速缓存高速缓存是存储器层次结构中位于寄存器和主存之间的一层存储设备。
它采用了高速存取的方式，能够快速响应CPU的读写请求。
高速缓存分为多个级别，通常分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2Cache）。
一级缓存一般与CPU集成在同一芯片上，速度更快但容量较小；而二级缓存则位于CPU和主存之间，速度较慢但容量更大。
4. 主存主存是存储器层次结构中容量最大的一层，用于存储程序和数据。
它是CPU直接与外部存储设备之间的桥梁，具有较高的读写速度。
主存通常由动态随机存取存储器（DRAM）构成，容量较大，但速度相对较慢。
主存以字节为单位进行寻址和存取，通过地址总线与CPU进行数据的传输。
5. 辅助存储器辅助存储器是存储器层次结构中速度最慢、容量最大、且相对便宜的存储设备。
它通常包括硬盘、光盘、闪存等。
辅助存储器主要用于长期存储大量的程序和数据。
相比于主存，辅助存储器的读写速度较慢，但容量大且价格低廉。
计算机在运行过程中，需要将辅助存储器中的数据加载到主存中进行处理，以提高运行效率。
层次化存储器基本结构
层次化存储器基本结构层次化存储器是计算机系统中重要的存储器层次结构之一，它由多层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。
在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调，以提高系统的存储器性能和效率。
一、层次化存储器的概念层次化存储器是指计算机系统中采用多层次存储器结构的存储器系统。
它由多个层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。
一般来说，层次化存储器由高速缓存、主存储器和辅助存储器三个层次组成。
其中，高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，速度最快，容量最小；主存储器是位于CPU外部的二级缓存，速度较快，容量较大；辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，速度较慢，容量最大。
二、层次化存储器的特点1. 高速缓存：高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，具有很快的访问速度和较小的容量。
它能够缓存CPU频繁访问的数据和指令，以提高系统的执行效率。
2. 主存储器：主存储器是位于CPU外部的二级缓存，具有较快的访问速度和较大的容量。
它是CPU和辅助存储器之间的桥梁，负责数据的传输和临时存储。
3. 辅助存储器：辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，具有较慢的访问速度和最大的容量。
它主要用于长期存储和备份数据，以及作为主存储器的扩展。
三、层次化存储器的工作原理在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调工作。
当CPU需要访问数据或指令时，首先会在高速缓存中查找，如果找到了，则直接进行访问；如果没有找到，则会在主存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到高速缓存中，并进行访问；如果还没有找到，则会在辅助存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到主存储器中，并再次进行查找和访问。
四、层次化存储器的优势层次化存储器的设计思想是利用不同层次的存储器的特点和优势，以提高系统的存储器性能和效率。
具体优势如下：1. 提高存储器访问速度：高速缓存和主存储器具有较快的访问速度，可以满足CPU对数据和指令的快速访问需求，提高系统的执行效率。
请简要介绍存储器层次结构及其作用。
请简要介绍存储器层次结构及其作用。
存储器层次结构是计算机体系结构中的一个重要概念，用来描述计算机中不同层次的存储器组织和作用。
它是按照存储器访问速度和容量进行划分，并通过不同层次之间的数据传输来实现高效的数据访问。
存储器层次结构包括多层次的存储器，从高速小容量的寄存器到低速大容量的辅助存储器。
存储器层次结构的作用主要有以下几个方面：1. 提高数据访问速度：存储器层次结构的最底层是寄存器，它位于CPU内部，速度最快。
寄存器被用来存储CPU需要立即访问的数据和指令。
而较高层次的存储器，如高速缓存和主存储器，虽然速度较寄存器慢，但容量更大，可以存储更多的数据和指令。
通过将频繁使用的数据和指令存储在高速缓存中，可以缩短CPU从主存储器中读取数据的时间，从而提高数据访问速度。
2. 增加存储容量：存储器层次结构的最高层是辅助存储器，如硬盘或固态硬盘。
辅助存储器的容量远大于其他层次的存储器，它可以存储大量的数据和程序。
虽然辅助存储器的速度较慢，但它提供了长期存储数据的能力，可以保存在断电后不会丢失的数据。
通过将不常用的数据和程序存储在辅助存储器中，可以释放高速缓存和主存储器的空间，提高系统的整体存储容量。
3. 优化存储器资源的利用：存储器层次结构可以根据不同的访问模式和数据访问特点来优化存储器资源的利用。
高速缓存作为CPU和主存储器之间的缓冲区，可以根据程序的局部性原理，预先将可能会被使用的数据和指令存储在高速缓存中，以提高命中率。
同时，高速缓存还可以利用替换算法来选取最不常用的数据进行替换，以保证高速缓存中存储的是最有用的数据。
