現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心31存儲系統(tǒng)原理3課件

現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心3.1存儲系統(tǒng)原理3.2虛擬存儲器3.3高速緩沖存儲器(Cache)3.4三級存儲系統(tǒng)第3章存儲系統(tǒng)現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心第3章存儲系統(tǒng)13.1存儲系統(tǒng)原理 3.1.1存儲系統(tǒng)的定義 3.1.2存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 3.1.3存儲系統(tǒng)的頻帶平衡 3.1.4并行訪問存儲器3.1.5交叉訪問存儲器3.1.6無沖突訪問存儲器3.1存儲系統(tǒng)原理 3.1.1存儲系統(tǒng)的定義23.1.1存儲系統(tǒng)的定義

在一臺計算機中，通常有多種存儲器種類：主存儲器、Cache、通用寄存器、緩沖存儲器、磁盤存儲器、磁帶存儲器、光盤存儲器等材料工藝：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM訪問方式：隨機訪問、直接譯碼、先進先出、相聯(lián)訪問、塊傳送、文件組3.1.1存儲系統(tǒng)的定義在一臺計算機中，通常有多種存儲3存儲器的主要性能：速度、容量、價格

速度用存儲器的訪問周期、讀出時間、頻帶寬度等表示。

容量用字節(jié)B、千字節(jié)KB、兆字節(jié)MB和千兆字節(jié)GB等單位表示。

價格用單位容量的價格表示，例如：$C/bit。

組成存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵：把速度、容量和價格不同的多個物理存儲器組織成一個存儲器，這個存儲器的速度最快，存儲容量最大，單位容量的價格最便宜。存儲器的主要性能：速度、容量、價格41.存儲系統(tǒng)的定義兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個存儲系統(tǒng)。這個存儲系統(tǒng)對應(yīng)用程序員是透明的，并且，從應(yīng)用程序員看，它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近速度最快的那個存儲器，存儲容量與容量最大的那個存儲器相等，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。虛擬存儲器系統(tǒng)：對應(yīng)用程序員透明（通過操作系統(tǒng)的存儲管理系統(tǒng)調(diào)度）Cache存儲系統(tǒng)：對系統(tǒng)程序員及以上均透明（全部用硬件調(diào)度）1.存儲系統(tǒng)的定義5由多個存儲器構(gòu)成的存儲系統(tǒng)由多個存儲器構(gòu)成的存儲系統(tǒng)6

在一般計算機系統(tǒng)中，有兩種存儲系統(tǒng)：Cache存儲系統(tǒng)：由Cache和主存儲器構(gòu)成主要目的：提高存儲器速度在一般計算機系統(tǒng)中，有兩種存儲系統(tǒng)：7虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構(gòu)成主要目的：擴大存儲器容量虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構(gòu)成82.存儲系統(tǒng)的容量對存儲系統(tǒng)進行編址的要求：提供盡可能大的地址空間能夠隨機訪問方法有兩種：只對系統(tǒng)中存儲容量最大的那個存儲器進行編址，其他存儲器只在內(nèi)部編址或不編址

Cache存儲系統(tǒng)另外設(shè)計一個容量很大的邏輯地址空間，把相關(guān)存儲器都映射這個地址空間中

虛擬存儲系統(tǒng)2.存儲系統(tǒng)的容量93.存儲系統(tǒng)的價格計算公式：當(dāng)S2》S1時，C≈C2S2與S1不能相差太大3.存儲系統(tǒng)的價格104.存儲系統(tǒng)的速度表示方法：訪問周期、存取周期、存儲周期、存取時間等命中率定義：在M1存儲器中訪問到的概率

