01计算机组成原理与体系结构

4-层次化存储结构

2021-07-21 2289 2

简介 了解层次化存储,各个层次的存取速度。


1. 层次化存储结构



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    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


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