4. 提高系统性能：存储器层次结构的设计可以提高系统的整体性能。
通过将数据和指令存储在更接近CPU的存储层次中，可以减少数据传输的延迟，加快数据访问速度。
同时，存储器层次结构还可以根据程序的特性和访问模式进行优化，提高命中率和数据的局部性，减少不必要的数据传输，提高系统的整体性能。
存储器层次结构在计算机体系结构中起着重要的作用。
计算机系统中的存储器层次结构与缓存技术
计算机系统中的存储器层次结构与缓存技术计算机系统的存储器层次结构与缓存技术是提高计算机性能和效率的关键因素。
存储器层次结构指的是由快速但昂贵的存储设备和廉价但较慢的存储设备组成的层次结构。
缓存技术是一种通过在处理器和主存之间插入高速存储器来提高性能的方法。
本文将详细介绍计算机系统的存储器层次结构和缓存技术，并分点列出相关内容。
一、存储器层次结构1. 存储器层次结构的定义- 存储器层次结构是一种由多种存储设备组成的层次结构，每一层次在速度、容量和成本等方面都有差异。
- 存储器层次结构按照存储设备的访问速度由快到慢排列，包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。
2. 存储器层次结构的组成- 寄存器：位于处理器内部，速度最快、容量最小、成本最高。
- 高速缓存：位于处理器和主存之间，容量适中、速度较快、成本较高。
- 主存储器：存放程序和数据，容量较大、速度较慢、成本适中。
- 辅助存储器：存储大容量的数据和程序，速度最慢、成本最低。
3. 存储器层次结构的工作原理- 缓存命中：当处理器需要访问数据时，首先在高速缓存中查找，如果找到则为缓存命中，不需要访问主存，提高效率。
- 缓存不命中：如果在高速缓存中未找到数据，则需要访问主存，并将数据从主存加载到高速缓存中，同时可能需要替换高速缓存中的一部分数据。
二、缓存技术1. 缓存的定义和作用- 缓存是指在处理器和主存之间插入的高速存储器。
- 缓存的作用是提高数据访问的速度和效率，减少对主存的访问次数。
2. 缓存的工作原理- 缓存分为多个缓存块，每个缓存块可以存储一个数据块，同时也包含一个标记字段用于标识数据块的地址。
- 当处理器需要访问一个数据时，先在缓存中查找，如果找到则为缓存命中，直接取用数据；如果未找到则为缓存不命中，需要访问主存取出数据。
3. 缓存的替换策略- 最常见的替换策略是使用LRU（Least Recently Used）算法，即最近最少使用的数据块被替换。
计算机体系结构存储器层次结构基础知识详解
计算机体系结构存储器层次结构基础知识详解计算机体系结构存储器层次结构是计算机系统中重要的组成部分，它通过不同层次的存储器来提供有效的数据存取方式，以满足计算机执行指令和运算的需求。
本文将详细介绍计算机体系结构存储器层次结构的基础知识，包括存储器的分类、层次结构和操作原理等方面。
一、存储器的分类存储器是计算机中用于存储数据和程序的设备，根据存储介质的不同可分为内存和外存。
内存存储器又可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM是一种易失性存储器，用于存储程序和数据的临时信息，通电时可以读写数据，断电后数据就会丢失；ROM是一种非易失性存储器，用于存储程序和数据的固定信息，通电时只能读取数据。
外存储器包括硬盘、固态硬盘（SSD）和光盘等，主要用于长期存储大量数据和程序。
二、存储器的层次结构计算机体系结构存储器层次结构按照存取速度和成本的不同，可分为若干层次，由快到慢、由贵到廉排列为：寄存器、高速缓存、主存和外存。
寄存器是存储器层次结构中速度最快、容量最小的存储器，通常嵌入在中央处理器（CPU）中，用于存储最常用的数据和指令；高速缓存是位于CPU和主存之间的一层存储器，容量较小但速度快，用于缓存CPU频繁访问的数据块；主存是计算机中容量较大、速度较慢的存储器，用于存储程序和数据；外存是计算机中容量最大、速度最慢的存储器，用于长期存储大量数据和程序。
三、存储器的操作原理计算机体系结构存储器层次结构中的各层次存储器之间通过地址和数据进行交互。
当CPU需要访问某个数据或者指令时，首先会将相应的地址发给内存控制器，内存控制器会根据地址将数据从内存中读取出来并送达给CPU。
在这个过程中，CPU通常会先访问最快的寄存器，若寄存器中没有所需数据，则会在高速缓存中进行查找，如果高速缓存中也没有，则会继续在主存和外存中进行查找。
存储器的操作原理涉及到存储器的访问速度和命中率。
存储器的访问速度是指CPU从发送地址到接收到数据所需的时间，在不同层次存储器中，访问速度逐级变慢；命中率是指CPU在某个层次存储器中找到所需数据的概率，高速缓存的命中率通常较高，而主存和外存的命中率较低。
存储器层次结构
存储器层次结构存储器层次结构存储技术计算机技术的成功很⼤程度来源于存储技术的巨⼤进步。
早期的电脑甚⾄没有磁盘。
现在电脑上的磁盘都已经按T算了。
随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分两类：静态的：SRAM，⾼速缓存存储器，既可以在CPU，也可以在⽚下。
动态的：DRAM，⽤于主存或者图形系统帧缓冲区。
通常情况下，SRAM的容量都不会太⼤，⽽相⽐之下DRAM容量可以⼤得离谱。
静态RAMSRAM将每个位存储在⼀个双稳态存储器单元⾥，每个单元⽤⼀个六晶体管电路实现。
这种电路有⼀个属性，它可以⽆限期地保持两个不同的状态的其中⼀个，其他状态都是不稳定的。
如上图，它能稳定在左态和右态，如果处于不稳定状态，它就像钟摆⼀样⽴刻变成两种稳态的其中⼀种。