其中：N1是對M1存儲器的訪問次數(shù)N2是對M2存儲器的訪問次數(shù)訪問周期與命中率的關(guān)系：T＝HT1＋(1－H)T2當(dāng)命中率H→1時，T→T14.存儲系統(tǒng)的速度11存儲系統(tǒng)的訪問效率：訪問效率主要與命中率和兩級存儲器的速度之比有關(guān)例3.1：假設(shè)T2＝５T１，在命中率H為0.9和0.99兩種情況下，分別計算存儲系統(tǒng)的訪問效率。解：當(dāng)H＝0.9時，e1＝1／(0.9＋5(1－0.9))＝0.72當(dāng)H＝0.99時，e2＝1／(0.99＋5(1－0.99))＝0.96存儲系統(tǒng)的訪問效率：當(dāng)H＝0.9時，當(dāng)H＝0.99時，12提高存儲系統(tǒng)速度的兩條途徑：一是提高命中率H，二是兩個存儲器的速度不要相差太大其中：第二條有時做不到(如虛擬存儲器)，這時，只能依靠提高命中率例3.2：在虛擬存儲系統(tǒng)中，兩個存儲器的速度相差特別懸殊，例如：T2＝105T１。如果要使訪問效率到達e＝0.9，問需要有多高的命中率？提高存儲系統(tǒng)速度的兩條途徑：13解：0.9H＋90000(1-H)＝189999.1H＝89999計算得：H＝0.999998888877777…≈0.9999995.采用預(yù)取技術(shù)提高命中率方法：不命中時，把M2存儲器中相鄰多個單元組成的一個數(shù)據(jù)塊取出來送入M1存儲器中。解：0.9H＋90000(1-H)＝15.采用預(yù)取技術(shù)提高14計算公式：其中：H’是采用預(yù)取技術(shù)之后的命中率H是原來的命中率n為數(shù)據(jù)塊大小與數(shù)據(jù)重復(fù)使用次數(shù)的乘積例3.3：在一個Cache存儲系統(tǒng)中，T2＝5T1。當(dāng)Cache的塊大小為一個字時，命中率H＝0.8。假設(shè)數(shù)據(jù)的重復(fù)利用率為5，Cache塊大小為４個字，Cache存儲系統(tǒng)的命中率？并分別計算訪問效率。計算公式：例3.3：在一個Cache存儲系統(tǒng)中，T2＝515解：n＝4×5＝20，采用預(yù)取技術(shù)之后，命中率提高到：解：n＝4×5＝20，16例3.4：在一個虛擬存儲系統(tǒng)中，T2＝105T１，原來的命中率只有0.8，如果訪問磁盤存儲器的數(shù)據(jù)塊大小為4K字，并要求訪問效率不低于0.9，計算數(shù)據(jù)在主存儲器中的重復(fù)利用率至少為多少？解：假設(shè)數(shù)據(jù)在主存儲器中的重復(fù)利用率為m，根據(jù)前面給出的關(guān)系，有如下方程組：例3.4：在一個虛擬存儲系統(tǒng)中，T2＝105T１，原來的命17解方程組：由方程(1)得到：0.9H+90000-90000H=1解方程組：183.1.2存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)多個層次的存儲器：第1層：RegisterFiles(寄存器堆)第2層：Buffers(Lookahead)(先行緩沖站)

第3層：Cache(高速緩沖存儲器)第4層：MainMemory(主存儲器)第5層：OnlineStorage(聯(lián)機存儲器)第6層：Off-lineStorage(脫機存儲器)用i表示層數(shù)，則有：工作周期Ti＜Ti+1，存儲容量：Si＜Si+1，單位價格：Ci＞Ci+13.1.2存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)多個層次的存儲器：19現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心31存儲系統(tǒng)原理3課件20各級存儲器的主要主要性能特性CPU與主存儲器的速度差距越來越大目前相差兩個數(shù)量級

