计算机系统结构第4章(存储系统)
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(2)由主存和磁盘存储器组成的“主存-辅存”存 储系统,因采用虚拟存储技术,也称为虚拟存储器.
Cache
主存
辅存
三级存储系统
虚拟存储器(Virtual Memory )是针对主存容量 不能满足要求而提出来的,在主存和辅存之间增加 辅助的软件和硬件,使主存和辅存构成一个整体. 等效的访问速度接近于主存访问速度,容量是辅存 的容量,每位价格接近于辅存.
存储系统的透明性是由对存储系统进行管理的 硬件和软件来实现的.
4.三级存储系统
多数计算机是由高速缓冲存储器(Cache)、主存 储器和磁盘存储器(辅存)构成一个三级存储系统.
实现方式:组织成2个独立的二级存储系统.
(1)由Cache和主存组成的“Cache-主存”存储 系统,或称为Cache存储器.
是辅存的地址空间,而是比实际物理地址空间大得多的 虚拟地址空间,并且用像主存一样的随机访问方式. 2.存储系统的带宽 存储器被连续访问时能提供的数据传输率称为存储器 的最大带宽(一般用每秒钟所传送的信息位数来衡量)。由于 存储器不一定始终满负荷工作,因此,存储器的实际带宽 一般低于最大带宽.
程序访问局部性指出了最近的未来要使用的指令和 数据很可能就是正在使用的指令和数据,或者是与 正在使用的指令和数据在存储空间位置上相邻的 指令和数据.因此,可以把存储空间位置相邻的信息 作为一“块”或一“页”放到容量最小但速度最 快的一级存储器中,从而可以使访问速度接近速度 最快的那一级的存储器的速度.
4.1.2存储系统的性能指标
两个存储器组成的存储系统.
T1＜ T2 , S1 ＜S2 , C1＞ C2
存储系统的性能指标
1.存储系统的容量 S 存储系统对计算机的使用者提供尽可能大地址空间,且
能够随机访问. 对于Cache存储器,其容量等于主存的容量,既M=M2. 对于虚拟存储器,其容量既不是主存的地址空间,也不
4.1.1 存储器的层次结构 4.1.2存储系统的性能指标
存储器的层次结构
计算机中的存储器
类型:
主存储器、Cache、通用寄存器、 各种缓冲存储器
构成材料: ECL, TTL, MOS，磁表面存储器，光 存储器,SRAM,DRAM 直接译码、随机访问、相联访问、块
访问方式： 交换、文件组、手工加载等
的页面替换算法。 4.掌握Cache存储系统的地址映象及变换方法以
及Cache存储系统的块替换算法。
第4章 存储系统/Memory System
【学习内容】
4.1 存储系统的层次结构与性能指标 4.2并行存储器
4.3虚拟存储器 4.4高速缓冲存储器（Cache) 4.5三级存储系统
4.1 存储系统的层次结构与性能指标
存储器的层次结构
存储器的主要性能指标 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等表示 价格: 用单位容量的价钱表示，例如$C/bit
存储器的层次结构
存储系统的定义
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系统。
第3章 存储系统/Memory System
以存储器为 中心的计算 机结构
主存
读缓存 读缓 写缓 器指令 存器 存器
CPU
I/O I/O 部部 件件
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/Memory System
【学习目标】
1.领会存储系统的含义及其性能指标. 2. 理解并行存储器的工作原理。 3.掌握虚拟存储系统的工作原理和虚拟存储系统
3.存储系统的透明性要求
存储系统应满足以下透明性要求:
(1)在程序执行期间,CPU产生一个连续的逻辑地 址流,逻辑地址需要变换为某个Mi的物理地址,才能
实现对Mi的访问,这钟地址变换对程序员应该是透
明的.
(2) 在两个相临的存储器Mi 和Mi+1 之间调入和调 出块或页的操作对程序员也应该是透明的.