也因为它的双稳态特性，即使有⼲扰，等到⼲扰消除，电路就能恢复成稳定值。
动态RAMDRAM的每个存储是⼀个电容和访问晶体管组成，每次存储相当于对电容充电。
该电容很⼩，⼤约只有30毫微微法拉。
因为每个存储单元⽐较简单，DRAM可以造的⾮常密集。
但它对⼲扰⾮常敏感，被⼲扰后不会恢复。
因此它必须周期性地读出重写来刷新内存的每⼀位。
或者使⽤纠错码来纠正任何单个错误。
两者总结传统的DRAMDRAM芯⽚内的每⼀个单元被叫做超单元。
在芯⽚内，总共有d 个超单元，它们被排列成⼀个r×c ⼤⼩的矩阵，也就是说d=r×c，每个超单元都可以⽤类似(i,j) 之类的地址定位⽽每个超单元则是由w 个DRAM单元组成。
因此⼀个DRAM芯⽚可以存储dw 位的信息。
上图是⼀个16×8 的DRAM芯⽚的组织。
⾸先由两个addr引脚依次传⼊⾏地址i 和列地址j 。
每个引脚携带⼀个信号。
由于这是4×4 的矩阵，因此两个就够了。
然后定位到(i,j) ，将该地址的超单元信息传出去。
吉林大学计算机系统结构题目整合第五章
第五章存储层次知识点汇总存储器层次结构、存储层次性能参数（平均每位价格、命中率、平均访存时间）、存储层次4个问题、CPU 访存地址分割、全相联映像、直接映像、组相联映像、查找方法、替换算法（随机、先进先出、最近最少使用法）、写直达法、写回法、按写分配、不按写分配、Cache性能分析、3C失效（强制失效、容量失效、冲突失效）、Victim Cache、伪相联映像Cache、硬件预取、编译器优化（数组合并、内外循环交换、循环融合、分块）、写缓冲合并、单字宽存储器、多字宽存储器、多体交叉存储器、存储体、虚拟存储器（页式、段式）、快表（TLB）简答题1.单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？（知识点：多级存储器）答：主要矛盾：(1) 速度越快，每位价格就越高。
(2) 容量越大，每位价格就越低。
(3) 容量越大，速度越慢。
采取多级存储层次方法来解决。
2.“Cache-主存”和“主存-辅存”层次的主要区别是什么？（知识点：存储层次）3.在存储层次中应解决哪四个问题？（知识点：存储层次的四个问题）答：（1）映像规则：当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上。
（2）查找算法：当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块。
（3）替换算法：当发生失效时，应替换哪一块。
（4）写策略：当进行写访问时，应进行哪些操作。
4.地址映像方法有哪几种？它们各有什么优缺点？（知识点：地址映像）（1）全相联映像。
实现查找的机制复杂，代价高，速度慢。
Cache空间的利用率较高，块冲突概率较低，因而Cache的失效率也低。
（2）直接映像。
实现查找的机制简单，速度快。
Cache空间的利用率较低，块冲突概率较高，因而Cache 的失效率也高。
（3）组相联映像。
组相联是直接映像和全相联的一种折中。
5.Cache的3C失效是哪三种失效？针对每种失效给出一种降低失效率的方法。
（知识点：3C失效）答：强制性失效、容量失效、冲突失效。
第 5 章 存储层次
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各级存储器的主要主要性能特性
存储器层次 通用寄存器 缓冲栈 存储周期 存储容量 价格$C/KB 访问方式 材料工艺 <10ns <512B 1200 <10ns <512B 80 Cache 主存储器 磁盘存储器 脱机存储器
10～60ns 60～300ns 10～30ms 2～20min 8KB～2MB 32MB～1GB 1GB～1TB 5GB～10TB 3.2 0.36 0.01 块访问 磁表面 0.0001 文件组 磁、光等
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• ⑷ 失效处理：程序切换 • 失效：在主存中没有找到要访问的程序 或数据。
• ⑸ 主存 — 辅存层次对应用程序员是完 全透明的，对系统程序员是部分透明的。
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• ⑹ 对辅存的访问是通过访问内存实现的 • 主存 — 辅存层次通过辅助软、硬件的支持， 把主存和辅存组织成存储体系。使得从整体 来看，存储体系的速度接近于主存的速度， 而容量和价格接近于辅存。 • 主存 — 辅存层次常被用于实现虚拟存储器， 以便向编程人员提供大量的程序空间。
1.命中率 H
• 命中（Hit）：要访问的信息在Mi中可访问到。 • 失效（Miss）：要访问的信息在Mi中不可访问 到。 • 在多级层次结构中，要访问的信息在Mi中可访 问到的概率称为Mi的命中率，记为Hi，即命中 的次数与总访问次数之比。 • 失效率（不命中率）1－Hi：失效访问的次数与 总访问次数之比。 • 通常Si越小，Hi越低。
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5.2.1
Cache基本工作原理和结构
• 1. Cache的基本结构 • ⑴ Cache存储阵列 • ⑵ 地址映像变换机构 • ⑶ 替换策略实现机构
数据存储架构与技术
数据存储架构与技术随着信息时代的到来，数据的存储和管理变得愈发重要。
在大数据时代，如何高效地存储和处理海量数据成为了一个亟待解决的问题。
为了满足不同应用场景的需求，数据存储架构和技术也日益多样化和灵活。