今后CPU與主存儲器的速度差距會更大各級存儲器的主要主要性能特性213.1.3存儲系統(tǒng)的頻帶平衡例3.5：Pentium4的指令執(zhí)行速度為8GIPS，CPU取指令8GW/s，訪問數(shù)據(jù)16GW/s，各種輸入輸出設(shè)備訪問存儲器1GW/s，三項相加，要求存儲器的頻帶寬度不低于25GW/s。如果采用PC133內(nèi)存，主存與CPU速度差188倍如果采用PC266內(nèi)存，主存與CPU速度差94倍解決存儲器頻帶平衡方法(1)多個存儲器并行工作（本節(jié)下面介紹）(2)設(shè)置各種緩沖存儲器（第五章介紹）(3)采用存儲系統(tǒng)（本章第二、第三節(jié)介紹）3.1.3存儲系統(tǒng)的頻帶平衡例3.5：Pentium4的指223.1.4并行訪問存儲器方法：把m字w位的存儲器改變成為m/n字n×w位的存儲器邏輯實現(xiàn)：把地址碼分成兩個部分，一部分作為存儲器的地址另一部分負(fù)責(zé)選擇數(shù)據(jù)主要缺點：訪問沖突大

(1)取指令沖突(2)讀操作數(shù)沖突(3)寫數(shù)據(jù)沖突(4)讀寫沖突3.1.4并行訪問存儲器方法：把m字w位的存儲器改變成為m23并行訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖并行訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖241.高位交叉訪問存儲器主要目的：擴大存儲器容量實現(xiàn)方法：用地址碼的高位部分區(qū)分存儲體號參數(shù)計算方法:

m：每個存儲體的容量，n：總共的存儲體個數(shù)，j：存儲體的體內(nèi)地址，j＝0，1，2，...，m-1k：存儲體的體號，k＝0，1，2，...，n-1存儲器的地址：A＝m×k＋j存儲器的體內(nèi)地址：Aj＝Amodm。存儲器的體號：Ak＝3.1.5交叉訪問存儲器1.高位交叉訪問存儲器3.1.5交叉訪問存儲器25高位交叉訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖高位交叉訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖262.低位交叉訪問存儲器主要目的：提高存儲器訪問速度實現(xiàn)方法：用地址碼的低位部分區(qū)分存儲體號參數(shù)計算:

m：每個存儲體的容量，n：總共的存儲體個數(shù)，j：存儲體的體內(nèi)地址，j＝0，1，2，...，m-1k：存儲體的體號，k＝0，1，2，...，n-1存儲器地址A的計算公式為：A＝n×j＋k存儲器的體內(nèi)地址：Aj＝存儲器的體號：Ak＝Amodn2.低位交叉訪問存儲器27低位交叉訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖低位交叉訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖28地址是編碼方法：由8個存儲體構(gòu)成的低位交叉編址方式地址是編碼方法：29

n個存儲體分時啟動一種采用流水線方式工作的并行存儲器每存儲體的啟動間隔為：t＝其中：Tm為每個存儲體的訪問周期,

n為存儲體個數(shù)。n個存儲體分時啟動30訪問沖突

共有n個存儲體，每個存儲周期只能取到k個有效字,其余n-k個存儲體有沖突。假設(shè)p(k)是k的概率密度函數(shù)，即p(1)是k＝1的概率，p(2)是k＝2的概率，…,p(n)是k＝n的概率。k的平均值為：N是每個存儲周期能夠訪問到的平均有效字的個數(shù)。通常把N稱為并行存儲器的加速比。訪問沖突31定義轉(zhuǎn)移概率為g，即讀出的是轉(zhuǎn)移指令，且轉(zhuǎn)移成功的概率。這時有：p(1)＝gp(2)＝(1-p(1))g＝(1-g)gp(3)＝(1-p(1)-p(2))g＝(1-g)2g……p(k)＝(1-g)k-1g(k＝1,2,…,n－1)……p(n)＝(1-g)n-1定義轉(zhuǎn)移概率為g，即讀出的是轉(zhuǎn)移指令，且轉(zhuǎn)移成功的概率。這時32Ｎ＝g＋(1-g)g＋(1-g)2g＋…＋(1-g)n-2g

