存储系统的层次结构

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：

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。