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  • 存储系统层次结构

    2021-04-29 15:33:54
    目录一.背景二.层次结构(1)结构(2)原理 一.背景 现在我们使用的计算机系统结构是冯诺依曼体系结构,它的一个特点就是中央处理器CPU(控制器+算数运算器)与存储器相...所以就有了我们接下来的存储系统层次结构

    一.背景

    现在我们使用的计算机系统结构是冯诺依曼体系结构,它的一个特点就是中央处理器CPU(控制器+算数运算器)与存储器相分离。所以我们在调用指令,提取数据,写入数据的时候就会花费一部分时间。

    而且随着时代的发展,CPU发展的速度极快,而存储器更新的时间赶不上CPU更新的时间,那么一台计算机的性能效率就会受限于存储器的发展。

    当然我们想要容量大、价格便宜、存储速度快的存储器,但是显然这三个条件并不能同时满足。所以就有了我们接下来的存储系统层次结构。

    二.层次结构

    (1)结构

    首先上图:
    在这里插入图片描述
    层次结构分为三层

    (1)cache : 高速缓冲存储器,容量小,速度快,与CPU中的寄存器通过字进行信息交换。

    (2)主存 :内存,与cache通过块进行信息交换。

    (3)辅助存储器 :主要是磁盘,容积大、价格低、速度慢,与主存通过页面进行信息交换。

    最后我们的CPU就会有cache的速度,辅存的价格和容量!

    cache

    cache分为L1和L2两部分:
    L1集成在CPU中,分为数据cache(D-cache)和指令cache(I-cache)
    L2现在一般也集成在CPU内核,但是不分数据cache和指令cache

    (2)原理

    局部性原理

    (1)时间局部性

    现在访问的信息再不久的将来还要被再次访问。

    类似于程序结构中的:循环结构

    (2)空间局部性

    现在访问了信息,下次更可能访问它周围的信息。

    类似于程序结构中的:顺序结构

    (3)性能

    命中:在Mi层找到一个信息项时,称为命中,反之为失效。

    命中率:在Mi层中的命中率hi是指信息项在Mi中被找到的概率。

    失效率:在Mi中的失效率定义为1-hi。

    访问内存比访问外存次数要多!
    在cache中未找到称为块失效,在主存中未找到称为缺页错误。

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  • 层次结构存储系统

    2020-10-08 23:58:49
    主存的组成操作 组成: 地址寄存器 地址译码器 记忆单元 地址译码器将地址寄存器中的地址在记忆单元中找到,根据读写控制信号和Memory data register中的在指定记忆单元中数据读写 存储器的主要性能指标 读出时间 ...

    存储器分类:

    按存储元件分类

    半导体存储器
    磁表面存储器
    光盘存储器

    按读取方式

    随机存取存储器
    顺序存取存储器
    直接存取存储器
    相联存储器

    按信息可更改性

    只读存储器
    读写存储器

    按断电后可保存性

    非易失性
    易失性

    按功能分类

    高速缓存
    主存
    辅存
    后备存储器

    主存的组成及操作

    组成:
    地址寄存器
    地址译码器
    记忆单元
    地址译码器将地址寄存器中的地址在记忆单元中找到,根据读写控制信号和Memory data register中的在指定记忆单元中数据读写

    存储器的主要性能指标

    读出时间
    写入时间
    存储周期

    各类存储器元件特点

    只读芯片ROM
    读写芯片RAM
    静态读取SRAM 成本高速度快,无需刷新和读后再生 6个晶体管控制实现一个二进位
    动态读取DRAM 成本低速度较慢 要刷新和读后再生, 1个晶体管实现一个二进位

    FLASH存储器 比如U盘,可读可写

    存储器的层次结构

    从上到下 速度越来越慢 容量越来越大 价格越来越低
    寄存器
    高速缓存
    主存
    辅存
    海量后备存储
    在这里插入图片描述
    数据的交换只能在相连的两层之间交换
    这种设定的原因:
    程序运行的时间局部性和空间局部性
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    高速缓存cache

    引入cache的出发点

    在这里插入图片描述
    指令的时间局部性和空间局部性如下右图展示
    循环具有时间局部性,
    数组具有空间局部性
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    程序的局部性对程序性能的影响举例
    对于一个二维数组,按照行优先还是列优先索引,会产生是否能利用cache的问题,按照行可以,按照列不可以
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    cache和主存的关系

    主存的内容都是按照块分割,cache将主存的块复制形成映像,但是当复制新的块时会将旧的块冲掉
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    cache操作过程

    cpu直接给的是虚拟地址,并不是主存地址
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    实现cache需要解决的问题

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    直接映射主存地址划分

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    主存标记位是最后被剩下来的
    首先根据地址的中间四位确定槽号
    根据曹的标记和主存标记是否相同确定是否在cache中命中
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    直接映射方式的特点

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    cache容量的计算

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    直接映射方式的特点

    直接映射最大的缺点在于不能充分利用cache,效率低
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    全相联映射

