计算机系统结构 第五章存储系统
计算机系统结构 第五章 存储系统
5.1存储系统介绍 o存储系统 指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、 控制部件及管理信息调度的设备(硬件)和算法 (软件)所组成的系统。 计算机系统中,一般使用具有层次结构的存储系 统,主要可分为三个存储层面:高速缓冲存储器、 主存储器和辅助存储器。 高速缓冲存储器主要用于改善主存储器与中央处 理器(CPU)的速度匹配问题,而辅助存储器则主要 用于扩大计算机系统的存储空间
5.1 存储系统介绍 存储系统 指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、 控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法 （软件）所组成的系统。 计算机系统中，一般使用具有层次结构的存储系 统，主要可分为三个存储层面：高速缓冲存储器、 主存储器和辅助存储器。 高速缓冲存储器主要用于改善主存储器与中央处 理器（CPU）的速度匹配问题，而辅助存储器则主要 用于扩大计算机系统的存储空间
51.1存储系统的层次结构 o层次存储系统是指把各种不同存储容量、存取速度、 访问方式和单位存储价格的存储器,按照一定的层 次结构组成多层存储器,并通过管理软件和辅助硬 件有机组合成统一的存储体系,使计算机系统中使 用到的各种程序和数据层次的分布到各个存储器中。 糖助硬件 主存 虢存 图5-1主辅存结构
5.1.1 存储系统的层次结构 层次存储系统是指把各种不同存储容量、存取速度、 访问方式和单位存储价格的存储器，按照一定的层 次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬 件有机组合成统一的存储体系，使计算机系统中使 用到的各种程序和数据层次的分布到各个存储器中。 辅助软硬件 主存 辅存 图5-1 主/辅存结构
多级存储体系 o二级存储体系结构可以进一步扩展到多级存储层次 对CPU而言,存储系统是一个整体:越靠近CPU的存 储器存取速度越快,存储容量越小,也即下图中Ml 的存取速度最接近于CPU,而存储系统总体容量和单 位存储价格接近于离CPU“最远”的Mn 存储层次(体系) CPU
多级存储体系 二级存储体系结构可以进一步扩展到多级存储层次， 对CPU而言，存储系统是一个整体：越靠近CPU的存 储器存取速度越快，存储容量越小，也即下图中M1 的存取速度最接近于CPU，而存储系统总体容量和单 位存储价格接近于离CPU“最远”的Mn。 CPU M2 Mn 存储层次(体系) M1
多级存储体系(续1 LO Smaller faster register CPU registers hold words retrieved from and costlier L1 on-chip L1 per byte) cache(SRAM) storage L1 cache holds cache lines retrieved devices from the L2 cache cache( SRAM) L2 cache holds cache lines etrieved from memory L3 main memory (DRAM) Main memory holds disk slower blocks retrieved from local and cheaper (per byte) L4: local secondary storage storage (local disks devices Local disks hold files retrieved from disks on remote network servers remote secondary storage (distributed file systems, Web servers)
多级存储体系(续1)
51.2存储系统的性能参数 σ存储器有三个主要的性能指标:存储容量、存取速 度、存储单位价格。 o用户期望:期望存储器价格尽可能低,提供尽可能 高的存取速度和尽量大的存储容量。系统的观点, 计算机系统性能的发挥要求存储器存取速度与CPU相 匹配,而容量上又应尽可能装入所有系统和用户软 件;应用的观点,要求存储器的价格只能占整个计 算机系统硬件价格的一小部分。 矛盾的现实:存取速度越快,存储器的单位存储价 格就越高;在一定的单位存储价格下,存储容量越 大,存储器的总价就越高
