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2021-03-31 11:05:58
前情提要
- 存储器分类
- Cache和主存可以直接和CPU交换信息，辅存需要通过主存才能和CPU交换信息。
分级存储方式
为了解决容量、速度、价格三者之间的矛盾。
“Cache-主存”层次
- 用于解决CPU和主存速度不匹配的问题。
- 优点：速度接近于Cache，但是位价和容量却接近于主存。
“主存-辅存”层次
- 用于解决存储系统的容量问题。
- 优点：速度接近于主存，但位价和容量接近辅存。
虚拟存储器
- 随着“主存-辅存”这一层次的不断发展，逐渐形成了虚拟存储器。
- 在虚拟存储器中，程序员编程的地址范围与虚拟存储器的地址空间相对应。
- 对具有虚拟存储器的计算机系统而言，编程时可用的地址空间远大于主存空间。
说明
- 存储和Cache之间的数据调动是由硬件自动完成的，对所有程序员是透明的。
- 辅存和主存之间的数据调动是通过硬件和操作系统共同完成的，对应用程序员是透明的。
- “Cache-主存”和“主存-辅存”层次中，上一层中的内容都只是下一层中内容的副本。
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Arthas_Eva
2013.09.10
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在一个计算机系统中，对存储器的容量、速度和价格这三个基本性能指标都有一定的要求。存储容量应确保各种应用的需要;存储器速度应尽量与CPU的速度相匹配并支持I/O操作;存储器的价格应比较合理。然而，这三者经常是互相矛盾的。例如存储器的速度越快，则每位的价格就越高;存储器的容量越大，则存储器的速度就越慢。按照目前的技术水平，仅仅采用一种技术组成单一的存储器是不可能同时满足这些要求的。只有采用由多级存储器组成的存储体系，把几种存储技术结合起来，才能较好地解决存储器大容量、高速度和低成本这三者之间的矛盾。
存储器的多级结构如图1所示。
图中最内层是CPU中的通用寄存器，很多运算可直接在CPU的通用寄存器中进行，减少了CPU与主存的数据交换，很好地解决了速度匹配的问题，但通用寄存器的数量是有限的一般在几个到几百个之间，如Pentium CPU中有8个32位的通用寄存器。
高速缓冲存储器(Cache)设置在CPU和主存之间，可以放在CPU 内部或外部。其作用也是解决主存与CPU的速度匹配问题。Cache一般是由高速SRAM组成，其速度要比主存高1到2个数量级。由主存与Cache构成的“主存-Cache存储层次，从CPU来看，有接近于Cache的速度与主存的容量，并有接近于主存的每位价格。通常，Cache还分为一级Cache和二级Cache。
但是，以上两层仅解决了速度匹配问题，存储器的容量仍受到内存容量的制约。因此，在多级存在储结构中又增设了辅助存储器(由磁盘构成)和大容量(又称海量)存储器(由磁带构成)。随着操作系统和硬件技术的完善，主存之间的信息传送均可由操作系统中的存储管理部件和相应的硬件自动完成，从而构成了主存一辅存的价格，从而弥补了主存容量不足的问题。
多级存储结构构成的存储体系是一个整体。从CPU看来，这个整体的速度接近于Cache和寄存器的操作速度、容量是辅存(或海量存储器)的容量，每位价格接近于辅存的位价格。从而较好地解决了存储器中速度、容量、价格三者之间的矛盾，满足了计算机系统的应用需要。
随着半导体工艺水平的发展和计算机技术的进步，存储器多级结构的构成可能会有所调整，但由多级半导体存储器芯片集成度的提高，主存容量可能会达到几百兆字节或更高，但由于系统软件和应用软件的发展，主存的容量总是满足不了应用的需求，只要这一现状仍然存在，由主存――辅存为主体的多级存储体系也就会长期存在下去。
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多级结构的存储器系统简介
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当前计算机系统中，采用三种运行原理不同、性能差异很大的存储介质，来分别构建高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器
三级结构的存储器系统如下图所示：
这种多级结构的存储器使CPU大部分时间访问高速缓存(速度最快)，；仅在从缓存中读不到数据时,才去读主存(速度略慢但容量较大)；当从主存中还读不到数据时,才去批量读虚存(速度很慢容量极大),这样就解决了对速度、容量、成本的需求。多级结构的存储器具有良好的性能/价格比是建立在程序运行的局部性原理之上的。
2. 程序运行的局部性原理
◎在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问。
◎在空间上，这些被访问的程序和
数据往往集中在一小片存储区
◎在访问顺序上，指令顺序执行比
转移执行的可能性大 (大约 5:1 )
