存儲(chǔ)系統(tǒng)課件

存儲(chǔ)系統(tǒng)3.1.1存儲(chǔ)系統(tǒng)的定義在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，通常有多種存儲(chǔ)器種類(lèi)：主存儲(chǔ)器、Cache、通用寄存器、先行緩沖存儲(chǔ)器、磁盤(pán)存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器、光盤(pán)存儲(chǔ)器等

材料工藝：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM訪問(wèn)方式：直接譯碼、先進(jìn)先出、隨機(jī)訪問(wèn)、相聯(lián)訪問(wèn)、塊傳送、文件組1、存儲(chǔ)系統(tǒng)(存儲(chǔ)體系、存儲(chǔ)層次)的定義兩個(gè)或兩個(gè)以上速度、容量和價(jià)格各不相同的存儲(chǔ)器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來(lái)成為一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看，它是一個(gè)存儲(chǔ)器，這個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量與容量最大的那個(gè)存儲(chǔ)器相等，單位容量的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲(chǔ)器。2.單位容量的平均價(jià)格C整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的平均單位容量?jī)r(jià)格可以這樣來(lái)計(jì)算：

C=（C1*S1+C2*S2）/（S1+S2）因此，整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的單位容量?jī)r(jià)格C接近于比較便宜的M2存儲(chǔ)器的單位容量?jī)r(jià)格C2。但是S2與S1不能相差太大。否則，存儲(chǔ)系統(tǒng)要達(dá)到比較高的性能，調(diào)度起來(lái)很困難。2.單位容量的平均價(jià)格C整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的平均單位容量?jī)r(jià)格可以這樣來(lái)計(jì)算：

C=（C1*S1+C2*S2）/（S1+S2）

因此，整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的單位容量?jī)r(jià)格C接近于比較便宜的M2存儲(chǔ)器的單位容量?jī)r(jià)格C2。但是S2與S1不能相差太大。否則，存儲(chǔ)系統(tǒng)要達(dá)到比較高的性能，調(diào)度起來(lái)很困難。3.訪問(wèn)周期T

要使存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度與相對(duì)比較快的那個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近，有2條途徑:一條是提高命中率H。另一條是使構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)的兩個(gè)存儲(chǔ)器的速度之比不要太大。

3.1.3頻帶平衡

使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各級(jí)存儲(chǔ)器的頻帶達(dá)到平衡，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的一項(xiàng)重要工作。一般來(lái)說(shuō)，有3條途徑可以解決存儲(chǔ)器的頻帶平衡問(wèn)題。1.多個(gè)存儲(chǔ)器并行工作，并且用并行訪問(wèn)和交叉訪問(wèn)等方法提高存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度。2.設(shè)置各種緩沖存儲(chǔ)器。3.采用儲(chǔ)存系統(tǒng)，特別是Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)。

3.1.4并行存儲(chǔ)器

1.并行訪問(wèn)存儲(chǔ)器在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，把地址碼分成兩個(gè)部分，其中一部分仍作為存儲(chǔ)器的地址去訪問(wèn)存儲(chǔ)器，而另一部分則去控制一個(gè)多路選擇器，從同時(shí)讀出的n個(gè)數(shù)據(jù)中選擇一個(gè)數(shù)據(jù)輸出。并行訪問(wèn)存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)是非常簡(jiǎn)單、容易。主要缺點(diǎn)是訪問(wèn)的沖突大，主要沖突來(lái)自如下幾個(gè)方面：（1）取指令沖突。（2）讀操作數(shù)沖突。（3）寫(xiě)數(shù)據(jù)沖突。（4）讀寫(xiě)沖突。2.交叉訪問(wèn)存儲(chǔ)器交叉訪問(wèn)存儲(chǔ)器通常有兩種工作方式，一種是地址碼高位交叉，另一種是地址碼低位交叉。高位交叉訪問(wèn)存儲(chǔ)器：地址碼的低位部分是各個(gè)存儲(chǔ)體的體內(nèi)地址，高位部分用來(lái)區(qū)分存儲(chǔ)體的體號(hào)。低位交叉訪問(wèn)存儲(chǔ)器：地址碼的低位部分是組成主存儲(chǔ)器的各個(gè)存儲(chǔ)體的體號(hào)，高位部分是各個(gè)存儲(chǔ)體的體內(nèi)地址3.2虛擬存儲(chǔ)器