Cache存储器是针对主存速度不能满足而提出 来的,在物理Cache和主存之间增加辅助硬件,使 Cache和主存构成一个整体, Cache存储器的等效 访问速度接近物理Cache访问速度,容量却是主存 的容量,每位价格接近主存的价格.
三级存储系统
虚拟存储器和Cache存储器对应用程序员都是 透明的.由于CPU与主存的速度只差1个数量级,主 存与辅存的速度却差3～4个数量级,因此, Cache 只能全部采用硬件来实现.
1.程序访问局部性 2.存储系统的多级层次结构 3.存储系统的透明性要求 4.三级存储系统
1.程序访问局部性
程序访问局部性包括:时间局部性和空间局部性.
时间局部性:程序在最近的未来要用到的信息很可能 是在正在使用的信息. 如循环程序的多次重复使用.
空间局部性:程序在最近的未来用用到的信息很可能 同现在使用的信息在存储空间位置上是相邻近的.
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。
具有这种层次的存储系统能获得比较高的性能 价格比的重要依据是:程序对程序空间的访问具有 程序访问局部性的wenku.baidu.com点.
存储器的层次结构
Cache存储器对系统程序员也是透明的,操作 系统不会参与对Cache存储器的管理.
在虚拟存储器中,为了降低成本,有部分功能由 操作系统的存储管理软件来实现,因此,虚拟存储器 对系统程序员是不透明的.
目前,很多CPU的芯片内集成有Cache,因此把 Cache又分为相临的二级,片内Cache称为一级 Cache,片外Cache称为二级Cache.
2.存储系统的多级层次结构 例如:
由n个速度、容量、价格各不相同的存储器组成的存储系统.其中, M1级最靠近CPU,它的速度最快,或者说M1的访问周期T1最小,正是 通过高速的M1使存储系统的访问速度能与CPU的速度匹配.但是, 高速的M1的单位容量的平均价格同速度较低的存储器相比要贵得 多,容量S1也因为价格的限制不能T太大.多层次结构的存储系统的 性能价格比有优于任何的单级存储器.
Cache
主存
辅存
三级存储系统
虚拟存储器(Virtual Memory )是针对主存容量 不能满足要求而提出来的,在主存和辅存之间增加 辅助的软件和硬件,使主存和辅存构成一个整体. 等效的访问速度接近于主存访问速度,容量是辅存 的容量,每位价格接近于辅存.
存储系统的透明性是由对存储系统进行管理的 硬件和软件来实现的.
4.三级存储系统
多数计算机是由高速缓冲存储器(Cache)、主存 储器和磁盘存储器(辅存)构成一个三级存储系统.
实现方式:组织成2个独立的二级存储系统.
(1)由Cache和主存组成的“Cache-主存”存储 系统,或称为Cache存储器.
是辅存的地址空间,而是比实际物理地址空间大得多的 虚拟地址空间,并且用像主存一样的随机访问方式. 2.存储系统的带宽 存储器被连续访问时能提供的数据传输率称为存储器 的最大带宽(一般用每秒钟所传送的信息位数来衡量)。由于 存储器不一定始终满负荷工作,因此,存储器的实际带宽 一般低于最大带宽.
程序访问局部性指出了最近的未来要使用的指令和 数据很可能就是正在使用的指令和数据,或者是与 正在使用的指令和数据在存储空间位置上相邻的 指令和数据.因此,可以把存储空间位置相邻的信息 作为一“块”或一“页”放到容量最小但速度最 快的一级存储器中,从而可以使访问速度接近速度 最快的那一级的存储器的速度.
4.1.2存储系统的性能指标
两个存储器组成的存储系统.
