计算机体系结构——CH3存储系统

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计算机体系结构——CH3存储系统

存储系统原理

主要性能

• 速度
• 容量
• 价格

两种存储系统

• Cache与主存储器

• 虚拟存储系统

  • 主存储器
  • 硬盘

存储系统的速度

• 命中率

  • 在M1存储器中访问到的概率
  • H=N1 / (N1+N2)

• 访问周期

  • T= HT1 + (1-H) T2
  • H趋向1， T趋向T1

• 访问效率

  • 访问效率与命中率和两级存储器的速度之比有关

• 预存储技术

  • 提高命中率
  • H‘ = （H + n - 1）/ n
  • n为数据块大小与数据重复利用率的乘积

存储系统的层次结构

• 寄存器堆
• cache
• 主存储器
• 硬盘

并行存储器

• 增加字长
• 直接进行地址选择
• 访问冲突大

交叉访问存储器

• 高位交叉

  • 扩展存储器容量

• 低位交叉

  • 提高存储器访问速度

• 并行存储器的加速比

虚拟存储器

原理

• 将主存储器和磁盘，虚拟存储器都划分为固定大小的页

  • 主存储器为实业
  • 虚拟存储器为虚页面

三种虚拟存储器

• 页式虚拟存储器

  • 使用页表
  • 固定式页表，使用页表进行地址变换

• 段式虚拟存储器

  • 每段从0开始编码
  • 动态改变段的长度
  • 段过大，利用率低

• 段页式虚拟存储器

  • 用户按段编写程序

  • 每段分为几个固定大小的页

  • 先使用段表跳转，再使用页表定位

  • 地址

    • 用户号
    • 段号
    • 虚页号
    • 页内地址

  • 可能会有多级页表

• 目录表

  • 用一个小容量高速存储器存放页表
  • 查表速度快
  • 可扩展性差，主存大时效率变低

• 快慢表

  • 两级存储系统
  • 先查块表
  • 查不到，则查慢表

页面替换算法

• 含义

  • 也就是替换页面

    • 有时也是Cache或者目录表

  • 当页面失效时

    • 要从磁盘调入一页到主存

  • 如果主存页面均被占用

    • 必须淘汰一个不常使用的页面，以腾出空间

• 好坏的评价标准

  • 命中率高
  • 算法容易实现

• 随机算法

• 先进先出算法（FIFO）

  • 实际可能采用

• 近期最少使用算法（LFU）

• 最久没有使用算法（LRU）

  • 实际可能采用

  • 堆栈型替换算法

    • 在分配给程序的主存页面数增加时，主存命中率也提高，至少不下降

      • FIFO不是

• 最优替换算法（OPT）

  • 理想算法，作为评价其它算法的好坏

命中率H的影响因素

• 页面大小

  • 当页面大小为某个值时，命中率最大
  • Sp（页面大小）增大，两次访问在同一页面的可能性增大，命中率增加
  • Sp继续增大（影响因素更强），主存页面数更小，页面替换更加频繁且耗时间，命中率减小

• 主存容量

  • 命中率随着分配给该程序的主存容量S增加而单调上升

• 页面调度方式

  • 请求式

  • 预取式

    • 在程序重新开始运行之前，将上次停止运行前一段时间用到的页面调入主存，再运行程序

高速缓存存储器（Cache）

特点

• 提高速度
• 全部硬件
• 不命中时等待主存储器

地址映像方式

Cache替换算法

• 用于组相联，段相联的映像方式中

• 轮换法

  • 设置01计时器

  • 类似于FIFO

    • 最早装入的块，进行替换

  • 不考虑命中情况

• 最久没有使用算法（LRU）

  • 实现LRU

• 堆栈法

加速比

命中率

• 随它的容量增加而增加

  • H = 1 - （1 / 根号S）

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