本文将从存储架构的层次和各种常用的数据存储技术两个方面进行介绍。
一、存储架构的层次数据存储架构可以分为物理存储层、逻辑存储层和应用存储层三个层次。
1. 物理存储层物理存储层是指数据存储的硬件部分，包括磁盘、固态硬盘、存储区域网络（SAN）等。
其中，磁盘是最常见的物理存储介质，具有容量大、价格低廉的特点，适用于大规模数据存储。
固态硬盘则具有读写速度快、耐用性好等优势，适用于对性能要求较高的场景。
而SAN则是一种高速数据存储网络，可以连接多个服务器和存储设备，提供高可用性和高扩展性。
2. 逻辑存储层逻辑存储层是在物理存储层之上构建的，用于管理和组织存储的数据。
最常见的逻辑存储层是文件系统和数据库。
文件系统通过层次化的目录结构来管理文件和文件夹，提供了对文件的读写和访问的功能。
数据库则是一种结构化的数据存储方式，通过表、字段和索引等组织数据，提供了高效的数据检索和管理功能。
3. 应用存储层应用存储层是指根据具体的应用需求，对逻辑存储层进行进一步的封装和抽象，提供更高层次的数据访问接口。
例如，云存储服务提供商可以将底层的物理存储和逻辑存储层进行封装，为用户提供简单易用的云存储接口。
而大数据平台则可以通过分布式文件系统和分布式数据库等技术，对底层的存储进行水平扩展和高可用性的支持。
二、常用的数据存储技术除了存储架构的层次，数据存储技术也是数据存储的重要组成部分。
下面将介绍几种常用的数据存储技术。
1. 关系型数据库关系型数据库是一种基于表格的数据存储方式，采用结构化的数据模型和SQL语言进行数据管理。
它具有数据一致性、事务支持和高度可靠性等特点，适用于对数据完整性有严格要求的场景。
常见的关系型数据库有MySQL、Oracle等。
计算机存储器类型与层次结构解析
计算机存储器类型与层次结构解析计算机存储器是计算机中的一个关键组成部分，用于存储和读取数据。
根据存储介质和访问速度的不同，计算机存储器可以分为不同的类型和层次结构。
本文将详细解析计算机存储器的类型与层次结构，帮助读者更好地理解计算机存储器的工作原理。
一、计算机存储器的类型1. 内部存储器（主存储器）：内部存储器是计算机中直接与中央处理器（CPU）相连的部分，用于存储程序和数据。
它是计算机中最快的存储器，也是最重要的存储器之一。
内部存储器的容量较小，价格相对较高。
2. 外部存储器（辅助存储器）：外部存储器是计算机中与中央处理器间接连接的存储器，用于大容量和长期存储数据。
外部存储器的容量较大，价格相对较低。
常见的外部存储器包括硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）和光盘。
二、计算机存储器的层次结构1. 高速缓存存储器（Cache Memory）：高速缓存存储器位于内部存储器和中央处理器之间，用于提供更快的访问速度。
它采用了较小但更快的存储器芯片，并通过存储和取回最常用的数据和指令，以减少中央处理器的等待时间。
2. 主存储器（Main Memory）：主存储器是内部存储器的一种，是计算机存储器的核心部分。
它以字节为单位存储数据和程序，并可以直接被中央处理器访问。
主存储器通常采用随机存取存储器（RAM）技术。
3. 辅助存储器（Secondary Storage）：辅助存储器是外部存储器的一种，用于存储大量的数据和程序。
辅助存储器通常采用磁盘或固态存储技术，并具有较大的存储容量。
它的访问速度相对较慢，但可以长期保持数据。
三、计算机存储器的工作原理1. 数据存储：计算机存储器通过将数据以二进制形式存储在内存或磁盘中。
每个数据单元在存储器中都有一个唯一的地址，计算机可以通过地址来访问特定的数据单元。
2. 数据读取：计算机可以根据指令从存储器中读取数据。
读取数据的过程是通过计算机总线进行的，总线将数据传输到中央处理器中进行处理。
计算机存储分级
计算机存储分级
计算机存储分级是指将计算机存储器按照使用的目的和访问速
度的不同分为不同的层次，以便于更高效地管理数据和程序。
常见的存储分级包括：
1. 高速缓存(Cache)：位于CPU内部或者CPU与主存储器之间，速度最快，容量较小，主要用于缓存最近被访问的数据和指令，提高访问速度。
2. 主存储器(主存)：通常指RAM，是计算机中最大的存储器，容量较大，速度较慢，主要用于存放操作系统、应用程序、数据等信息。
3. 辅助存储器：包括硬盘、光盘、U盘等，速度较慢，但容量更大，主要用于长期存储数据和程序。
4. 归档存储器：包括磁带等，速度最慢，容量最大，主要用于备份和归档数据。
存储分级的优点是能够根据不同的存储需求，采用不同速度和容量的存储设备，从而提高计算机的整体性能和工作效率。
同时，存储分级也有助于降低成本，因为速度快、容量小的存储设备通常价格较高，而速度慢、容量大的存储设备则价格较低。
总之，存储分级是计算机系统中不可或缺的一部分，能够提高系统的效率和性能，同时也有助于降低成本。
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存储器的层次结构及组成原理
存储器的层次结构及组成原理一、概述存储器是计算机系统中重要的组成部分，它用于存储和访问数据和指令。
存储器的层次结构是根据存储器的速度、容量和成本等因素将其分为多个层次，以实现高效的数据访问和管理。
二、存储器层次结构存储器的层次结构通常分为以下几个层次： ### 1. 寄存器(Register) 寄存器是存储在CPU内部的最快速的存储器。
它用于存放指令、数据和地址等临时信息，可以直接被CPU访问。
寄存器的容量较小，一般只有几百个字节。