＋(1-g)g＋(1-g)2g＋…＋(1-g)n-2g

＋(1-g)2g＋…＋(1-g)n-2g…

＋(1-g)n-2g＋n(1-g)n-1以上共n行，前n-2行分別為等比級數(shù)把n-1行拆分成2項則：Ｎ＝1g＋2(1-g)g＋3(1-g)2g＋…＋(n-1)(1-g)n-2g＋n(1-g)n-11-(1-g)n-1Ｎ＝g＋(1-g)g＋(1-g)2g＋…＋(1-g)33Ｎ＝1-(1-g)n-1

＋(1-g)-(1-g)n-1

＋(1-g)2-(1-g)n-1…

＋(1-g)n-2-(1-g)n-1

＋n(1-g)n-1(1-g)n-2gＮ＝1＋(1-g)＋(1-g)2＋…(1-g)n-2＋(1-g)n-1Ｎ＝1-(1-g)n-1(1-g)n-2gＮ＝1＋(1-g)34現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心31存儲系統(tǒng)原理3課件35現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心31存儲系統(tǒng)原理3課件36例3.7：Star-100巨型機存儲系統(tǒng)采用并行和交叉相結(jié)合的方式工作，有32個存儲體低位交叉，每次并行讀寫512位，存儲周期為1280ns，處理機字長32位，計算它的速度提高多少倍？和頻帶寬度Bm。解：因為：n＝32，w＝512，Tm＝1280ns，Bm＝nw/tm＝32512b/1280ns＝12.8Gb/s＝1.6GB/s＝400MW/s提高512倍實際速度的提高要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個數(shù)字例3.7：Star-100巨型機存儲系統(tǒng)采用并行和交叉相結(jié)合373.1.6無沖突訪問存儲器1.一維數(shù)組(向量)的無沖突訪問存儲器按連續(xù)地址訪問，沒有沖突，位移量為2的變址訪問，速度降低一倍，…3.1.6無沖突訪問存儲器1.一維數(shù)組(向量)的無沖突38具體方法：

存儲體的個數(shù)取質(zhì)數(shù)，且n≥向量長度。原因：變址位移量必然與存儲體個數(shù)互質(zhì)例如：Burroughs公司巨型科學(xué)計算機BSP存儲體個數(shù)為17向量長度≤16我國研制的銀河巨型向量機存儲體的個數(shù)為37向量長度≤32具體方法：392.二維數(shù)組的無沖突訪問存儲器要求：一個n×n的二維數(shù)組，按行、列、對角線和反對角線訪問，并且在不同的變址位移量情況下，都能實現(xiàn)無沖突訪問。順序存儲：按行、對角線訪問沒有沖突，但按列訪問每次沖突2.二維數(shù)組的無沖突訪問存儲器40錯位存儲：按行、按列訪問無沖突，但按對角線訪問有沖突錯位存儲：41n×n二維數(shù)組無沖突訪問存儲方案(P·Budnik和D·J·Kuck提出)：并行存儲體的個數(shù)m≥n，并且取質(zhì)數(shù)，同時還要在行、列方向上錯開一定的距離存儲數(shù)組元素。設(shè)同一列相鄰元素在并行存儲器中錯開d1個存儲體存放，同一行相鄰元素在并行存儲器中錯開d2個存儲體存放。當(dāng)m＝22p＋1（p為任意自然數(shù)）時，能夠同時實現(xiàn)按行、按列、按對角線和按反對角線無沖突訪問的充要條件是：d1＝2P，d2＝1。n×n二維數(shù)組無沖突訪問存儲方案42例如：4×4的二維數(shù)組，取并行存儲體的個數(shù)m＝5，由關(guān)系式m＝22P＋1，解得到p＝1，計算得到：d1＝21＝2d2＝1例如：4×4的二維數(shù)組，取并行存儲體的個數(shù)m＝5，由關(guān)系式m43n×n數(shù)組中的任意一個元素aij在無沖突并行存儲器中的體號地址和體內(nèi)地址的計算公式：