1961年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Kilbrn等人提出70年代廣泛地應(yīng)用于大中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中目前許多微型機(jī)也開(kāi)始使用虛擬存儲(chǔ)器3.2.1虛擬存儲(chǔ)器工作原理3.2.2地址的映象和變換方法3.3.3加快內(nèi)部地址變換速度的方法3.3.4頁(yè)面替換算法及其實(shí)現(xiàn)方法3.2.1虛擬存儲(chǔ)器工作原理

頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器是虛擬存儲(chǔ)器中用得比較廣泛的一種，另外的段式虛擬存儲(chǔ)器河段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器主要是因?yàn)榈刂纷儞Q方法不同產(chǎn)生的。一個(gè)用戶程序要訪問(wèn)虛擬存儲(chǔ)器時(shí)，必須給出多用戶虛擬地址Av。在操作系統(tǒng)和有關(guān)硬件的共同管理下，首先進(jìn)行內(nèi)部地址變化。如果變化成功，得到主存實(shí)頁(yè)號(hào)批，，而多用戶虛擬地址中的頁(yè)內(nèi)偏移D可以直接作為主存實(shí)地址中的頁(yè)內(nèi)偏移d，這樣，只要把主存實(shí)頁(yè)號(hào)p與它的頁(yè)內(nèi)偏移d直接拼接起來(lái)就得到主存實(shí)地址A。于是，就可以用這個(gè)主存實(shí)地址A去訪問(wèn)主存儲(chǔ)器，得到所需要的數(shù)據(jù)。

2.頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式

頁(yè)式存儲(chǔ)管理是將程序空間和主存空間都等分成相同大小的頁(yè)面，程序調(diào)入、調(diào)出主存以頁(yè)面為單位。頁(yè)式存儲(chǔ)管理虛、實(shí)地址的變化過(guò)程是：根據(jù)某道程序給出的訪存虛地址，用程序號(hào)U到頁(yè)表基址寄存器中找到相應(yīng)的頁(yè)表基址寄存器，從中取出頁(yè)表基址；把頁(yè)表基址與虛地址中的虛頁(yè)號(hào)P相加后得到該程序的頁(yè)表中相應(yīng)行的物理地址；讀出這個(gè)物理地址制定的相應(yīng)行中“裝入位”字段的內(nèi)容；若裝入位為“0”，則發(fā)生頁(yè)面失效，需要調(diào)入該頁(yè)；若裝入位為“1”，則讀出該行中“實(shí)頁(yè)號(hào)”字段的內(nèi)容p，即要訪問(wèn)的存儲(chǔ)字所在虛頁(yè)在主存中的起始地址，將p與虛地址中的頁(yè)內(nèi)偏移D相加即為主存實(shí)地址。

3.段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式段頁(yè)式存儲(chǔ)管理是將程序按邏輯上相對(duì)獨(dú)立分成段，再把各段和主存空間都等分成相同大小的頁(yè)面，由多個(gè)段組成的一道程序通過(guò)一個(gè)段表和相應(yīng)的一組頁(yè)表在主存空間定位。在段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器中，程序完成一次訪存操作，需要查2次表，一次查段表，一次查頁(yè)表。3.2.3加快內(nèi)部地址變換的方法1.目錄表：壓縮頁(yè)表的存儲(chǔ)容量，用一個(gè)容量比較小的高速存儲(chǔ)器來(lái)存放頁(yè)表，從而加快頁(yè)面的查表速度。2.快慢表3.散列函數(shù)

