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计算机系统结构 - 存储系统层次结构

计算机系统结构 - 存储系统层次结构. << 上海大学计算机系统结构 >> 课程组. 存储系统概述 -1. 现代计算机系统中存储系统占据重要地位 。 在某些情况下，由于科学、工程和数学问题的复杂性，故提出了对中央处理机能力的更高要求；而由于在数据处理和以数据为主的应用中出现了庞大的数据存储量，则提出了对大容量存储器的迫切需要。. 存储系统概述 -2. 中央处理机和主存储器之间在速度上的差距不断增大，在技术上难以解决这种差距。

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计算机系统结构 - 存储系统层次结构

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  1. 计算机系统结构-存储系统层次结构 • <<上海大学计算机系统结构>> • 课程组

  2. 存储系统概述 -1 • 现代计算机系统中存储系统占据重要地位。 • 在某些情况下，由于科学、工程和数学问题的复杂性，故提出了对中央处理机能力的更高要求；而由于在数据处理和以数据为主的应用中出现了庞大的数据存储量，则提出了对大容量存储器的迫切需要。

  3. 存储系统概述 -2 • 中央处理机和主存储器之间在速度上的差距不断增大，在技术上难以解决这种差距。 • 必须从存储系统结构上来克服这种速度上的很大差距。如采用了存储器按模交叉存取，以及诸如高速缓冲存储器、虚拟存储器、并行存储器和存储器分级结构等许多较新的结构概念，使主存储器演变发展成存储系统。

  4. 存储器容量、速度与价格的关系 -1 • 存储器容量SM=W·l·m • W为存储器字长，用位数（bit）或字节数（Byte）表示；l为存储器字数；m为并行工作的存储器个数。

  5. 存储器容量、速度与价格的关系 -2 • 存储器的速度可用访问时间TA、存储周期TM、或频宽Bm表示。 • TA是CPU启动一个访存操作后必须等待的时间。 • TM是存储器进行一次存/取时间。 • Bm是存储器被连续访问时，单位时间内传送的数据量。Bm=W/TM • 若有m个存储器并行工作，则总的存储器频宽为Bm=w·m/TM

  6. 存储器容量、速度与价格的关系 -3 • 存储器的每位价格c=C/SM。 • 每位价格c不仅包含了存储单元本身价格，也包含了存储器外围电路的价格。 • 存储器总价格C正比于SM／TM(或SM／TA)。即正比于W·1·m／TM（或W·1·m／TA）。

  7. 设计原则 • 设计存储系统主要目标是：在尽可能低的价格下，提供尽可能高的速度及尽可能大的存储容量。

  8. Memory Hierarchy（存储层次） • The principle of locality （局部性原理）says that most programs do not access all code or data uniformly. It plus the guideline that smaller hardware is faster, led to hierarchies based on memories of different speeds and sizes.

  9. A typical memory hierarchy

  10. “存储金字塔” 层0：CPU内寄存器组：由编译器完成分配，传送速度按处理机速度 层1：高速缓存（cache）：可几个层次，MMU控制 层2：主存储器：基本存储器，MMU与操作系统管理，存取策略 层3：外存储器（硬盘）：联机存储器（I/O处理） 层4：后援存储器（光盘、磁带机）：海量，联机存储器（I/O处理） 层次关系： M1 M2

  11. 包含性(inclusion) • 形式表示：M1  M2  M3  ...  Mn 所有信息最初存放在最外层Mn，处理过程中Mn的子集复制到Mn-1，Mn-1复制到Mn-2，。。。 定性：在Mi的信息字，可在Mi+1，。。。Mn找到同一信息字，但在Mi-1中不一定能找到。

  12. 一致性 (coherence) 同一信息项与后继存储器层次上的副本应保持一致 实现的二种策略： （1）写直达（WT-write-through) 在Mi中修改了一个字，则在Mi+1中需立即修改。 （2）写回(WB-write-back) Mi+1的修改工作要等到该字在Mi中被替换或从Mi消失时进行。

  13. 局部性 (locality) 90-10规则：典型程序在其10%的代码上耗费执行时间的90%（例如：嵌套循环）。说明CPU对存储器的访问，在时间、空间、次序往往都集中在一定范围内进行。 三个特性： （1）时间局部性：最近的访问项（指令/数据）很可能在不久 的将来再次被访问（往往会引起对最近使用区域的集中访问） （2）空间局部性：一个进程访问的各项其地址彼此很近（往往会访问在存储器空间的同一领域） （3）顺序局部性：按序执行和不按序执行的比例在普通程序中是5：1

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