3. 三级不同的存储器存放的信息必须满足以下两个原则
(1)一致性原则：同一个信息在几个级别的存储器中必须保持相同的值。
(2)包含性原则：处在内层(更靠近CPU)存储器中的信息一定被包含在各外层的存储器中。
4.三级不同的存储器的区别
选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，组成一个统一管理的存储器系统。使每种介质都处于不同的地位，起到不同的作用，充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势，从而达到最优性能价格比，以满足使用要求。
◎高速缓存：使用静态存储器芯片
◎主存储器：使用动态存储器芯片
◎虚拟存储器：使用磁盘存储器上的一片区域
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概括： 将不同容量、速度、价格的存储器组成多层系统，通过软硬件组合为整体，数据分布在各层中，达到最优化的性能价格比。从cpu的角度上看，这个多级存储系统具有与最快存储器相当的速度，容量相当于磁盘的高速、大容量存储器，每字节成本接近磁盘。
1.1 多级存储层次的基本概念
在存储系统多级层次结构中，由上至下分为三级，容量递增，速度递减，成本递减。整体又分为两个层次- Cache-主存层次：
- 主存-辅存层次：
- 进一步细分，先进的CPU内部含有三级存储体系，分别是寄存器、L1 Cache、L2 Cache:
多级结构存储系统服从两个基本原则：
存储层次结构的有效性基于实践局部性、空间局部性两个局部性原理： - 时间局部性（Temproral Locality） ：如果某个数据或指令被引用，那么不久后它可能再次被引用。将最近访问的数据项保存在离微处理器最接近的地方，最近的时间范围内被使用的可能性很大。
- 空间局部性（Spatial Locality） ： 如果某个数据或指令被引用，那么地址邻近的数据或指令和可能不久也将被引用。以由地址连续的若干字构成的块为单位，从低层复制到上一层，它们被使用的概率极大。
1.2 多级存储层次的性能分析
常用术语：
- 块 Block ： 相邻两级间数据交换的单位；
- 命中和命中率 h ：命中指CPU产生的有效地址可以直接在高层存储器中访问到，其概率成为命中率；
- 不命中率m ：m=1-h；
- 命中时间 t h t_h th : 访问高层存储器所需的时间，包括判定本次访问是否命中的时间；
- 不命中时间 t m t_m tm：用底层存储器中相应的块替换高层存储器中的块，并将所访问的数据传送到请求访问的设备的时间。 t m t_m tm由访问时间和传送时间两部分组成;
- 访问时间 ：指缺失时在底层存储器中访问到块中第一个字的时间，与底层存储器的延迟有关；
- 传送时间 ：传送块内字所需的时间，与两级之间的带宽及块大小有关；
命中率与硬件速度无关，与应用程序的行为特性有关，采用以下参数来评价存储器层次结构的特性：
二级存储结构：M1和M2，其中M1比M2高一级，它们的位价格，容量，访问时间分别为： c 1 , s 1 , t a 1 ； c 2 , s 2 , t a 2 c_1,s_1,t_{a1}；c_2,s_2,t_{a2} c1,s1,ta1；c2,s2,ta2。- 每位的平均价格 c = c 1 ∗ s 1 + c 2 ∗ s 2 s 1 + s 2 c=\frac{c_1*s_1+c_2*s_2}{s_1+s_2} c=s1+s2c1∗s1+c2∗s2;
- 命中率（hit ratio） h = N 1 N 1 + N 2 h = \frac{N_1}{N_1+N_2} h=N1+N2N1,其中在一组访问中，有N1次在M1中访问到数据，N2次在M2中访问到数据；不命中率（miss ratio） m = N 2 N 1 + N 2 m=\frac{N_2}{N_1+N_2} m=N1+N2N2;
- 命中时间 t h = t a 1 t_h=t_{a1} th=ta1，不命中时的访问时间 t m = t a 2 + t b t_m=t_{a2}+t_b tm=ta2+tb。因为 t a 1 + t a 2 + t b = t a 1 + t m t_{a1}+t_{a2}+t_b=t_{a1}+t_m ta1+ta2+tb=ta1+tm为不命中时总的时间开销，其中 t b t_b tb是从M2传送一个数据块到M1的时间开销。
- 平均访存时间 ：
T A = h ∗ t a 1 + ( 1 − h ) ∗ ( t a 1 + t m ) = t a 1 + ( 1 − h ) ∗ t m T_A=h*t_{a1}+(1-h)*(t_{a1}+t_m)=t_{a1}+(1-h)*t_m TA=h∗ta1+(1−h)∗(ta1+tm)=ta1+(1−h)∗tm；
可见在命中率h无限接近1的时候，平均访存时间就是M1的访存时间。
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