存储系统课件

存储系统3.1.1存储系统的定义在一台计算机中，通常有多种存储器种类：主存储器、Cache、通用寄存器、先行缓冲存储器、磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等

材料工艺：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM访问方式：直接译码、先进先出、随机访问、相联访问、块传送、文件组1、存储系统(存储体系、存储层次)的定义两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个存储系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。2.单位容量的平均价格C整个存储系统的平均单位容量价格可以这样来计算：

C=（C1*S1+C2*S2）/（S1+S2）因此，整个存储系统的单位容量价格C接近于比较便宜的M2存储器的单位容量价格C2。但是S2与S1不能相差太大。否则，存储系统要达到比较高的性能，调度起来很困难。2.单位容量的平均价格C整个存储系统的平均单位容量价格可以这样来计算：

C=（C1*S1+C2*S2）/（S1+S2）

因此，整个存储系统的单位容量价格C接近于比较便宜的M2存储器的单位容量价格C2。但是S2与S1不能相差太大。否则，存储系统要达到比较高的性能，调度起来很困难。3.访问周期T

要使存储系统的速度与相对比较快的那个存储器的速度接近，有2条途径:一条是提高命中率H。另一条是使构成存储系统的两个存储器的速度之比不要太大。

3.1.3频带平衡

使计算机系统中各级存储器的频带达到平衡，使系统结构设计者的一项重要工作。一般来说，有3条途径可以解决存储器的频带平衡问题。1.多个存储器并行工作，并且用并行访问和交叉访问等方法提高存储器的访问速度。2.设置各种缓冲存储器。3.采用储存系统，特别是Cache存储系统。

3.1.4并行存储器

1.并行访问存储器在具体实现时，把地址码分成两个部分，其中一部分仍作为存储器的地址去访问存储器，而另一部分则去控制一个多路选择器，从同时读出的n个数据中选择一个数据输出。并行访问存储器的优点是非常简单、容易。主要缺点是访问的冲突大，主要冲突来自如下几个方面：（1）取指令冲突。（2）读操作数冲突。（3）写数据冲突。（4）读写冲突。2.交叉访问存储器交叉访问存储器通常有两种工作方式，一种是地址码高位交叉，另一种是地址码低位交叉。高位交叉访问存储器：地址码的低位部分是各个存储体的体内地址，高位部分用来区分存储体的体号。低位交叉访问存储器：地址码的低位部分是组成主存储器的各个存储体的体号，高位部分是各个存储体的体内地址3.2虚拟存储器

1961年英国曼彻斯特大学Kilbrn等人提出70年代广泛地应用于大中型计算机系统中目前许多微型机也开始使用虚拟存储器3.2.1虚拟存储器工作原理3.2.2地址的映象和变换方法3.3.3加快内部地址变换速度的方法3.3.4页面替换算法及其实现方法3.2.1虚拟存储器工作原理

页式虚拟存储器是虚拟存储器中用得比较广泛的一种，另外的段式虚拟存储器河段页式虚拟存储器主要是因为地址变换方法不同产生的。一个用户程序要访问虚拟存储器时，必须给出多用户虚拟地址Av。在操作系统和有关硬件的共同管理下，首先进行内部地址变化。如果变化成功，得到主存实页号批，，而多用户虚拟地址中的页内偏移D可以直接作为主存实地址中的页内偏移d，这样，只要把主存实页号p与它的页内偏移d直接拼接起来就得到主存实地址A。于是，就可以用这个主存实地址A去访问主存储器，得到所需要的数据。

2.页式存储管理方式

页式存储管理是将程序空间和主存空间都等分成相同大小的页面，程序调入、调出主存以页面为单位。页式存储管理虚、实地址的变化过程是：根据某道程序给出的访存虚地址，用程序号U到页表基址寄存器中找到相应的页表基址寄存器，从中取出页表基址；把页表基址与虚地址中的虚页号P相加后得到该程序的页表中相应行的物理地址；读出这个物理地址制定的相应行中“装入位”字段的内容；若装入位为“0”，则发生页面失效，需要调入该页；若装入位为“1”，则读出该行中“实页号”字段的内容p，即要访问的存储字所在虚页在主存中的起始地址，将p与虚地址中的页内偏移D相加即为主存实地址。

3.段页式存储管理方式段页式存储管理是将程序按逻辑上相对独立分成段，再把各段和主存空间都等分成相同大小的页面，由多个段组成的一道程序通过一个段表和相应的一组页表在主存空间定位。在段页式虚拟存储器中，程序完成一次访存操作，需要查2次表，一次查段表，一次查页表。3.2.3加快内部地址变换的方法1.目录表：压缩页表的存储容量，用一个容量比较小的高速存储器来存放页表，从而加快页面的查表速度。2.快慢表3.散列函数

3.2.4页面替换算法及其实现当发生实页冲突时，就需要使用某一种替换算法来指定主存中的哪一个虚页作为被替换页调出主存，使调入的虚页占用这个实页的位置。1.随机替换算法：由硬件或软件随机产生被替换的虚页号。

2.先进先出替换算法3.近期最少使用替换算法4.最优替换算法:

指定未来的近期不用或很久才用得虚页作为被替换页。3.3高速缓冲存储器

3.3.1基本工作原理3.3.2地址映象与变换方法3.3.3Cache替换算法及其实现3.3.4Cache的一致性问题3.3.2地址映像与变换方法1.全相联地址映像及地址变换全相联地址映像把主存空间和Cache空间都按大小相等的块划分，而主存的任意一块可以装入Cache中的任意一个块位置上。2.直接地址映像及地址变换直接地址映像把主存空间按Cache的大小划分为若干个区，主存各个区中的区内块号相同的那些主存块可以装入Cache中同一块号的那个块位置上。3.组相联地址映像及地址变换组相联地址映像把主存空间按Cache大小分区，主存中的各区和Cache再按同样大小划分成数量相同的组，组内按同样大小再划分成数量相同的块，主存的块到Cache的组之间采用直接映像，2个对应组的块之间采用全相联映像。3.3.3Cache替换算法及其实现

介绍四种Cache替换算法。1.轮换法：分为每块一个计数器和每组一个计数器。2.LFU算法3.比较对法4.堆栈法3.3.4Cache的性能分析1.Cache系统的加速比假设Cache的访问周期为TC，主存储器的访问周期为Tm,Cache系统的等效访问周期为T，Cache的命中率为H。则，Cache系统的加速比SP可以定义为：

加速比越高，说明Cache系统的等效访问速度与Cache的速度越接近，也就越好。2.Cache的一致性问题物理Cache中的块位置上存放的块是主存相应块的副本，Cache块应与相应的主存块的内容保持一致。但是，当CPU对Cache块执行写操作后，Cache块与相应主存块的内容就会不一致，这就是Cache的一致性问题。解决Cache一致性的问题有2个方法:1)写回法：CPU在执行写操作时，被写数据只写入Cache块中，不写入主存块中，仅当Cache块被替换时，才更新主存块。2)写直达法：CPU在执行写操作时，必须把数据同时写入Cache块和主存块中。3.4三级存储系统用Cache、主存、辅存这三个物理存储器组成一个三级存储系统的组织方式有以下2种方式：1.两个存储系统的组织方式把Cache、主存和辅存组织成“Cache-主存”和“主存-辅存”两个独立的存储系统，这个三级存储系统也称为物理地址Cache存储系统。2.一个存储系统的组织方式把Cache、主存和辅存组织成“Cache-主存-辅存”三级存储系统，这种三级存储系统称为虚拟地址Cache存储系