存储系统课件

存儲系統現代電腦系統都以記憶體為中心在電腦運行過程中，記憶體是各種資訊存儲和交換的中心3.1存儲系統原理3.2虛擬記憶體3.3高速緩衝記憶體(Cache)3.4三級存儲系統3.1.1存儲系統的定義在一臺電腦中，通常有多種記憶體種類：主記憶體、Cache、通用寄存器、先行緩衝記憶體、磁片記憶體、磁帶記憶體、光碟記憶體等

材料工藝：ECL、TTL、MOS、磁表面、鐳射，SRAM，DRAM訪問方式：直接解碼、先進先出、隨機訪問、相聯訪問、塊傳送、檔組1、存儲系統(存儲體系、存儲層次)的定義兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的記憶體用硬體、軟體、或軟體與硬體相結合的方法連接起來成為一個存儲系統。這個系統對應用程式員透明，並且，從應用程式員看，它是一個記憶體，這個記憶體的速度接近速度最快的那個記憶體，存儲容量與容量最大的那個記憶體相等，單位容量的價格接近最便宜的那個記憶體。2.單位容量的平均價格C整個存儲系統的平均單位容量價格可以這樣來計算：

C=（C1*S1+C2*S2）/（S1+S2）因此，整個存儲系統的單位容量價格C接近於比較便宜的M2記憶體的單位容量價格C2。但是S2與S1不能相差太大。否則，存儲系統要達到比較高的性能，調度起來很困難。2.單位容量的平均價格C整個存儲系統的平均單位容量價格可以這樣來計算：

C=（C1*S1+C2*S2）/（S1+S2）

因此，整個存儲系統的單位容量價格C接近於比較便宜的M2記憶體的單位容量價格C2。但是S2與S1不能相差太大。否則，存儲系統要達到比較高的性能，調度起來很困難。3.訪問週期T

要使存儲系統的速度與相對比較快的那個記憶體的速度接近，有2條途徑:一條是提高命中率H。另一條是使構成存儲系統的兩個記憶體的速度之比不要太大。

3.1.3頻帶平衡

使電腦系統中各級記憶體的頻帶達到平衡，使系統結構設計者的一項重要工作。一般來說，有3條途徑可以解決記憶體的頻帶平衡問題。1.多個記憶體並行工作，並且用並行訪問和交叉訪問等方法提高記憶體的訪問速度。2.設置各種緩衝記憶體。3.採用儲存系統，特別是Cache存儲系統。

3.1.4並行記憶體

1.並行訪問記憶體在具體實現時，把地址碼分成兩個部分，其中一部分仍作為記憶體的地址去訪問記憶體，而另一部分則去控制一個多路選擇器，從同時讀出的n個數據中選擇一個數據輸出。並行訪問記憶體的優點是非常簡單、容易。主要缺點是訪問的衝突大，主要衝突來自如下幾個方面：（1）取指令衝突。（2）讀運算元衝突。（3）寫數據衝突。（4）讀寫衝突。2.交叉訪問記憶體交叉訪問記憶體通常有兩種工作方式，一種是地址碼高位交叉，另一種是地址碼低位交叉。高位交叉訪問記憶體：地址碼的低位部分是各個存儲體的體內地址，高位部分用來區分存儲體的體號。低位交叉訪問記憶體：地址碼的低位部分是組成主記憶體的各個存儲體的體號，高位部分是各個存儲體的體內地址3.2虛擬記憶體

1961年英國曼徹斯特大學Kilbrn等人提出70年代廣泛地應用於大中型電腦系統中目前許多微型機也開始使用虛擬記憶體3.2.1虛擬記憶體工作原理3.2.2地址的映象和變換方法3.3.3加快內部地址變換速度的方法3.3.4頁面替換演算法及其實現方法3.2.1虛擬記憶體工作原理

頁式虛擬記憶體是虛擬記憶體中用得比較廣泛的一種，另外的段式虛擬記憶體河段頁式虛擬記憶體主要是因為地址變換方法不同產生的。一個用戶程式要訪問虛擬記憶體時，必須給出多用戶虛擬地址Av。在操作系統和有關硬體的共同管理下，首先進行內部地址變化。如果變化成功，得到主存實頁號批，，而多用戶虛擬地址中的頁內偏移D可以直接作為主存實地址中的頁內偏移d，這樣，只要把主存實頁號p與它的頁內偏移d直接拼接起來就得到主存實地址A。於是，就可以用這個主存實地址A去訪問主記憶體，得到所需要的數據。