2. 高速缓存(Cache)高速缓存位于CPU和主存之间，其目的是加快存储器的访问速度。
缓存通过存储近期被频繁访问的数据和指令，以提高CPU对存储器的命中率。
3. 主存储器(Main Memory)主存储器是计算机系统中最主要的存储器，也是存储器的最大层次。
主存储器被划分为许多地址连续的存储单元，每个存储单元可以存储一个字节或多个字节的数据。
主存储器由半导体或磁介质制成。
4. 辅助存储器(Auxiliary Memory)辅助存储器用于长期存储大量的数据和程序。
它的容量大于主存储器，但访问速度较慢。
常见的辅助存储器包括硬盘、光盘和闪存等。
三、存储器的组成原理存储器的组成原理多样，下面介绍几种常见的存储器类型： ### 1. 静态随机存储器(SRAM) 静态随机存储器是一种使用触发器来存储数据的存储器。
它的访问速度快，但成本较高。
SRAM的存储单元通过6个晶体管构成，每个存储单元可以存储一个比特的数据。
2. 动态随机存储器(DRAM)动态随机存储器是一种使用电容器来存储数据的存储器。
它的访问速度较慢，但成本较低。
DRAM的存储单元通过一个电容器和一个晶体管构成，每个存储单元可以存储一个比特的数据。
3. 只读存储器(ROM)只读存储器中的数据是永久性的，不可更改。
它通常用于存储固定的程序和数据。
常见的ROM类型包括可编程只读存储器(PROM)、可擦写只读存储器(E-PROM)和电可擦写只读存储器(EEPROM)等。
数据分层存储结构
数据分层存储结构
数据分层存储结构是一种管理和组织数据的方式，将数据按照不同的层次进行存储和管理。
这种结构分为多个层次，每个层次都有其特定的功能和用途。
一般而言，数据分层存储结构包括以下几个层次：
1. 顶层（高速存储层）：顶层是指最接近处理器的存储层，使用高速缓存（Cache）来存储最常用的数据，以提高数据的访
问速度。
这一层次通常由SRAM（Static Random Access Memory）构成。
2. 次层（主存储层）：次层存储器是指存储器层次结构中的主存储器（Main Memory），也被称为RAM（Random Access Memory）。
主存储器用于存储正在进行的程序和数据。
3. 三层（辅助存储层）：辅助存储器是指用于长期存储数据和程序的存储设备，如硬盘、光盘、磁带等。
辅助存储器的容量通常比主存储器大得多。
4. 四层（远程存储层）：远程存储器是指存储在远程位置，需要通过网络访问的存储设备，如云存储。
数据分层存储结构的设计目的是根据数据的访问频率和速度要求，将数据按照不同层次存储，以提高数据访问的效率和性能。
更常访问的数据存储在更接近处理器的层次上，而较不常访问
的数据则存储在离处理器较远的层次上。
通过层次化存储的方式，可以更有效地利用存储资源，并提高系统的整体性能。
了解计算机的存储器层次结构
了解计算机的存储器层次结构计算机的存储器层次结构计算机是一种拥有强大运算能力的现代工具，而存储器是计算机体系结构中至关重要的组成部分。
了解计算机的存储器层次结构对于理解计算机的运行原理、优化程序性能以及选择适当的硬件配置都十分重要。
存储器层次结构是指计算机内部组织的层次化结构，按照速度和容量的大小将存储器划分为多个层次。
每个层次的存储器都具有不同的特点和访问速度，以满足计算机在不同场景下的存储需求。
存储器层次结构通常包括以下几个层次：寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。
1. 寄存器寄存器是存储器层次结构中访问速度最快的部分。
它们位于处理器内部，用于存储指令和数据。
寄存器的容量相对较小，但由于其高速度，可以快速地提供指令和数据，供处理器立即使用。
寄存器在处理器内部直接与ALU（算术逻辑单元）进行交互，因此在计算机的存储器层次中处于最顶层。
2. 高速缓存高速缓存是介于寄存器和主存储器之间的存储器层次。
它是为了弥补主存储器和处理器之间速度差异而设计的，能够提供快速的数据访问。
高速缓存通常分为多级，如L1、L2、L3缓存。
L1缓存位于处理器内部，L2缓存和L3缓存则位于处理器芯片外部。
高速缓存中保存了最常用的指令和数据，以便快速地供处理器访问。
高速缓存通过预取和替换算法，提高了程序执行的性能。
3. 主存储器主存储器是计算机中用于存储程序和数据的核心部件。
它通常是以字节为单位进行寻址的，可以随机读写。
主存储器的容量相对较大，可以容纳大量的程序和数据，但其访问速度相对于寄存器和高速缓存来说较慢。
主存储器通过地址总线和数据总线与处理器进行通信，将指令和数据传递给处理器。
4. 辅助存储器辅助存储器是存储器层次结构中容量最大的部分，用于存储大量的程序、数据和文件。
常见的辅助存储器包括硬盘、固态硬盘、光盘和磁带等。
辅助存储器与主存储器的区别在于其访问速度相对较慢，但容量远大于主存储器。
辅助存储器在计算机系统中扮演着长期存储和备份数据的角色。
计算机体系结构问答题第5章
第5章存储层次1. 单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？主要矛盾：(1) 速度越快，每位价格就越高。
(2) 容量越大，每位价格就越低。
(3) 容量越大，速度越慢。
采取多级存储层次方法来解决。
2. 评价存储层次的主要参数有哪些？存储层次的平均每位价格、命中率或失效率、平均访问时间。
3. “Cache-主存”和“主存-辅存”层次的主要区别是什么？4. 在存储层次中应解决哪四个问题？（1）映像规则：当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上。
