计算机组成原理(4.1存储子系统概述)-2010

第四章 存储子系统本章需解决的主要问题： (1)存储器如何存储信息？ (2)在实际应用中如何用存储芯片组成具有 一定容量的存储器？ (3)存储系统的层次结构

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4.1 概述4.1.1 存储系统的层次结构(1)主存 (内存) 随机访问 主要存放CPU当前使用的程序和数据。 速度快 容量有限 (2)辅存 (外存) 速度较慢 存放大量的后备程序和数据。 容量大 (3)高速缓存 速度很快 存放CPU在当前一小段时间内 容量小 多次使用的程序和数据。姚爱红 2010秋季学期 2010秋季学期2

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分层存储体系结构示意图 CPU用途： 主存储器之间， 用途：设置在 CPU 和 主存储器之间， 完成高速与 CPU 交换信息，尽量避免 交换信息， CPU不必要地多次直接访问慢速的主

Cache

主存

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存储器，从而提高计算机系统的运行效 存储器 从而提高计算机系统的运行效 率。 实现：这是一个存储容量很小， 实现：这是一个存储容量很小， 但读写速度更快的，以关联存储器方式 但读写速度更快的， 运行、用静态存储器芯片实现的存储器 运行、 系统。 系统。 要求：有足够高的命中率， 要求：有足够高的命中率，即当 CPU需用主存中的数据时，多数情况 需用主存中的数据时， 可以直接从CACHE中得到，称二者之 中得到， 比为命中率。 比为命中率。姚爱红 2010秋季学期 2010秋季学期3

分层存储体系结构示意图 CPU 虚拟存储器( 虚拟存储器(Virtual memory)是由主存-辅存物理 ) Cache

主存

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结构和辅助硬件及操 作系统的 存储管理软件所组成的存储体系。 存储管理软件所组成的存储体系。 用户在使 用这种存储系统 时， 就好象有一个足够大的主存，编 就好象有一个足够大的主存， 程不受主存容量的限制，而实际 程不受主存容量的限制， 上主存并未扩大，因此把这种存 上主存并未扩大， 储系统称虚拟存储器。 储系统称虚拟存储器。姚爱红 2010秋季学期 2010秋季学期4

4.1.2 物理存储器与虚拟存储器

物理存储器：真正在物理上存在的主存储 器。存储容量为物理地址空间，使用物理 地址访问。 虚拟存储器：提供给用户编程使用的存储 器。存储容量为虚拟地址空间，使用的编 程地址为虚拟地址，或者说逻辑地址。哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 2010秋季学期 2010秋季学期5

分层存储体系结构

虚拟存储器和Cache的比较 的比较 虚拟存储器和和主存交换数据的频率比较高， (

1)Cache和主存交换数据的频率比较高，而虚存和主 ) 和主存交换数据的频率比较高 存交换数据的频率比较低。 存交换数据的频率比较低。 是提高存储系统的访问速度， (2)Cache 是提高存储系统的访问速度，它的所有功 ) 能都是用硬件实现。虚存解决的是存储系统的容量， 能都是用硬件实现。虚存解决的是存储系统的容量，它的 所有功能是有操作系统通过软件实现。 所有功能是有操作系统通过软件实现。 块的大小是固定的，每块的容量也比较小。 (3)Cache 块的大小是固定的，每块的容量也比较小。 ) 虚存每次交换的量比较大。主存-CACHE存储器每次传递 虚存每次交换的量比较大。主存 存储器每次传递 是定长的的信息块，长度只有几十字节， 是定长的的信息块，长度只有几十字节，而虚拟存储器信 息块划分方案很多，有页、段等等， 息块划分方案很多，有页、段等等，长度均在几百字节至 几千字节左右。 几千字节左右。哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 2010秋季学期 2010秋季学期6

层次结构中的一些基本概念块(block):相邻两级间的信息交换单位 ： 命中率H: 命中率 ： CPU产生的有效地址可以直接在高层存储器 中访问到的概率。 失配率M: 失配率 ： CPU产生的有效地址不能直接在高层存储器 中访问到的概率。M= 1一H 命中时间HT: 命中时间 ：访问高层存储器所需的时间，其中包括本 次访问是命中还是失配的判定时间。

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层次结构中的一些基本概念( 层次结构中的一些基本概念(续)失配损失： 失配损失：用低层存储器中相应块替换高层存储器中 的块，并将所访问的数据传送到请求访问的设备的时 间。由访问时间和传送时间两部分组成。 访问时间： 访问时间：指失配时，在低层存储器中访问到块中第 一个字的时间。与低层存储器的延迟有关。 传送时间： 传送时间：传送块内字的附加时间。与两级之间的带 宽及块大小有关。哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 2010秋季学期 2010秋季学期8

存储器层次结构的性能由于命中率与硬件速度无关，而与应用程序的行为特性有 关，所以采用以下参数来评价存储器层次结构的性能：

平均存储访问时间 (AMT)=命中时间+失配率×失配损失 ) 即：AMT=HT+M*MP

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两级cache 两级由于CPU发展，主存变大。体系结构设计要求：Cache速 度更快(容量小)以跟上CPU速度，另一方面Cache设计 得更大(速度减慢),以 …… 此处隐藏：1554字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……