體號地址：(2Pi＋j＋k)MODm體內(nèi)地址：i其中：0≤i≤n－1，0≤j≤n－1，k是數(shù)組的第一個元素a00所在體號地址，

m是并行存儲體的個數(shù)，要求m≥n且為質(zhì)數(shù)，p是滿足m＝22P＋1關(guān)系的任意自然數(shù)。主要缺點：浪費存儲單元

對于n×n數(shù)組,有(m-n)×

m個存儲單元浪費主要優(yōu)點：實現(xiàn)簡單

列元素順序存儲，行元素按地址取模順序存儲44n×n數(shù)組中的任意一個元素aij在無沖突并行存儲器中的體號3.二維數(shù)組的無沖突訪問存儲器(之二)規(guī)則：對于任意一個n×n的數(shù)組，如果能夠找到滿足n＝22P關(guān)系的任意自然數(shù)p，則這個二維數(shù)組就能夠使用n個并行存儲體實現(xiàn)按行、列、對角線和反對角線的無沖突訪問。4×4數(shù)組用4個存儲體的無訪問沖突存儲方案3.二維數(shù)組的無沖突訪問存儲器(之二)45實現(xiàn)方法：假設(shè)aij是4×4數(shù)組中的任意一個元素，下標(biāo)i和j都可以用兩位二進制表示。假設(shè)i和j的高位和低位分別為iH、iL、jH和jL，則aij在無沖突并行存儲器中的體號地址和體內(nèi)地址如下：體號地址：2(iL

jH)＋(iH

iL

jL)體內(nèi)地址：j其中：0≤i≤3，0≤j≤3主要優(yōu)點：沒有浪費的存儲單元，主要缺點：在執(zhí)行并行讀和寫操作時需要借助比較復(fù)雜的對準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)方法：46現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心3.1存儲系統(tǒng)原理3.2虛擬存儲器3.3高速緩沖存儲器(Cache)3.4三級存儲系統(tǒng)第3章存儲系統(tǒng)現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心第3章存儲系統(tǒng)473.1存儲系統(tǒng)原理 3.1.1存儲系統(tǒng)的定義 3.1.2存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 3.1.3存儲系統(tǒng)的頻帶平衡 3.1.4并行訪問存儲器3.1.5交叉訪問存儲器3.1.6無沖突訪問存儲器3.1存儲系統(tǒng)原理 3.1.1存儲系統(tǒng)的定義483.1.1存儲系統(tǒng)的定義

在一臺計算機中，通常有多種存儲器種類：主存儲器、Cache、通用寄存器、緩沖存儲器、磁盤存儲器、磁帶存儲器、光盤存儲器等材料工藝：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM訪問方式：隨機訪問、直接譯碼、先進先出、相聯(lián)訪問、塊傳送、文件組3.1.1存儲系統(tǒng)的定義在一臺計算機中，通常有多種存儲49存儲器的主要性能：速度、容量、價格

速度用存儲器的訪問周期、讀出時間、頻帶寬度等表示。

容量用字節(jié)B、千字節(jié)KB、兆字節(jié)MB和千兆字節(jié)GB等單位表示。

價格用單位容量的價格表示，例如：$C/bit。

組成存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵：把速度、容量和價格不同的多個物理存儲器組織成一個存儲器，這個存儲器的速度最快，存儲容量最大，單位容量的價格最便宜。存儲器的主要性能：速度、容量、價格501.存儲系統(tǒng)的定義兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個存儲系統(tǒng)。這個存儲系統(tǒng)對應(yīng)用程序員是透明的，并且，從應(yīng)用程序員看，它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近速度最快的那個存儲器，存儲容量與容量最大的那個存儲器相等，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。虛擬存儲器系統(tǒng)：對應(yīng)用程序員透明（通過操作系統(tǒng)的存儲管理系統(tǒng)調(diào)度）Cache存儲系統(tǒng)：對系統(tǒng)程序員及以上均透明（全部用硬件調(diào)度）1.存儲系統(tǒng)的定義51由多個存儲器構(gòu)成的存儲系統(tǒng)由多個存儲器構(gòu)成的存儲系統(tǒng)52