（2）查找算法：当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块。
（3）替换算法：当发生失效时，应替换哪一块。
（4）写策略：当进行写访问时，应进行哪些操作。
5. 地址映像方法有哪几种？它们各有什么优缺点？（1）全相联映像。
实现查找的机制复杂，代价高，速度慢。
Cache空间的利用率较高，块冲突概率较低，因而Cache的失效率也低。
（2）直接映像。
实现查找的机制简单，速度快。
Cache空间的利用率较低，块冲突概率较高，因而Cache的失效率也高。
（3）组相联映像。
组相联是直接映像和全相联的一种折中。
6. 组相联Cache比相同容量的直接映像Cache的失效率低。
由此是否可以得出结论：采用组相联Cache一定能带来性能上的提高？为什么？不一定。
因为组相联命中率的提高是以增加命中时间为代价的，组相联需要增加多路选择开关。
7. Cache中，有哪两种实现并行查找的方法？（1）用相联存储器实现。
（2）用单体多字存储器和比较器来实现。
8. 替换算法有哪几种？它们各有什么优缺点？（1）随机法：简单、易于用硬件实现，但这种方法没有考虑Cache块过去被使用的情况，反映不了程序的局部性，所以其失效率比LRU的高。
（2）先进先出法：容易实现。
它虽然利用了同一组中各块进入Cache的顺序这一“历史”信息，但还是不能正确地反映程序的局部性。
（3）最近最少使用法LRU：失效率最低。
简述你对计算机存储系统层次结构的理解
简述你对计算机存储系统层次结构的理解计算机存储系统层次结构是把计算机存储设备分层管理的一种结构，它是一种结构化的方式，将存储器按功能划分成不同层次，使得系统的使用者可以方便地访问所需要的存储资源，而不需要考虑其底层实现。
计算机存储系统层次结构一般可以分为五种不同层次，分别是“硬件层”、“操作系统层”、“文件管理系统层”、“应用程序层”和“应用数据层”。
硬件层是计算机存储系统的最底层，它由计算机的硬件设备构成，包括中央处理器、内存以及存储设备等等，它们负责存取操作以及处理数据。
接着是操作系统层，它为用户提供访问和操作硬件设备的接口，使得用户可以更方便地操作设备，而不必关心设备本身的内部细节。
下一层是文件管理系统层，它负责把用户的输入文件存储在硬件设备上，也就是我们常说的文件存储，以及对文件进行管理，比如将文件保存在特定的文件夹中，以方便用户查找等等，使得用户能够更加方便地进行文件的存取操作。
接下来是应用程序层，它是一种可视化的界面，可以使用户更加便捷地使用计算机，一般来说，应用程序层提供了一系列可执行的程序，用户可以根据自己的需求进行选择，从而使得用户可以更加便捷地进行工作。
最后一层是应用数据层，它提供了用户可以使用的特定应用数据，这些数据可以帮助用户更加方便地完成工作。
计算机存储系统层次结构具有许多优点，最主要的是可以有效的提高计算机的存储效率。
因为将存储资源分层管理，使得用户能够更快速地定位所需要的数据，从而提高系统的性能，另外，将存储空间划分不同层次，可以有效满足用户的不同需求，从而使得计算机存储空间得到最大化的利用。
综上所述，计算机存储系统层次结构是将计算机存储设备按功能划分成不同层次的一种结构，它可以有效的提高计算机的存储效率，满足用户的不同需求，让用户可以更加方便的访问所需要的资源，同时也方便进行文件的存取操作。
只要系统管理者能够合理的采用计算机存储系统层次结构，就可以使得计算机系统得到最大化的发挥。
存储层次的概念
存储层次的概念存储层次是计算机系统中用于数据存储和访问的层次化结构。
它由多个层次组成，每个层次都有不同的特点和功能，能够提供不同的存储介质和访问速度，以满足计算机系统对存储的不同需求。
在计算机系统中，存储层次从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。
下面将对每个层次的概念进行详细介绍。
寄存器是CPU内部的存储区域，它的容量较小但速度很快。
寄存器可以直接由CPU访问，因此对计算机系统的性能具有重要影响。
寄存器的主要作用是存放CPU的指令和数据，以及临时保存中间结果。
寄存器的访问速度通常在纳秒级别，是其他层次不能比拟的。
高速缓存是位于CPU和主存储器之间的存储区域，它的容量较小但速度较快。
高速缓存主要用于缓存主存储器中的数据和指令，以提高CPU对数据和指令的访问速度。
高速缓存的访问速度通常在纳秒级别，比主存储器快一些。
主存储器是计算机系统中主要的存储介质，它的容量较大但速度较慢。
主存储器用于存放程序和数据，以供CPU读取和写入。
主存储器的访问速度通常在毫秒级别，比CPU的寄存器和高速缓存要慢很多。
辅助存储器是计算机系统中最大的存储介质，它的容量很大但速度较慢。
辅助存储器主要用于长期存储大量的程序和数据。
辅助存储器包括硬盘、光盘、磁带等，这些存储介质的访问速度通常在毫秒级别以上，比主存储器还要慢一些。
存储层次的设计目标是在不同的存储介质之间提供适当的平衡，以满足计算机系统对于存储需求的性能和容量要求。
高速缓存的引入可以提高系统的访问速度，降低CPU对主存储器的访问。
同样地，辅助存储器的引入可以提供大容量的存储空间，满足系统对于长期存储的需要。
在实际的存储层次设计中，还需要考虑访问的局部性原理。
局部性原理指出，计算机程序在执行时倾向于访问最近被访问过的存储单元附近的存储单元。
基于这个原理，存储层次的设计采用了缓存和预取等技术，以提高系统对数据的访问效率。
存储层次的设计还需要考虑成本和性能之间的平衡。
