第三章 存储系统 《计算机系统结构》PPT课件

=1字节，程序中无转移指 M3 109B TB3=100us
109B
令和内存读/写指令。
(a)
(b)
(1)按图(a)求T和e；
(2)按图(b)推导三层体系的T公式；
(3)按图(b)求T和e；
(4)比较(1)(3)结果，有何结论？
解：
(1)
H1
10 3 10
3
1，1
H1
Baidu Nhomakorabea
1 10 3
T H 1 T1 (1 H 1 ) TB 3
e T1 99% T
(4) 结论：插入中间层后，层间速度差减少，访问效率提高。
习题： P202，题3。
•访问效率e受H和r的影响
• (5)加速比（P193）
Cache-主存层次的主要作用是提高访问速度，系统的等效 速度应高于主存（即M2）的原有速度，两个速度之比称为 加速比。
等效速度 S p M 2速度
M
时间
2
等效时间
T2 T
T2
H T1 (1 H ) T2
1
(1 H ) H / r
其中r = T2 / T1
3.1.2 存储器的层次结构
速 度
通用寄存器M1
第一层
容 量
提
高速缓冲存储器M2
第二层
高
增 加
主存储器M3
第三层
辅助存储器M4
第四层
脱机大容量存储器M5
第五层
每级存储器的性能参数可以表示为Ti，Si，Ci。存储系统 的性能可表示为：Ti<Ti+1；Si<Si+1；Ci>Ci+1。
• 要求：存储系统的容量接近M2存储器的容量 提供尽可能大的地址空间，且能够随机访问
• 方法有两种： ➢只对M2存储器编址，M1存储器只在内部编址 ➢另外设计一个容量很大的逻辑地址空间
（2）单位容量的平均价格 C :
c
c1 S1 c2 S 2
S1 S2
c1
c2
S1 S 2
S1 1
S2
它的最小值是
lim c
S1 0
c2
S2
（3）速度 命中率：
H N1 ，0H1 N1N2
其中N1是对M1的访问次数，N2是对M2的访问次数 等效访问时间：命中时的访问时间为T1，不命中时的 访问时间为T2，等效访问时间则是它们的概率均值
TH T 1(1H )T 2
(4）访问效率：访问效率e受H和r的影响：
处理器和主存储器间接口 是整个计算机中的关键通 路，如果存储器/通路跟不 上处理器的持续不断的要 求，处理器会阻塞并处于 等待状态。宝贵的处理器 时间被浪费了.
方法：
e T1 T
T1
H T 1 (1 H ) T 2
1
H (1 H ) r
1
r (1 r ) H
其中r = T2 / T1
H e ， r e 。
例3.1：在虚拟存储系统中，两级存储器的速度相差 特别悬殊T2＝105 T１。如果要使访问效率e＝0.9， 问需要有多高的命中率？
解： 0.9=1/(H+(1-H)100000)) 0.9H＋90000(1－H)＝1 89999.1H＝89999 计算得H＝0.999998888877777…≈0.999999
H 1 T1 (1 H 1 ) H 2 TB 2 (1 H 1 ) (1 H 2 ) TB 3
(3) H2
103 1 103
,
1 H2
1 103
T
103 1 103
´1s
1 103
´
103 1
103
´10
s
1 103
´100
s
106
104
103 106
102
10
s
(1 1%)×T1
• 提高存储系统速度的两条途径： 一是提高命中率H 二是两个存储器的速度不要相差太大
其中：第二条有时做不到(如虚拟存储器)，因此， 主要依靠提高命中率
•增加中间层对e的影响
例3.4 有一个109字节的
M1 103B T1=1us
103B
程序被装入右图所示的M3 准备运行。假定指令字长
M2 106B TB2=10us
10 3 10 3
1
1 s
1 10 3
100
s
10
3
10 10 3
2
1
s
(1
10
%)
T1
e T1 91 % T
(2) T H 1 T1 (1 H 1 ) T2
T2 H 2 TB 2 (1 H 2 ) TB 3
由上面 2式有
T H 1 T1 (1 H 1 ) H 2 TB 2 (1 H 2 ) TB 3
价格 减少
文件 访问 Cache 时间
增加
磁盘
磁带
容量 (a) 网络存储系统层次结构(1980年)
客户机
文件 服务器
文件 Cache 本地磁盘
局域网
服务器Cache
服务器“ 远程”磁盘
磁带
(b) 网络存储系统层次结构(1990年)
在线存储 (On-line storage)
联机后备存储 (Near-line storage)
理想的存储器
容量无限 速度很快 价格便宜
第三章 存储系统
冯•诺依曼机的改进：
运算器为中心
存储器为中心
目的：存放计算机系统中所需处理的程序与数据 。
信息存储和交换的中心。
主存
缓缓缓 指 存 读存 写存 令器 器 器
CPU
I/O
I/O
…部 …部
件
件
以存储器为中心的计算机结构 存储器≠存储系统
存储系统的性能参数
脱机后备存储 (off-line storage)
客户机 Cache
局域网 服 务 器 Cache 磁盘阵列
广域网
自动光盘机 磁带或光盘库 后援磁带或光盘
附 网 存 储 NAS /存 储 区 域 网 SAN
(d) 网络存储系统层次结构(当前)
▪ CPU和主存储器的接口不匹配问题
处理器速度、存储器容量 快速增长，但主存储器和 处理器间的数传率却严重 滞后。
计算机存储系统三个基本参数：
❖ 存储容量S：以字节数表示，单位为B、KB、 MB、GB、TB等。
❖ 存储器速度T：存储器访问周期，与命中率 有关。
❖ 存储器价格C：表示单位容量的平均价值,单 位为＄C/bit或＄C/KB。
M1 (S1,C1,T1)
M2 (S2,C2,T2)
(S,C,T)
（1）存储容量 S:
e T T 1 H T 1 ( T 1 1 H )T 2 H ( 1 1 H )T 2 f(H ,T T 1 2 ) T 1
例3.2：假设T2＝５T１，在命中率H为0.9和0.99两种情 况下，分别计算存储系统的访问效率。
解： 当H＝0.9时，e1＝1／(0.9＋5(1－0.9))＝0.72 当H＝0.99时，e2＝1／(0.99＋5(1－0.99))＝0.96