计算机组成原理与体系结构----存储系统

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1、存储的层次化结构

CPU（寄存器） <=>Cache（按内容存取） <=> 内存（主存） <=> 外存（辅存）

存取速度从左向右依次递减，存储容量从左向右依次变大。常用的外存有硬盘、光盘、U盘等。

2、Cache

（1）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限制。

（2）在计算机的存储系统体系中，Cache是访问速度最快的层次。

（3）使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。

3、常考计算题

使用Cache+主存储器的系统平均周期。

如果以代表对Cache的访问命中率，表示Cache的周期时间，表示主存储器周期时间，以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为，则：

                                               

其中，称为失效率（未命中率）。

4、局部性原理

（1）概念

局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

（2）分类

• 时间局部性：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能会被再次访问；
• 空间局部性：在最近的将来将用到的信息很可能与正在使用的信息在空间地址上是临近的；
• 顺序局部性。

程序循环、堆栈等是产生时间局部性的原因；

指令的顺序执行、数组的连续存放等是产生顺序局部性的原因。

工作集理论：工作集是进程运行时被频繁访问的页面集合。

5、主存

（1）分类

• 随机存取存储器（RAM），如内存，特点：断电数据丢失
• 只读存储器（ROM），特点：断电数据不丢失

（2）编址

存储器地址（Memory address）是存储器中存储单元的编号。由于存储器中存储单元数量很多，为了进行查找，需要给每个存储单元赋予一个存储器地址。每个存储单元存放一个字节量的数据：一个字节B（Byte）= 8个二进制位b（bit）。

（3）例子

内存地址从AC000H到C7FFFH，共有（1）K个地址单元，如果该内存地址按字（16bit）编址，由28片存储器芯片构成。已知构成此内存的芯片每片有16K个存储单元，则该芯片每个存储单元存储（2）位。

• （1）A.96   B.112   C.132      D.156
• （2）A.4     B.8       C.16       D.24

解析：内存地址中的H或h表示十六进制。从AC000H到C7FFFH共有地址单元（C7FFF-AC000+1）H个=（C7FFF+1-AC000）H个=（C8000-AC000）H个=1C000H个地址单元，即1C000H个B，换算成K，则除以1024，即，

1C000 = 

地址单元： K。

内存地址从AC000H到C7FFFH有112K个地址单元，每个地址单元存储16bit，则总容量是112K*16bit，

所以该芯片每个存储单元存储112K*16bit/(28*16K)bit=4bit

6、磁盘

（1）磁盘结构

磁盘由磁道和扇区构成。

                                                          

（2）磁盘的存取时间

存取时间 = 寻道时间 + 等待时间（平均定位时间 + 转动延迟）

其中，寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间；等待时间是等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间。

（3）例子

假设某磁盘的每个磁道划分成11个物理块，每块存放1个逻辑记录。逻辑记录存放在同一个磁道上，记录的存放顺讯如下表所示：

物理块	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
逻辑记录										​​​​​​​	​​​​​​​

如果磁盘的旋转周期为33ms，磁头当前处在的开始处。若系统使用单缓冲区顺序处理这些记录，每个记录处理时间为3ms，则处理这11个记录的最长时间为（1）；若对信息存储进行优化分布后，处理11个记录的最少时间为（2）。

• （1）A.33ms  B.336ms  C.366ms  D.376ms
• （2）A.33ms  B.66ms    C.86ms    D.93ms

 解析：旋转周期为33ms，则旋转一个物理块所需时间3ms，磁盘是匀速不停歇的旋转，所以最差（即用时最长）是磁盘旋转一周处理一个物理块，最差的物理块排序如下图所示，

                                                                     

        这种情况下，当磁盘从的开始位置旋转时，耗时3ms磁盘旋转到的结束位置，然后耗时3ms处理中的记录，处理完成后，磁盘刚好旋转到的结束位置。因为系统使用单缓冲区顺序处理这些记录，这时系统应该处理物理块的内容，所以磁盘需要旋转到的结束位置，用时33ms，这时物理块的内容读取出来了，然后再耗时3ms处理中的记录，这时磁盘已旋转至的结束位置...

        这种情况下，处理这11个记录的耗时为(3+3)+(33+3)*10=366ms。

        最好的情况是处理完一个物理块后，正好磁盘旋转到下一个要处理的物理块，即物理块的分布如下图所示，

                                                                    

        这种情况下，总耗时为(3+3)*11=66ms。

所以，答案是C，B。