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第五章存储层次5.1名词解释1．存储层次——采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。
2．全相联映象——主存中的任一块可以被放置到Cache中任意一个地方。
3．直接映象——主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个地方。
4．组相联映象——主存中的每一块可以放置到Cache中唯一的一组中任何一个地方（Cache 分成若干组，每组由若干块构成）。
5．替换算法——由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调一个块到Cache 中时，会出现该块所映象到的一组（或一个）Cache块已全部被占用的情况。
这时，需要被迫腾出其中的某一块，以接纳新调入的块。
6．L RU——选择最近最少被访问的块作为被替换的块。
实际实现都是选择最久没有被访问的块作为被替换的块。
7．写直达法——在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。
8．写回法——只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。
9．按写分配法——写失效时，先把所写单元所在的块调入Cache，然后再进行写入。
10．不按写分配法——写失效时，直接写入下一级存储器中，而不把相应的块调入Cache。
11．写合并——在往缓冲器写入地址和数据时，如果缓冲器中存在被修改过的块，就检查其地址，看看本次写入数据的地址是否和缓冲器内某个有效块的地址匹配。
如果匹配，就将新数据与该块合并。
12．命中时间——访问Cache命中时所用的时间。
13．失效率——CPU访存时，在一级存储器中找不到所需信息的概率。
14．失效开销——CPU向二级存储器发出访问请求到把这个数据调入一级存储器所需的时间。
15．强制性失效——当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需要从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。
16．容量失效——如果程序在执行时，所需要的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后又重新被访问，就会产生失效，这种失效就称作容量失效。
17．冲突失效——在组相联或直接映象Cache中，若太多的块映象到同一组（块）中，则会出现该组中某个块被别的块替换（即使别的组或块有空闲位置），然后又被重新访问的情况。
18．2：1Cache经验规则——大小为N的直接映象Cache的失效率约等于大小为N /2的两路组相联Cache的实效率。
19．相联度——在组相联中，每组Cache中的块数。
20．V ictim Cache——位于Cache和存储器之间的又一级Cache，容量小，采用全相联策略。
用于存放由于失效而被丢弃（替换）的那些块。
每当失效发生时，在访问下一级存储器之前，先检查Victim Cache中是否含有所需块。
21．伪相联Cache——一种既能获得多路组相联Cache的低失效率，又能获得直接映象Cache 的命中速度的相联办法。
22．故障性预取——在预取时，若出现虚地址故障或违反保护权限，就会发生异常。
23．非故障性预取——在预取时，若出现虚地址故障或违反保护权限，不发生异常。
24．非阻塞Cache——Cache在等待预取数据返回时，还能继续提供指令和数据。
25．子块放置技术——把一个Cache块划分为若干小块，称为子块（sub-blocks），并为每个子块赋予一位有效值，用于说明该子块中的数据是否有效。
失效时，只需从下一级存储器调入一个子块。
26．尽早重启动——在请求字没有到达时，CPU处于等待状态。
一旦请求字到达，就立即发送给CPU，让等待的CPU尽早重启动，继续执行。
27．请求字优先——调块时，首先向存储器请求CPU所要的请求字。
请求字一旦到达，就立即送往CPU，让CPU继续执行，同时从存储器调入该块的其余部分。
28．多级包容性——一级存储器（Cache）中的数据总位于下一级存储器中。
29．虚拟Cache——地址使用虚地址的Cache。
30．多体交叉技术——具有多个存储体，各体之间按字交叉的存储技术。
31．存储体冲突——多个请求要访问同一个体。
32．T LB——一个专用高速存储器，用于存放近期经常使用的页表项，其内容是页表部分内容的一个副本。
5.3 降低Cache失效率有哪几种方法？简述其基本思想。
常用的降低Cache失效率的方法有下面几种：（1） 增加Cache块大小。
增加块大小利用了程序的空间局部性。
（2） 提高相联度，降低冲突失效。
（3） V ictim Cache，降低冲突失效。
（4） 伪相联Cache，降低冲突失效。
（5） 硬件预取技术，指令和数据都可以在处理器提出访问请求前进行预取。
（6） 由编译器控制的预取，硬件预取的替代方法，在编译时加入预取的指令，在数据被用到之前发出预取请求。
（7） 编译器优化，通过对软件的优化来降低失效率。
5.4简述减小Cache失效的几种方法。
（1） 让读失效优先于写。
（2） 子块放置技术。
（3） 请求字处理技术。
（4） 非阻塞Cache技术。
（5） 采用两级Cache、5.5通过编译器对程序优化来改进Cache性能的方法有哪几种？简述其基本思想。