2.頁式存儲管理方式

頁式存儲管理是將程式空間和主存空間都等分成相同大小的頁面，程式調入、調出主存以頁面為單位。頁式存儲管理虛、實地址的變化過程是：根據某道程式給出的訪存虛地址，用程式號U到頁表基址寄存器中找到相應的頁表基址寄存器，從中取出頁表基址；把頁表基址與虛地址中的虛頁號P相加後得到該程式的頁表中相應行的物理地址；讀出這個物理地址制定的相應行中“裝入位”字段的內容；若裝入位為“0”，則發生頁面失效，需要調入該頁；若裝入位為“1”，則讀出該行中“實頁號”字段的內容p，即要訪問的存儲字所在虛頁在主存中的起始地址，將p與虛地址中的頁內偏移D相加即為主存實地址。

3.段頁式存儲管理方式段頁式存儲管理是將程式按邏輯上相對獨立分成段，再把各段和主存空間都等分成相同大小的頁面，由多個段組成的一道程式通過一個段表和相應的一組頁表在主存空間定位。在段頁式虛擬記憶體中，程式完成一次訪存操作，需要查2次表，一次查段表，一次查頁表。3.2.3加快內部地址變換的方法1.目錄表：壓縮頁表的存儲容量，用一個容量比較小的高速記憶體來存放頁表，從而加快頁面的查表速度。2.快慢表3.散列函數

3.2.4頁面替換演算法及其實現當發生實頁衝突時，就需要使用某一種替換演算法來指定主存中的哪一個虛頁作為被替換頁調出主存，使調入的虛頁佔用這個實頁的位置。1.隨機替換演算法：由硬體或軟體隨機產生被替換的虛頁號。

2.先進先出替換演算法3.近期最少使用替換演算法4.最優替換演算法:

指定未來的近期不用或很久才用得虛頁作為被替換頁。3.3高速緩衝記憶體

3.3.1基本工作原理3.3.2地址映象與變換方法3.3.3Cache替換演算法及其實現3.3.4Cache的一致性問題3.3.2地址映像與變換方法1.全相聯地址映像及地址變換全相聯地址映像把主存空間和Cache空間都按大小相等的塊劃分，而主存的任意一塊可以裝入Cache中的任意一個塊位置上。2.直接地址映像及地址變換直接地址映像把主存空間按Cache的大小劃分為若干個區，主存各個區中的區內塊號相同的那些主存塊可以裝入Cache中同一塊號的那個塊位置上。3.組相聯地址映像及地址變換組相聯地址映像把主存空間按Cache大小分區，主存中的各區和Cache再按同樣大小劃分成數量相同的組，組內按同樣大小再劃分成數量相同的塊，主存的塊到Cache的組之間採用直接映像，2個對應組的塊之間採用全相聯映像。3.3.3Cache替換演算法及其實現

介紹四種Cache替換演算法。1.輪換法：分為每塊一個計數器和每組一個計數器。2.LFU演算法3.比較對法4.堆疊法3.3.4Cache的性能分析1.Cache系統的加速比假設Cache的訪問週期為TC，主記憶體的訪問週期為Tm,Cache系統的等效訪問週期為T，Cache的命中率為H。則，Cache系統的加速比SP可以定義為：

加速比越高，說明Cache系統的等效訪問速度與Cache的速度越接近，也就越好。2.Cache的一致性問題物理Cache中的塊位置上存放的塊是主存相應塊的副本，Cache塊應與相應的主存塊的內容保持一致。但是，當CPU對Cache塊執行寫操作後，Cache塊與相應主存塊的內容就會不一致，這就是Cache的一致性問題。解決Cache一致性的問題有2個方法:1)寫回法：CPU在執行寫操作時，被寫數據只寫入Cache塊中，不寫入主存塊中，僅當Cache塊被替換時，才更新主存塊。2)寫直達法：CPU在執行寫操作時，必須把數據同時寫入Cache塊和主存塊中。3.4三級存儲系統用Cache、主存、輔存這三個物理記憶體組成一個三級存儲系統的組織方式有以下2種方式：1.兩個存儲系統的組織方式把Cache、主存和輔存組織成“Cache-主存”和“主存-輔存”兩個獨立的存儲系統，這個三級存儲系統也稱為物理地址Cache存儲系統。2.一個存儲系統的組織方式把Cache、主存和輔存組織成“Cache-主存-輔存”三級存儲系統，這種三級存儲系統稱為虛擬地址Cache存