T1＜ T2 , S1 ＜S2 , C1＞ C2
存储系统的性能指标
1.存储系统的容量 S 存储系统对计算机的使用者提供尽可能大地址空间,且
能够随机访问. 对于Cache存储器,其容量等于主存的容量,既M=M2. 对于虚拟存储器,其容量既不是主存的地址空间,也不
4.1.1 存储器的层次结构 4.1.2存储系统的性能指标
存储器的层次结构
计算机中的存储器
类型:
主存储器、Cache、通用寄存器、 各种缓冲存储器
构成材料: ECL, TTL, MOS，磁表面存储器，光 存储器,SRAM,DRAM 直接译码、随机访问、相联访问、块
访问方式： 交换、文件组、手工加载等
的页面替换算法。 4.掌握Cache存储系统的地址映象及变换方法以
及Cache存储系统的块替换算法。
第4章 存储系统/Memory System
【学习内容】
4.1 存储系统的层次结构与性能指标 4.2并行存储器
4.3虚拟存储器 4.4高速缓冲存储器（Cache) 4.5三级存储系统
4.1 存储系统的层次结构与性能指标
存储器的层次结构
存储器的主要性能指标 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等表示 价格: 用单位容量的价钱表示，例如$C/bit
存储器的层次结构
存储系统的定义
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系统。
第3章 存储系统/Memory System
以存储器为 中心的计算 机结构
主存
读缓存 读缓 写缓 器指令 存器 存器
CPU
I/O I/O 部部 件件
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/Memory System
【学习目标】
1.领会存储系统的含义及其性能指标. 2. 理解并行存储器的工作原理。 3.掌握虚拟存储系统的工作原理和虚拟存储系统
3.存储系统的透明性要求
存储系统应满足以下透明性要求:
(1)在程序执行期间,CPU产生一个连续的逻辑地 址流,逻辑地址需要变换为某个Mi的物理地址,才能
实现对Mi的访问,这钟地址变换对程序员应该是透
明的.
(2) 在两个相临的存储器Mi 和Mi+1 之间调入和调 出块或页的操作对程序员也应该是透明的.
Cache存储器是针对主存速度不能满足而提出 来的,在物理Cache和主存之间增加辅助硬件,使 Cache和主存构成一个整体, Cache存储器的等效 访问速度接近物理Cache访问速度,容量却是主存 的容量,每位价格接近主存的价格.
三级存储系统
虚拟存储器和Cache存储器对应用程序员都是 透明的.由于CPU与主存的速度只差1个数量级,主 存与辅存的速度却差3～4个数量级,因此, Cache 只能全部采用硬件来实现.
1.程序访问局部性 2.存储系统的多级层次结构 3.存储系统的透明性要求 4.三级存储系统
1.程序访问局部性
程序访问局部性包括:时间局部性和空间局部性.
时间局部性:程序在最近的未来要用到的信息很可能 是在正在使用的信息. 如循环程序的多次重复使用.
空间局部性:程序在最近的未来用用到的信息很可能 同现在使用的信息在存储空间位置上是相邻近的.
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。
具有这种层次的存储系统能获得比较高的性能 价格比的重要依据是:程序对程序空间的访问具有 程序访问局部性的wenku.baidu.com点.
存储器的层次结构
Cache存储器对系统程序员也是透明的,操作 系统不会参与对Cache存储器的管理.
在虚拟存储器中,为了降低成本,有部分功能由 操作系统的存储管理软件来实现,因此,虚拟存储器 对系统程序员是不透明的.
目前,很多CPU的芯片内集成有Cache,因此把 Cache又分为相临的二级,片内Cache称为一级 Cache,片外Cache称为二级Cache.
2.存储系统的多级层次结构 例如:
由n个速度、容量、价格各不相同的存储器组成的存储系统.其中, M1级最靠近CPU,它的速度最快,或者说M1的访问周期T1最小,正是 通过高速的M1使存储系统的访问速度能与CPU的速度匹配.但是, 高速的M1的单位容量的平均价格同速度较低的存储器相比要贵得 多,容量S1也因为价格的限制不能T太大.多层次结构的存储系统的 性能价格比有优于任何的单级存储器.