（1） 数组合并，通过提高空间局部性来减少失效次数。
有些程序同时用相同的索引来访问若干个数组的同一维，这些访问可能会相互干扰，导致冲突失效，可以将这些相互独立的数组合并成一个复合数组，使得一个Cache块中能包含全部所需元素。
（2） 内外循环交换。
循环嵌套时，程序没有按数据在存储器中的循序访问。
只要简单地交换内外循环，就能使程序按数据在存储器中的存储循序进行访问。
（3） 循环融合。
有些程序含有几部分独立的程序断，它们用相同的循环访问同样的数组，对相同的数据作不同的运算。
通过将它们融合成一个单一循环，能使读入Cache的数据被替换出去之前得到反复的使用。
（4） 分块。
通过改进时间局部性来减少失效。
分块不是对数组的整行或整列进行访问，而是对子矩阵或块进行操作。
5.6 在“Cache—主存”层次中，主存的更新算法有哪几种？？它们各有什么特点？（1） 写直达法易于实现，而且下一级存储器中的数据总是最新的。
（2） 写回法速度块，“写”操作能以Cache存储器的速度进行。
而且对于同一单元的多个写最后只需一次写回下一级存储器，有些“写”只到达Cache，不到达主存，因而所使用的存储器频带较低。
5.7 组相联Cache比相同容量的之直接映象Cache的失效率低。
由此是否可以得出结论：采用组相联Cache一定能带来性能上的提高？为什么？答：不一定。
因为组相联命中率的提高是以增加命中时间为代价的，组相联需要增加多路选择开关。
5.8 写出三级Cache的平均访问时间T A的公式。
平均访存时间＝命中时间＋失效率×失效开销只有第I层的失效时才会访问第I＋1设三级Cache的命中率分别为H L1、 H l2、 H L3，失效率分别为M l1、M l2、M L3，第三级Cache的失效开销为P L3。
平均访问时间T A ＝H L1＋M l1{H l2＋M l2(H L3＋M L3×P L3)}5.9给定以下的假设，试计算直接映象Cache和两路组相联Cache的平均访问时间以及CPU的性能。
由计算结果能得出什么结论？（1） 理想Cache 情况下的CPI 为2.0，时钟周期为2ns ，平均每条指令访存1.2次；（2） 两者Cache 容量均为64KB ，块大小都是32字节；（3） 组相联Cache 中的多路选择器使CPU 的时钟周期增加了10％；（4） 这两种Cache 的失效开销都是80ns ；（5） 命中时间为1个时钟周期；（6） 64KB 直接映象Cache 的失效率为1.4％，64KB 两路组相联Cache 的失效率为1.0％。
解： 平均访问时间＝命中时间＋失效率×失效开销平均访问时间1-路=2.0+1.4% *80=3.12ns平均访问时间2-路=2.0*(1+10%)+1.0% *80=3.0ns两路组相联的平均访问时间比较低CPU time =（CPU 执行+存储等待周期）*时钟周期CPU time =IC （CPI 执行+总失效次数/指令总数*失效开销） *时钟周期=IC （（CPI 执行*时钟周期）+（每条指令的访存次数*失效率*失效开销*时钟周期））CPU time 1-way =IC(2.0*2+1.2*0.014*80)＝5.344ICCPU time 2-way =IC(2.2*2+1.2*0.01*80)＝5.36IC 相对性能比：=−−1way time 2waytime CPU CPU 5.36/5.344=1.003直接映象cache 的访问速度比两路组相联cache 要快1.04倍，而两路组相联Cache 的平均性能比直接映象cache 要高1.003倍。
因此这里选择两路组相联。
5.10 假设一台计算机具有以下特性：（1） 95％的访存在Cache 中命中；（2） 块大小为两个字，且失效时整个块被调入；（3） CPU 发出访存请求的速率为109字/秒；（4） 25％的访存为写访问；（5） 存储器的最大流量为109字/秒（包括读和写）；（6） 主存每次只能读或写一个字；（7） 在任何时候，Cache 中 有30％的块被修改过；（8） 写失效时，Cache 采用写分配法。
现欲给计算机增添一台外设，为此想先知道主存的频带已经使用了多少。
试对于以下两种情况计算主存频带的平均使用比例。
（1） 写直达Cache ；（2） 写回法Cache 。
解：采用按写分配（1）写直达cache 访问命中，有两种情况：读命中，不访问主存；写命中，更新cache 和主存，访问主存一次。
访问失效，有两种情况：读失效，将主存中的块调入cache 中，访问主存两次；写失效，将要写的块调入cache ，访问主存两次，再将修改的数据写入cache和主存，访问主存一次，共三次。
上述分析如下表所示。
访问命中访问类型频率访存次数Y 读95%*75%=71.3% 0 Y 写95%*25%=23.8% 1 N 读5%*75%=3.8% 2 N 写5%*25%=1.3% 3一次访存请求最后真正的平均访存次数=(71.3%*0)+(23.8%*1)+(3.8%*2)+(1.3%*3)＝0.35已用带宽=0.35×109/10 9 =35.0%（2）写回法cache访问命中,有两种情况：读命中，不访问主存；写命中，不访问主存。
采用写回法，只有当修改的cache块被换出时，才写入主存；访问失效,有一个块将被换出，这也有两种情况：如果被替换的块没有修改过，将主存中的块调入cache块中，访问主存两次；如果被替换的块修改过，则首先将修改的块写入主存，需要访问主存两次；然后将主存中的块调入cache块中，需要访问主存两次，共四次访问主存。