在一般計算機系統(tǒng)中，有兩種存儲系統(tǒng)：Cache存儲系統(tǒng)：由Cache和主存儲器構(gòu)成主要目的：提高存儲器速度在一般計算機系統(tǒng)中，有兩種存儲系統(tǒng)：53虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構(gòu)成主要目的：擴大存儲器容量虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構(gòu)成542.存儲系統(tǒng)的容量對存儲系統(tǒng)進行編址的要求：提供盡可能大的地址空間能夠隨機訪問方法有兩種：只對系統(tǒng)中存儲容量最大的那個存儲器進行編址，其他存儲器只在內(nèi)部編址或不編址

Cache存儲系統(tǒng)另外設(shè)計一個容量很大的邏輯地址空間，把相關(guān)存儲器都映射這個地址空間中

虛擬存儲系統(tǒng)2.存儲系統(tǒng)的容量553.存儲系統(tǒng)的價格計算公式：當(dāng)S2》S1時，C≈C2S2與S1不能相差太大3.存儲系統(tǒng)的價格564.存儲系統(tǒng)的速度表示方法：訪問周期、存取周期、存儲周期、存取時間等命中率定義：在M1存儲器中訪問到的概率

其中：N1是對M1存儲器的訪問次數(shù)N2是對M2存儲器的訪問次數(shù)訪問周期與命中率的關(guān)系：T＝HT1＋(1－H)T2當(dāng)命中率H→1時，T→T14.存儲系統(tǒng)的速度57存儲系統(tǒng)的訪問效率：訪問效率主要與命中率和兩級存儲器的速度之比有關(guān)例3.1：假設(shè)T2＝５T１，在命中率H為0.9和0.99兩種情況下，分別計算存儲系統(tǒng)的訪問效率。解：當(dāng)H＝0.9時，e1＝1／(0.9＋5(1－0.9))＝0.72當(dāng)H＝0.99時，e2＝1／(0.99＋5(1－0.99))＝0.96存儲系統(tǒng)的訪問效率：當(dāng)H＝0.9時，當(dāng)H＝0.99時，58提高存儲系統(tǒng)速度的兩條途徑：一是提高命中率H，二是兩個存儲器的速度不要相差太大其中：第二條有時做不到(如虛擬存儲器)，這時，只能依靠提高命中率例3.2：在虛擬存儲系統(tǒng)中，兩個存儲器的速度相差特別懸殊，例如：T2＝105T１。如果要使訪問效率到達e＝0.9，問需要有多高的命中率？提高存儲系統(tǒng)速度的兩條途徑：59解：0.9H＋90000(1-H)＝189999.1H＝89999計算得：H＝0.999998888877777…≈0.9999995.采用預(yù)取技術(shù)提高命中率方法：不命中時，把M2存儲器中相鄰多個單元組成的一個數(shù)據(jù)塊取出來送入M1存儲器中。解：0.9H＋90000(1-H)＝15.采用預(yù)取技術(shù)提高60計算公式：其中：H’是采用預(yù)取技術(shù)之后的命中率H是原來的命中率n為數(shù)據(jù)塊大小與數(shù)據(jù)重復(fù)使用次數(shù)的乘積例3.3：在一個Cache存儲系統(tǒng)中，T2＝5T1。當(dāng)Cache的塊大小為一個字時，命中率H＝0.8。假設(shè)數(shù)據(jù)的重復(fù)利用率為5，Cache塊大小為４個字，Cache存儲系統(tǒng)的命中率？并分別計算訪問效率。計算公式：例3.3：在一個Cache存儲系統(tǒng)中，T2＝561解：n＝4×5＝20，采用預(yù)取技術(shù)之后，命中率提高到：解：n＝4×5＝20，62例3.4：在一個虛擬存儲系統(tǒng)中，T2＝105T１，原來的命中率只有0.8，如果訪問磁盤存儲器的數(shù)據(jù)塊大小為4K字，并要求訪問效率不低于0.9，計算數(shù)據(jù)在主存儲器中的重復(fù)利用率至少為多少？解：假設(shè)數(shù)據(jù)在主存儲器中的重復(fù)利用率為m，根據(jù)前面給出的關(guān)系，有如下方程組：例3.4：在一個虛擬存儲系統(tǒng)中，T2＝105T１，原來的命63解方程組：由方程(1)得到：0.9H+90000-90000H=1解方程組：643.1.2存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)多個層次的存儲器：第1層：RegisterFiles(寄存器堆)第2層：Buffers(Lookahead)(先行緩沖站)