    在cahce中的查找时间特别长。
    只能遍历的对比标记位
    用时间效率的下降换取空间效率的提高
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    组相联映射方式

    中和了直接映射和全相联映射,时间效率和空间效率的平衡
    组内按照全相联
    组间按照直接映射
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    cache命中率

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    cache的关联度

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    cache替换算法

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    先进先出算法

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    最近最少用算法

    最近最少用算法可能出现颠簸现象,就是总是访问刚刚淘汰的块
    需要一个计算记录块最近使用的次数
    计算器两位就可以
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    在这里插入图片描述
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    cache举例

    在这里插入图片描述
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    写策略概述

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    写策略问题

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    cache实现的几个因素

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    L1 cache 指令和数据分开
    时间更重要
    L2 L3一般位联合cache
    命中率更重要
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    cache实现举例

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    cache综合计算举例

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  • IO子系统层次结构

    千次阅读 多人点赞 2016-10-22 14:30:54
    在计算机系统,无论软硬,经常用到的结构是层次结构。同样,IO也不例外。将IO需要完成的功能组织成一系列的层次结构,每一层利用下一层提供的服务。每层完成的是一个子功能,并向上层提供服务接口。这些特征基本上都...

    在计算机系统,无论软硬,经常用到的结构是层次结构。

    同样,IO也不例外。将IO需要完成的功能组织成一系列的层次结构,每一层利用下一层提供的服务。每层完成的是一个子功能,并向上层提供服务接口。这些特征基本上都是层次系统通用的特性,不必多说。

    IO系统分类的层次通常是5层。列举如下:

    • 用户层IO软件
    • 设备独立性软件
    • 设备驱动程序
    • 中断处理程序
    • 硬件

    首尾两个不用解释都能明白,最抽象的当然是用户看到的那些IO软件,最具体的是底层提供功能的硬件,那么中间的三层作何解释,功能是什么,就需要仔细思考记忆了。

    • 设备独立性软件: 用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护,以及设备分配与释放等,同时也为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。

    上面是十分拗口的定义,也极易出现理解偏差。而实际上是很具体的东西。所谓设备独立性,就是能够让上层,即用户层的操作能够统一定义,不用再管插入的是什么设备,什么型号,个体特征等等,只需要能够将设备归类,对一类设备进行操作。在用户层,只需要知道我调用一个库函数等就能够使用这个设备了。设备独立性软件就是弥合各种设备的差别,从而为用户层提供一个统一漂亮的接口。另一方面,这一层要面向设备,为了能够满足向上提供服务的要求,需要的准备材料有设备命令,设备保护措施,对设备进行分配与释放的方法等,而引入存储作为缓存自然也是必要的举措。
    再细化一点说来,在这一层,引入了逻辑设备和物理设备两种概念。用户层看的是设备的逻辑名字,就像文件系统中看的也是逻辑文件。系统执行时,要操作的是物理设备,二者必然有个映射关系。

    • 设备驱动程序:硬件相关,具体实现OS对设备发出的操作指令,驱动IO设备工作。每一类设备有一个设备驱动程序。比如我们插入U盘时,系统会弹出安装驱动,安装完成后,这个驱动程序不会消失,而是运行在后台进程。无论你用的是正版金士顿还是盗版,用的是东芝还是闪迪,驱动程序都是一类,系统中驱动U盘的都是相同的驱动程序。

    • 中断服务程序:具体任务不必多说,只谈为什么放在距离硬件最近的地方,驱动表示不服。

    • 中断处理主要进行的是上下文任务的切换,测试中断信号,读取设备状态,修改进程状态。驱动程序是以进程的形式工作的,敢不经过中断直接进行进程的响应?不行的。因此,中断服务程序才是软件层里最diao的。

    • 硬件:这里的硬件也需要单独说明,是因为这里是指代IO设备,有不同之处。分为两个部分:机械部件和电子部件。

    硬件部分的特别说明

    • 机械部件
    • 电子部件

    机械部件:设备本身。
    电子部件:设备控制器,也称适配器。通常是印刷电路板,通过插入主板进行工作。其中包含有寄存器,通过寄存器与CPU通信。这些寄存器要是收编到内存地址空间,就是内存映像IO,统一编址。也有的是IO专用地址,称之为独立编址。

    不知道有没有发现,设备控制器是一种抽象的概念,具体的实施中,有:

    • 程序直接控制
    • 中断驱动方式
    • DMA
    • 通道

    带着对这四种方式的运作过程再来理解设备控制器就要简单多了。

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  • 计算机系统结构简述.doc计算机系统结构简述摘 要:计算机系统结构是一个有多个层次组合而成的有机整体,随着科技的不断发展,未来的计算机将会朝着微型化、网络化和智能化的方向发展,为了使大家对计算机系统结构有...

