《计算机系统结构》课程教学资源（PPT课件讲稿）第五章 存储层次

第五章存储层次 51存储器的层次结构 5.2高速缓冲存储器基本知识 53降低 Cache不命中率的方法 54减少 Cache不命中开销 55减少 Cache命中时间 56主存 5.7虚拟存储器

第五章 存储层次 5.1 存储器的层次结构 5.2 高速缓冲存储器基本知识 5.3 降低Cache不命中率的方法 5.4 减少Cache不命中开销 5.5 减少Cache命中时间 5.6 主存 5.7 虚拟存储器

51存储器的层次结构 存储系统的基本构成 存储系统由两部分构成: 1.存放程序和数据的存储器 2.控制存储器工作的存储控制部件 其中,控制部件包括硬件设备和软件程序。 速度提高 容量增大价格降低 控存 MI M2 处理机 制|储 (l, SI, Cl (T2,S2,C2 (n, Sn, Cn 器器

5.1 存储器的层次结构 一 .存储系统的基本构成 存储系统由两部分构成: 1. 存放程序和数据的存储器 2. 控制存储器工作的存储控制部件 其中, 控制部件包括硬件设备和软件程序。 处理机 存 储 器 控 制 器 M1 M2 Mn (T1,S1,C1) (T2,S2,C2) (Tn,Sn,Cn) 速度提高 容量增大，价格降低

51存储器的层次结构 存储系统的性能指标 评价存储系统性能的主要指标有三个,即速度T 容量S、和价格C。 1存储容量S 存储系统的容量是处理机能直接寻址的存储器容 量。 存储系统 处理机 (Tl,SI, CI (T2,s2,C2 由两个存储体构成的存储系统

5.1 存储器的层次结构 二. 存储系统的性能指标 评价存储系统性能的主要指标有三个，即速度T、 容量S、和价格C。 1.存储容量S • 存储系统的容量是处理机能直接寻址的存储器容 量。 (T1,S1,C1) M1 M2 处理机 (T2,S2,C2) 存储系统 由两个存储体构成的存储系统

5.1存储器的层次结构 2单位容量的平均价格C 存储系统每位的平均价格为: CIS+C2S2 其中,S为容量,C为单位容量价格。 3.访问周期T 也被称为平均访存时间或等效访问时间等。 命中率H被定义为cPU产生的逻辑地址能在M1中 访问到(命中)的概率

5.1 存储器的层次结构 2.单位容量的平均价格C 存储系统每位的平均价格为： 1 2 1 1 2 2 S S C S C S C + + = 其中，S为容量，C为单位容量价格。 3. 访问周期T 也被称为平均访存时间或等效访问时间等。 命中率H被定义为CPU产生的逻辑地址能在M1中 访问到（命中）的概率

5.1存储器的层次结构 ·精心选择一组有代表性的程序,在执行过程中 分别统计对M1存储器的访间成功次数N1和对 M存储器访问不成功的次数N2,则命中率H为: H ·不命中率F:也称为失效率,是指cPU访存时, 在M中找不到所需信息的概率。 F=1-H

5.1 存储器的层次结构 • 精心选择一组有代表性的程序，在执行过程中 分别统计对M1存储器的访问成功次数N1和对 M1存储器访问不成功的次数N2，则命中率H为： 1 2 1 N N N H + = • 不命中率F：也称为失效率，是指CPU访存时， 在M1中找不到所需信息的概率。 F =1− H

平均访存时间T 一般分两种情况来考虑cPU的一次访存: 1)当命中时,访问时间即为T1(命中时间)。 2)当不命中时,在大多数二级存储系统中,若访 问的字不在M1中,就必须从M2中把包含所要访 问的字的块传送到M1,之后cPU才可在M1中访 问到这个字。假设TM为不命中开销,即从向M2 发出访问请求到把整个数据块调入M1中所需的 时间。则该存储系统的平均访存时间为: T=H+(1-H(T1+T)=71+(1-H)TM 或 T=T+FTM

• 平均访存时间T 一般分两种情况来考虑CPU的一次访存： 1）当命中时，访问时间即为T1（命中时间）。 2）当不命中时，在大多数二级存储系统中，若访 问的字不在M1中，就必须从M2中把包含所要访 问的字的块传送到M1，之后CPU才可在M1中访 问到这个字。假设TM为不命中开销，即从向M2 发出访问请求到把整个数据块调入M1中所需的 时间。则该存储系统的平均访存时间为： M M M T T FT T HT H T T T H T = + = + − + = + − 1 1 1 1 (1 )( ) (1 ) 或

存储器的层次结构 CPU内部 通用寄存器堆025ns 指令与数据缓冲栈第二层 存储容量递增并每位价格递减方向 高速缓冲存储器阐1ns 速 主存储器 (DRAM) 第四100ns 向 联机外部存储器 (硬磁盘机) 第五层8ms 脱机外部存储器 〖磁带、光盘存储器等)第六层

存储器的层次结构 第四层 CPU内部 通用寄存器堆 指令与数据缓冲栈 高速缓冲存储器 第一层 第二层 第三层 主存储器 ( DRAM ) 联机外部存储器 ( 硬磁盘机 ) 脱机外部存储器 (磁带、光盘存储器等) 第五层 第六层 访 问 速 度 递 增 方 向 存 储 容 量 递 增 并 每 位 价 格 递 减 方 向 0.25ns 1ns 100ns 8ms

51存储器的层次结构 层次式存储系统 1980年以来存储器和CPU性能随时间而提高的 情况(以1980年时的性能作为基准) 「存储器 △CPU 性能 3000 2000 1000 100 10 年 局部性原理是解决问题的基本思路

三. 层次式存储系统 1980年以来存储器和CPU性能随时间而提高的 情况（以1980年时的性能作为基准） 5.1 存储器的层次结构 局部性原理是解决问题的基本思路

51存储器的层次结构 ■局部性原理:从大量的统计中得到的一个规律是,程序 中对于存储空间90%的访问局限于存储空间的10%的区 域中,而另外10%的访问则分布在存储空间的其余90% 的区域中。这就是通常说的局部性原理。访存的局部性 规律包括两个方面: >时间局部性:如果一个存储项被访问,则该存储项可能很 快再次被访问. 空间局部性:如果一个存储项被访问,则该项及其相邻项 可能很快被一起访问 解决思路: 时间局部—把经常用的放入M1(快速的) 空间局部—把相邻的放入M1

◼ 局部性原理：从大量的统计中得到的一个规律是，程序 中对于存储空间90%的访问局限于存储空间的10%的区 域中，而另外10%的访问则分布在存储空间的其余90% 的区域中。这就是通常说的局部性原理。访存的局部性 规律包括两个方面： ➢ 时间局部性:如果一个存储项被访问,则该存储项可能很 快再次被访问. ➢ 空间局部性:如果一个存储项被访问,则该项及其相邻项 可能很快被一起访问. ◼ 解决思路： ➢ 时间局部——把经常用的放入M1（快速的） ➢ 空间局部——把相邻的放入M1 5.1 存储器的层次结构

5.1存储器的层次结构 1.“ Cache.主存”层 辅助硬件 次 目的:弥补主存速【m+-[[主存 度的不足 (a)“ Cache主存”层次 2.“主存辅存”层次 辅助软硬件 目的:弥补主存容 量的不足 CPU 主存 辅存 (b)“主存-辅存”层次

1.“Cache—主存”层 次 目的：弥补主存速 度的不足 2.“主存—辅存”层次 目的：弥补主存容 量的不足 5.1 存储器的层次结构