第3層：Cache(高速緩沖存儲器)第4層：MainMemory(主存儲器)第5層：OnlineStorage(聯(lián)機存儲器)第6層：Off-lineStorage(脫機存儲器)用i表示層數(shù)，則有：工作周期Ti＜Ti+1，存儲容量：Si＜Si+1，單位價格：Ci＞Ci+13.1.2存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)多個層次的存儲器：65現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心31存儲系統(tǒng)原理3課件66各級存儲器的主要主要性能特性CPU與主存儲器的速度差距越來越大目前相差兩個數(shù)量級

今后CPU與主存儲器的速度差距會更大各級存儲器的主要主要性能特性673.1.3存儲系統(tǒng)的頻帶平衡例3.5：Pentium4的指令執(zhí)行速度為8GIPS，CPU取指令8GW/s，訪問數(shù)據(jù)16GW/s，各種輸入輸出設(shè)備訪問存儲器1GW/s，三項相加，要求存儲器的頻帶寬度不低于25GW/s。如果采用PC133內(nèi)存，主存與CPU速度差188倍如果采用PC266內(nèi)存，主存與CPU速度差94倍解決存儲器頻帶平衡方法(1)多個存儲器并行工作（本節(jié)下面介紹）(2)設(shè)置各種緩沖存儲器（第五章介紹）(3)采用存儲系統(tǒng)（本章第二、第三節(jié)介紹）3.1.3存儲系統(tǒng)的頻帶平衡例3.5：Pentium4的指683.1.4并行訪問存儲器方法：把m字w位的存儲器改變成為m/n字n×w位的存儲器邏輯實現(xiàn)：把地址碼分成兩個部分，一部分作為存儲器的地址另一部分負(fù)責(zé)選擇數(shù)據(jù)主要缺點：訪問沖突大

(1)取指令沖突(2)讀操作數(shù)沖突(3)寫數(shù)據(jù)沖突(4)讀寫沖突3.1.4并行訪問存儲器方法：把m字w位的存儲器改變成為m69并行訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖并行訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖701.高位交叉訪問存儲器主要目的：擴大存儲器容量實現(xiàn)方法：用地址碼的高位部分區(qū)分存儲體號參數(shù)計算方法:

m：每個存儲體的容量，n：總共的存儲體個數(shù)，j：存儲體的體內(nèi)地址，j＝0，1，2，...，m-1k：存儲體的體號，k＝0，1，2，...，n-1存儲器的地址：A＝m×k＋j存儲器的體內(nèi)地址：Aj＝Amodm。存儲器的體號：Ak＝3.1.5交叉訪問存儲器1.高位交叉訪問存儲器3.1.5交叉訪問存儲器71高位交叉訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖高位交叉訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖722.低位交叉訪問存儲器主要目的：提高存儲器訪問速度實現(xiàn)方法：用地址碼的低位部分區(qū)分存儲體號參數(shù)計算:

m：每個存儲體的容量，n：總共的存儲體個數(shù)，j：存儲體的體內(nèi)地址，j＝0，1，2，...，m-1k：存儲體的體號，k＝0，1，2，...，n-1存儲器地址A的計算公式為：A＝n×j＋k存儲器的體內(nèi)地址：Aj＝存儲器的體號：Ak＝Amodn2.低位交叉訪問存儲器73低位交叉訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖低位交叉訪問存儲器結(jié)構(gòu)框圖74地址是編碼方法：由8個存儲體構(gòu)成的低位交叉編址方式地址是編碼方法：75

n個存儲體分時啟動一種采用流水線方式工作的并行存儲器每存儲體的啟動間隔為：t＝其中：Tm為每個存儲體的訪問周期,

n為存儲體個數(shù)。n個存儲體分時啟動76訪問沖突

共有n個存儲體，每個存儲周期只能取到k個有效字,其余n-k個存儲體有沖突。假設(shè)p(k)是k的概率密度函數(shù)，即p(1)是k＝1的概率，p(2)是k＝2的概率，…,p(n)是k＝n的概率。k的平均值為：N是每個存儲周期能夠訪問到的平均有效字的個數(shù)。通常把N稱為并行存儲器的加速比。訪問沖突77定義轉(zhuǎn)移概率為g，即讀出的是轉(zhuǎn)移指令，且轉(zhuǎn)移成功的概率。這時有：p(1)＝gp(2)＝(1-p(1))g＝(1-g)gp(3)＝(1-p(1)-p(2))g＝(1-g)2g……p(k)＝(1-g)k-1g(k＝1,2,…,n－1)……p(n)＝(1-g)n-1定義轉(zhuǎn)移概率為g，即讀出的是轉(zhuǎn)移指令，且轉(zhuǎn)移成功的概率。這時78Ｎ＝g＋(1-g)g＋(1-g)2g＋…＋(1-g)n-2g

＋(1-g)g＋(1-g)2g＋…＋(1-g)n-2g

＋(1-g)2g＋…＋(1-g)n-2g…

＋(1-g)n-2g＋n(1-g)n-1以上共n行，前n-2行分別為等比級數(shù)把n-1行拆分成2項則：Ｎ＝1g＋2(1-g)g＋3(1-g)2g＋…＋(n-1)(1-g)n-2g＋n(1-g)n-11-(1-g)n-1Ｎ＝g＋(1-g)g＋(1-g)2g＋…＋(1-g)79Ｎ＝1-(1-g)n-1

＋(1-g)-(1-g)n-1

＋(1-g)2-(1-g)n-1…

＋(1-g)n-2-(1-g)n-1

＋n(1-g)n-1(1-g)n-2gＮ＝1＋(1-g)＋(1-g)2＋…(1-g)n-2＋(1-g)n-1Ｎ＝1-(1-g)n-1(1-g)n-2gＮ＝1＋(1-g)80現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心31存儲系統(tǒng)原理3課件81現(xiàn)代計算機系統(tǒng)以存儲器為中心31存儲系統(tǒng)原理3課件82例3.7：Star-100巨型機存儲系統(tǒng)采用并行和交叉相結(jié)合的方式工作，有32個存儲體低位交叉，每次并行讀寫512位，存儲周期為1280ns，處理機字長32位，計算它的速度提高多少倍？和頻帶寬度Bm。解：因為：n＝32，w＝512，Tm＝1280ns，Bm＝nw/tm＝32512b/1280ns＝12.8Gb/s＝1.6GB/s＝400MW/s提高512倍實際速度的提高要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個數(shù)字例3.7：Star-100巨型機存儲系統(tǒng)采用并行和交叉相結(jié)合833.1.6無沖突訪問存儲器1.一維數(shù)組(向量)的無沖突訪問存儲器按連續(xù)地址訪問，沒有沖突，位移量為2的變址訪問，速度降低一倍，…3.1.6無沖突訪問存儲器1.一維數(shù)組(向量)的無沖突84具體方法：

存儲體的個數(shù)取質(zhì)數(shù)，且n≥向量長度。原因：變址位移量必然與存儲體個數(shù)互質(zhì)例如：Burroughs公司