3.2.4頁(yè)面替換算法及其實(shí)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生實(shí)頁(yè)沖突時(shí)，就需要使用某一種替換算法來(lái)指定主存中的哪一個(gè)虛頁(yè)作為被替換頁(yè)調(diào)出主存，使調(diào)入的虛頁(yè)占用這個(gè)實(shí)頁(yè)的位置。1.隨機(jī)替換算法：由硬件或軟件隨機(jī)產(chǎn)生被替換的虛頁(yè)號(hào)。

2.先進(jìn)先出替換算法3.近期最少使用替換算法4.最優(yōu)替換算法:

指定未來(lái)的近期不用或很久才用得虛頁(yè)作為被替換頁(yè)。3.3高速緩沖存儲(chǔ)器

3.3.1基本工作原理3.3.2地址映象與變換方法3.3.3Cache替換算法及其實(shí)現(xiàn)3.3.4Cache的一致性問(wèn)題3.3.2地址映像與變換方法1.全相聯(lián)地址映像及地址變換全相聯(lián)地址映像把主存空間和Cache空間都按大小相等的塊劃分，而主存的任意一塊可以裝入Cache中的任意一個(gè)塊位置上。2.直接地址映像及地址變換直接地址映像把主存空間按Cache的大小劃分為若干個(gè)區(qū)，主存各個(gè)區(qū)中的區(qū)內(nèi)塊號(hào)相同的那些主存塊可以裝入Cache中同一塊號(hào)的那個(gè)塊位置上。3.組相聯(lián)地址映像及地址變換組相聯(lián)地址映像把主存空間按Cache大小分區(qū)，主存中的各區(qū)和Cache再按同樣大小劃分成數(shù)量相同的組，組內(nèi)按同樣大小再劃分成數(shù)量相同的塊，主存的塊到Cache的組之間采用直接映像，2個(gè)對(duì)應(yīng)組的塊之間采用全相聯(lián)映像。3.3.3Cache替換算法及其實(shí)現(xiàn)

介紹四種Cache替換算法。1.輪換法：分為每塊一個(gè)計(jì)數(shù)器和每組一個(gè)計(jì)數(shù)器。2.LFU算法3.比較對(duì)法4.堆棧法3.3.4Cache的性能分析1.Cache系統(tǒng)的加速比假設(shè)Cache的訪問(wèn)周期為T(mén)C，主存儲(chǔ)器的訪問(wèn)周期為T(mén)m,Cache系統(tǒng)的等效訪問(wèn)周期為T(mén)，Cache的命中率為H。則，Cache系統(tǒng)的加速比SP可以定義為：

加速比越高，說(shuō)明Cache系統(tǒng)的等效訪問(wèn)速度與Cache的速度越接近，也就越好。2.Cache的一致性問(wèn)題物理Cache中的塊位置上存放的塊是主存相應(yīng)塊的副本，Cache塊應(yīng)與相應(yīng)的主存塊的內(nèi)容保持一致。但是，當(dāng)CPU對(duì)Cache塊執(zhí)行寫(xiě)操作后，Cache塊與相應(yīng)主存塊的內(nèi)容就會(huì)不一致，這就是Cache的一致性問(wèn)題。解決Cache一致性的問(wèn)題有2個(gè)方法:1)寫(xiě)回法：CPU在執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，被寫(xiě)數(shù)據(jù)只寫(xiě)入Cache塊中，不寫(xiě)入主存塊中，僅當(dāng)Cache塊被替換時(shí)，才更新主存塊。2)寫(xiě)直達(dá)法：CPU在執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，必須把數(shù)據(jù)同時(shí)寫(xiě)入Cache塊和主存塊中。3.4三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)用Cache、主存、輔存這三個(gè)物理存儲(chǔ)器組成一個(gè)三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織方式有以下2種方式：1.兩個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織方式把Cache、主存和輔存組織成“Cache-主存”和“主存-輔存”兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)系統(tǒng)，這個(gè)三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)也稱(chēng)為物理地址Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)。2.一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織方式把Cache、主存和輔存組織成“Cache-主存-輔存”三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，這種三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)稱(chēng)為虛擬地址Cache存儲(chǔ)系