5.1.2 存储系统的性能参数 存储器有三个主要的性能指标：存储容量、存取速 度、存储单位价格。 用户期望：期望存储器价格尽可能低，提供尽可能 高的存取速度和尽量大的存储容量。系统的观点， 计算机系统性能的发挥要求存储器存取速度与CPU相 匹配，而容量上又应尽可能装入所有系统和用户软 件；应用的观点，要求存储器的价格只能占整个计 算机系统硬件价格的一小部分。 矛盾的现实：存取速度越快，存储器的单位存储价 格就越高；在一定的单位存储价格下，存储容量越 大，存储器的总价就越高
51.2存储系统的性能参数(续1 o存储容量 引入虚拟存储系统,为计算机系统使用者另设额外 的虚拟地址空间,它既不是主存储器的地址空间, 也不是磁盘存储器的地址空间,是将主存和辅存的 地址空间统一编址,形成的一个庞大的存储空间。 o单位存储价格 P·C1+P,●C 为使得C1≈C2,则需要M2》M1 o存取速度和访问命中率 访问命中率,指CPU访问存储系统时在主存储器中· 次访问得到所需信息的概率。 T=H·T1+(1-H)·T2 N1+N2
5.1.2 存储系统的性能参数(续1) 存储容量 引入虚拟存储系统，为计算机系统使用者另设额外 的虚拟地址空间，它既不是主存储器的地址空间， 也不是磁盘存储器的地址空间，是将主存和辅存的 地址空间统一编址，形成的一个庞大的存储空间。 单位存储价格 ，为使得C1 ≈ C2，则需要M2 »M1 存取速度和访问命中率 访问命中率，指CPU访问存储系统时在主存储器中一 次访问得到所需信息的概率。 1 2 1 1 2 2 C C P C P C P + • + • = 1 2 1 N N N H + = 1 2 T = H •T + (1− H) •T T T1 e =
52高速缓冲存储器 Cache o计算机系统为改善CPU与主存储器之间的速度匹配问 题,在CPU和主存储器之间加入一个高速、小容量的 缓冲存储器 Cache,构成 Cache主存储器的存储系统, 使得存储系统对CPU而言,速度接近于高速缓冲存储 器 Cache,存储容量接近于主存储器 o Cache存储器主要由三个部分组成: (1) Cache存储器,用于存放由主存储器调入的指令与数据块; (2)地址转换部件,用于实现主存储器地址到 Cache存储器地址 的转换; (3)替换部件,当缓存满时根据指定策略进行数据块替换,并对 地址转换部件做对应修改
5.2 高速缓冲存储器Cache 计算机系统为改善CPU与主存储器之间的速度匹配问 题，在CPU和主存储器之间加入一个高速、小容量的 缓冲存储器Cache，构成Cache—主存储器的存储系统， 使得存储系统对CPU而言，速度接近于高速缓冲存储 器Cache，存储容量接近于主存储器。 Cache存储器主要由三个部分组成： (1)Cache存储器，用于存放由主存储器调入的指令与数据块； (2)地址转换部件，用于实现主存储器地址到Cache存储器地址 的转换； (3)替换部件，当缓存满时根据指定策略进行数据块替换，并对 地址转换部件做对应修改
ache 作原理 主存地址 块号D 块内地址w 未命中 主存— Cache地 址变换部件 Cache地址块号d块内地址w Cache 替换 主存储器 策略 访问主存 装入 Cache Cache 存储 访问主存 替换 Cache 单字宽 多字宽 数据送往CPU 直接通路
Cache工作原理 块号D 块内地址W 主存—Cache地 址变换部件 块号d 块内地址w 命中 Cache 替换 策略 未命中 访问主存 替换Cache 访问主存 装入Cache Cache已满 Cache未满 数据送往CPU 单字宽 多字宽 Cache 存储 器 主 存 储 器 直接通路 主存地址 Cache地址
Cache工作原理(续 ◎系统工作时,地址转换部件维护一个映射表,用于 确定 Cache存储器中是否有所要访问的块,以及确定 其位置。该映射表中的每一项对应于 Cache存储器的 个分块,用于指出当前该块中存放的信息对应于 主存储器的哪个分块 o为提高CPU对 Cache存储器的访问命中率, Cache存储 器的工作原理是基于程序访问局部性原理的,它不 断地将与当前指令集相关联的一部分后继指令集从 主存储器读取到 Cache存储器,以供CPU访问,从而 达到存储系统与CPU速度匹配的目的
Cache工作原理(续1) 系统工作时，地址转换部件维护一个映射表，用于 确定Cache存储器中是否有所要访问的块，以及确定 其位置。该映射表中的每一项对应于Cache存储器的 一个分块，用于指出当前该块中存放的信息对应于 主存储器的哪个分块。 为提高CPU对Cache存储器的访问命中率，Cache存储 器的工作原理是基于程序访问局部性原理的，它不 断地将与当前指令集相关联的一部分后继指令集从 主存储器读取到Cache存储器，以供CPU访问，从而 达到存储系统与CPU速度匹配的目的