分级存储体系的形成.ppt

目前，主存容量急剧增加，如个人计算机的主存 已从几K字节增加到几M至几十M字节，但由于成本的 限制还不能充分满足程序的要求。也就是说，系统 程序、应用程序以及数据所需要的总存储空间一般 都超过主存容量，因而只能把当前要用到的或经常 要用到的部分放在主存中，而把其他暂不用或不常 用的部分放在低速、大容量的辅助存储器中作为后 援；当要用到它们时，再把它们从辅存调往主存。
通常把能访问虚拟空间的指令地址码称为虚拟地址或逻辑 地址，而把实际主存的地址称物理地址或实存地址。物理地 址对应的存储容量称为主存容量或实存容量。
为协调程序的局部性和存储器区间管理，可以将存储器分 割成定长的块——页，以页为单位装入程序；也可以按程序 的模块大小将存储器分割成不定长的块——段；或者将页、 段结合。因而可以形成常用的页式、段式、段页式3种虚拟存 储器。
访问的局部性是存储系统层次结构技术可行性的基础。这 样，才有可能把计算机频繁访问的信息放在速度较高的存储 器中，而将不频繁访问的信息放在速度较低、价格也较低的 存储器中。
3. 命中率和访问周期 在层次结构的存储系统中，某一级的命中率是指对该级
存储器来说，要访问的信息正好在这一级中的概率，即命中 的访问次数与总访问次数之比。其中，最主要的是指CPU产生 的逻辑地址能在内存中访问到的概率。它同传送信息块的大 小、这一级存储器的容量、存储管理策略等因素有关。
提高存储器的带宽可以从以下几个方面入手： • 缩短存储周期 • 增加存储器字长，使每个周期可以访问更多的二进 制位 • 增加存储体，且同时访问两个以上的存储体。
(3) 容量
计算机存储器的容量是计算机存储信息的能力。 一个存储器的容量常用有多少个存储单元、每个单 元有多少位表示。如存储容量为4K×8，则表示能存 储4×1024个8位长的二进制数码。另外也可以用能 存储多少字节(每字节为8位二进制代码)表示，故前 例也可称容量为4KB。
在基于访问的局部性而实现的存储器层次体系中，如果 存储器的容量足够大、系统调度得当，可以获得较高的命中 率H。
评价存储体系的另一个更重要的指标是平均访问周期TA。 它是与命中率关系密切的最基本的存储体系的评价指标。

为简化问题，下边只考虑一个二级存储系统，它由存储器 M1和M2组成。设在执行或模拟一段有代表性的程序后，在 M1和M2中访问的次数分别为R1和R2，则M1的命中率为
•存取周期是指先读出一个单元的数据，随后又将一个 数据写入该存储地址单元操作所需的最小间隔时间
•存储器带宽是指每秒钟访问的二进制位的数目
当计算机进入集成电路时代后，CPU的速度明显提 高，CPU的速度约比存储器高了一个数量级。存储器能 否与CPU匹配工作？
为了解决存储器与CPU速度匹配的问题，现代计算 机要在主存与CPU之间增加一级或多级高速缓存Cache。
联机存储
联机文件 可卸存储
2. 存储器访问的局部性 容量、速度、成本的折衷，迫使存储系统不得不从经济的 角度考虑采用分层结构，而存储器访问的局部性保证了分层 结构在技术上的可用性。
访问的局部性可分为时间上的局部性和空间上的局部性： • 时间上的局部性指的是当前正在使用的信息很可能是后面 立刻还要使用的信息，例如，程序循环和堆栈等操作中的信 息 • 空间上的局部性是指连续使用到的信息很可能在存储空间上 相邻或相近，例如，以顺序执行为主流的程序和数据(如数组)
H＝R1/(R1+R2 ) CPU对整个存储系统的平均访问周期为:
TA＝H×TA1+(1-H) ×TA2;
如果把存储层次中相邻两级的访问周期比值叫做 r=TA2/TA1， 又规定存储层次的访问效率e=TA1/TA，可以得出 :
e＝TA1/TA=TA1/(H×TA1+(1-H) ×TA2)
=1/(H+(1-H)r) =1/(r+(1-r)H)
使用这样的存储体系，从CPU看，存储速度接近于最上 层的，容量及成本却是接近最下层的，大大提高了系统的性 能价格比。
CPU芯片内 主机内
处理器 寄存器
高速缓冲存储器
主存储器 （SRAM,DRAM)
外部设备
辅助存储器 （磁盘存储器等）
大容量（海量）存储器 （光盘、磁带存储器）
图2.2 存储系统的层次结构
通常r=5～10是比较合理的
2.3.2 虚拟存储器
电视机的屏幕很小，可是却能从中看到世界。原因是，人 们可以设法把世界一块一块地显示在屏幕上。
虚拟存储器与此相似，它是以存储器访问的局部性为基础， 建立在主-辅存体系上的存储管理技术。它的基本思想是通过 某种策略，把辅存中的信息一部分一部分地调入主存，以给 用户提供一个比实际主存容量大得多的地址空间来访问主存。
2.3 分级存储体系的形成
2.3.1 对存储系统的性能要求 2.3.2 存储系统的分层结构 2.3.3 虚拟存储器 2.3.4 Cache-主存结构
2.3.1 对存储系统的性能要求 (1) 每位成本 每位成本即折合到每一位的存储器造价，是存储器
的主要经济指标。
(2) 存取速度和带宽
•存取时间分读出时间和写入时间
2.3.1 多级存储体系的建立
1. 实际的存储器制约因素是价格(每位成本)、容量和速 度。这3个基本指标是矛盾的。
合理地分配容量、速度和价格的有效措施是实现分级存储。 这是一种把几种存储技术结合起来，互相补充的折衷方案。 图2.2是典型的存储系统层次结构示意图（见下一页）。
这个层次结构有如下规律(从上到下)： · 价格依次降低； · 容量依次增加； · 访问时间依次增长； · CPU访问频度依次减小。
层次结构存储系统所追求的目标应是e越接近1越 好，也就是说，系统的平均访问周期越接近较快的 一级存储器的访问周期(TA1)越好。e是r和H的函数， 提高e可以从r和H两个方面入手。
(1) 提高H的值，即扩充最高一级存储器的容量。 但是这要付出很高的代价。
( 2 ) 降 低 r， 由 图 2 . 3 可 见 ， 当 r=100 时 ， 为 使 e>0.9，必须使H>0.998；而当r=2时，要得到同样的 e， 只 要 求 H>0.889。 可 见 在 层 次 结 构 存 储 系 统 中 ， 相邻两级存储器间的速度差异不可太大。