4-层次化存储结构

1. 层次化存储结构

    寄存器存在于CPU中，属于存储体系中最快的存储结构。

    cache一般为多少K大的有多少M字节的。例如mac book pro 中的 一级缓存128kb二级缓存1MB三级缓存6MB。

    cache不是必须的， 引入cache是一种性价比方案，有了cache，提升了十倍甚至上百倍的性能（局部性原理），cache是存储主存的一部分内容， cache是按内容存取的，cache中的内容来自主存，不同内容存在不同区域，速度和效率高于按地址存存取方式，这种存储器叫相联存储器。

层次化存储，依据局部性原理：

    1. 基于时间的局部性原理， 执行完的指令可能在很短时间后再次执行。比如循环体中的语句，放入到cache中，加快速度。  内存和外存也有类似的情况

    2. 空间局部性。 如访问数组时，访问第一个空间，很快就会访问接下来的空间

2. Catch

    寄存器是否作为存储器看待？

    存在于CPU中，有时候没有把寄存器当做顶级的存储器看待，寄存器一般集成在CPU中，所以一般不将寄存器作为存储器对待。

    Cache的功能

        提高CPU数据输入输出的速率，突破冯诺依曼瓶颈， 即CPU与存储系统间数据传送带宽的限制。

        在计算机的存储系统体系中， Cache是访问速度最快的层次（这里不讨论寄存器，因为寄存器是存在于CPU中）

        使用cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理

    什么是局部性原理？

    时间局部性：

    指程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行，比如程序中存在着循环。    

    某一个时段集中访问某一条指令(某条指令执行后不久再次执行)或者某一时段集中读取某些数据

    空间局部性：

    指一旦程序访问了某个存储单元，不久以后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围內，其典型情况是程序顺序执行。

    主要体现在访问数组的时候， 访问数组a[n]的时候，访问了a[0], 立即访问a[1], 称为空间局部性

    比如数据库访问表的时候， Oracle是按block读取数据的，DB2是按page读取数据，一次读取的是多条数据，那么这条数据附近的数据再次读取的时候，就会提高速度。

    工作集理论：

    工作集是进程运行时被频繁访问的页面的集合， 经常访问的内容集合调入cache中，短时间内不会被替换出cache，以提高效率

    Catch命中率计算

    如果以h代表对Cache的访问命中率， t1表示Cache的存期的周期时间，t2表示主存储器周期时间， 以读操作为例， 使用“cache+主存储器”的系统平均周期时间t3，则：

        t3 = h * t1 + (1-h) * t2   (1-h又称为失效率， 未命中率)

    假设cache的命中率为95%， t1为 1ns， t2为1ms=1000ns， 100次访问“Cache+主存”，95次访问了cache（命中率为95%）， 5次访问了主存（失效率未5%）， 则一次访问 “Cache+主存” 的平均时间为 ( 95*1ns + 5*1000ns ) / 100

    则使用catch+主存储器的系统平均周期时间 t3 = 95% * 1ns + 5% * 1000ns = 50.95ns

3. 存储器分类  

   计算机系统的存储器按所处的位置可分为内存和外存。        

   按构成存储器的材料可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。        

   按存储器的工作方式可分为读写存储器和只读存储器。        

   按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。    

   按寻址方式可分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。  

按访问方式：    

   按地址访问的存储器（内存、U盘、硬盘、软盘、光盘） 和 按内容访问的存储器（cache）

按寻址方式：    

   随机存储器： 对任何存储单元存入或读取数据， 访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。（U盘、内存）    

   顺序存储器： 访问所需数据的时间与数据所在的存储位置相关（磁带）        

   直接存储器： 介于随机存储器和顺序存储器之间的一种寻址方式（硬盘、软盘、光盘）            

                           对磁道寻址是随机的， 在磁道内， 是顺序寻址的。

相联存储器：    cache，内容访问的存储器，    将数据或数据的一部分作为关键字， 该关键字与存储器中的每个单元进行比较，找出存储器中所有与关键字对应的数据。    

   用在高速缓冲存储器、虚拟存储器中用作段表、页表、块表存储器， 用在数据库和知识库中