    计算机系统结构简述.doc

    计算机系统结构简述

    摘 要:计算机系统结构是一个有多个层次组合而成的有机整体,随着科技的不断发展,未来的计算机将会朝着微型化、网络化和智能化的方向发展,为了使大家对计算机系统结构有一个大概的了解,本文主要介绍了计算机系统结构的一些基本概念、计算机系统结构的发展、计算机系统结构的分类方法和计算机系统设计的方法。

    关键词:计算机系统结构;冯?诺依曼结构;Flynn分类法;冯氏分类法

    中图分类号:TP303

    世界上第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年,在问世将近70年的时间里,计算机共历经电子管计算机时代、晶体管计算机时代、中小规模集成电路计算机时代、大规模和超大规模集成电路计算机时代和巨大规模集成电路计算机时代,计算机更新换代的一个重要指标就是计算机系统结构。

    1 计算机系统结构的基本概念

    1.1 计算机系统层次结构的概念

    现代计算机系统是由硬件和软件组合而成的一个有机整体,如果继续细分可以分成7层。L0:硬联逻辑电路;L1:微程序机器级;L2:机器语言级;L3:操作系统级;L4:汇编语言级;L5:高级语言级;L6:应用语言级。其中L0级由硬件实现;L1级的机器语言是微指令级,用固件来实现;L2级的机器语言是机器指令集,用L1级的微程序进行解释执行;L3级的机器语言由传统机器指令集和操作系统级指令组成,除了操作系统级指令由操作系统解释执行外,其余用这一级语言编写的程序由L2和L3共同执行;L4级的机器语言是汇编语言,该级语言编写的程序首先被翻译成L2或L3级语言,然后再由相应的机器执行;L5级的机器语言是高级语言,用该级语言编写的程序一般被翻译到L3或L4上,个别的高级语言用解释的方法实现;L6级的机器语言适应用语言,一般被翻译到L5级上。

    1.2 计算机系统结构的定义

    计算机系统结构较为经典的定义是Amdahl等人在1964年提出的:由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性,即概念性结构和功能特性。由于计算机具有不同的层次结构,所以处在不同层次的程序设计者所看到的计算机的属性显然不同。

    2 计算机系统结构的发展

    2.1 传统系统结构

    当Amadahl在1964年提出计算机系统结构的定义时,也提出了采用系列机的思想,它的出现被誉为计算机发展史上的一个重要里程碑。当人们普遍采用系列机思想后,较好的把硬件技术飞速发展与软件环境要求相对稳定的矛盾解决了,这就要求系列机的系统结构需要在相当长的时间内保持基本不变。其中,最重要的是保持它的数据表示、指令系统以及其他概念性的结构保持不变。

    2.2 冯?诺依曼结构

    冯?诺依曼结构(也称普林斯顿结构)是美国数学家冯?诺依曼在1946年提出的,他将计算机分为五大部件:运算器;控制器;存储器;输入设备;输出设备。其基本思想是存储程序,主要特点是:(1)单处理机结构,机器以运算器为中心;(2)采用程序存储思想;(3)指令和数据一样可以参与运算;(4)数据以二进制表示;(5)将软件和硬件完全分离;(6)指令由操作码和操作数组成;(7)指令顺序执行。

    2.3 对冯?诺依曼结构的改进

    为了更好的优化计算机系统结构,人们不断对冯?诺依曼结构进行改进,总的来说,共采用两种方法。一种是在冯?诺依曼结构的基础上进行“改良”;另一种是采用“革命”的方法,即脱离冯?诺依曼结构,和其工作方式完全不同,统成为非冯?诺依曼结构。

    2.4 哈佛结构

    哈佛结构的计算机分为三大部件:(1)CPU;(2)程序存储器;(3)数据存储器。它的特点是将程序指令和数据分开存储,由于数据存储器与程序存储器采用不同的总线,因而较大的提高了存储器的带宽,使之数字信号处理性能更加优越。

    2.5 其他系统结构

    冯?诺依曼结构开启了计算机系统结构发展的先河,但是因为其集中、顺序的的控制而成为性能提高的瓶颈,因此各国科学家仍然在探索各种非冯?诺依曼结构,比如,数据流计算机,函数式编程语言计算机等都是较为著名的非冯?诺依曼结构。

    3 计算机系统结构的分类方法

    研究计算机系统结构的分类方法可以帮助我们加深对计算机系统结构和组成特点的认识以及对系统工作原理和性能的理解。下面简单介绍2种比较常用的分类方法:Flynn分类法;冯氏分类法。

    3.1 Flynn分类法

    由于计算机系统结构由多级层次构成,因此在设计计算机系统结构时就可以有三种方法:(1)“从下往上”设计;(2)“从上往下”设计;(3)“从中间开始”设计。

    4.1 “从下往上”设计

    首先根据能够得到的硬件,参照已经生产出来的各种机器的特点,开发出将微程序机器级和传统机器级设计出来,然后依次往上设计,最后将面向机器的虚拟机器级设计出来。在硬件

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