存储系统的笔记

存储系统

计算机存储系统层次及存储介质

op1=>operation: 寄存器组
op2=>operation: cache
op3=>operation: 主存
op4=>operation: 辅存
op1->op2->op3->op4

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op11=>operation: 电路（组合逻辑电路）
op22=>operation: SRAM
op33=>operation: DRAM
op44=>operation: 磁表面存储
op11->op22->op33->op44

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结论：容量由小到大，速度由高到低，单位存储价格由高到低

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cache篇

为什么会提出cache？

• 避免 CPU “空等” 现象
• CPU 和主存（DRAM）的速度差异

利用原理

• 程序访问的局部性原理

重要概念

• 地址映像：信息从主存装入cache时，主存地址要按一定规则映像为cache地址。

• 地址转换：程序根据用户提供的主存地址访问cache中对应内容时，要完成主存地址转换为cache地址。

地址映像方式

直接映像

主存字块标记	cache字块地址	字块内地址
t位	c位	b位

全相联映像

主存字块标记	字块内地址
m=t+c位	b位

组相联映像

主存字块标记	组地址	块内地址
t+r位	c位	b位

例题
一个组相联映象Ｃache由６４个存储块构成，每组包含４个存储块，主存包含４０９６个存储块，每块由此１２８字组成，访存地址为字地址。

2. 写出主存地址的位数和地址格式？

3. 初始CACHE为空，在直接映像方式下若CPU依次访问主存块0，1，2，…，63，循环执行10次，问命中率多少？

解：由题可知为四路组相联
（1）因为主存包含2^{12}(4096)个存储块，每块由2^{7}(128)个字组成，可得主存容量为2^{12}*2^{7}=2^{19}，所以主存地址位数为19，块内地址为7位。
又组数为2^{6}/2^{2}=2^{4}，则组号为4位，则可得标记需8位。

主存字块标记(8位)	组号（4位）	块内地址（7位）
A18----A11	A10----A7	A6----A0

（2）因为由题可得，刚开始cache无内容，则第一轮全部不命中，之后九次命中，则命中率：9/10=90%

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辅存篇

重要概念

存储密度 ：

定义：单位长度或单位面积磁层表面磁层所存储的二进制信息量

道密度 ：

沿磁盘半径方向单位长度的磁道数称为道密度，单位为道/英寸tpi或道/毫米tpmm

位密度或线密度：

单位长度磁道所能记录二进制信息的位数叫位密度或线密度，单位为位/英寸bpi或位/毫米bpmm

存储容量 ：

C = n × k × s

寻址时间：

平均寻址时间Ta=平均找道时间Ts+平均等待时间Tw

例题：
假设某磁盘存储器的平均找道时间为Ts，转速为每分钟r转，每磁道容量为N个字，每信息块为n个字。试推导读写一个信息块所需要总时间Tb的计算公式：
Tb=平均寻址时间+传送时间
平均寻道时间=寻道时间+等待时间
=Ts+转一圈的时间/2
=Ts+（60S/r）/2
=Ts+30/r
令传送n个字所需的传送时间为X，则由数据传输率可得：
N*（r/60）=n/X
计算可得，X=\frac{60n}{rN}
则Tb=Ts+\frac{30}{r}+\frac{60n}{rN}

假设磁盘组有11个盘面，每片有两个记录面；存储区域内直径2.36in，外直径5.00in；道密度为1250tpi，内层位密度为52400bpi，转速为2400rpm。问：

1. 共有多少个存储面可用？
   由题可得，共有11个盘片，但最上面及最下面将用于封装，无法用于存储，故共有20个存储面。

2. 共有多少柱面？
   每个盘面上的磁道侧面即为柱面，故磁道数即为柱面数。
   而磁道数=道密度（（存储区域外直径-内直径）/2）
   =1250tpi（（5-2.36）/2）
   =1650个

3. 每道存储多少字节？盘组总存储容量是多少？
   （3）已知，各磁道上道容量相等，故：
   内层道容量=道容量=（内层位密度л内直径）
   =（52400bpiл2.36）bit
   =（52400bpiл2.36）/8B
   =48538B=48.538KB
   盘组总存储容量=存储面数磁道数磁道容量
   =20165048.538KB
   =1.6GB

4. 数据传送率是多少？
   数据传输率Dr=磁道容量转速
   =48.538（2400rpm/60）rps
   =1941520B/S=1.9MB/S

5. 每扇区存储2KB数据，在寻址命令中如何表示磁盘地址？
   已知确定磁盘地址，需确认存储面号、磁道号及扇区号，故磁盘地址需分成三部分。
   存储面：因有20个存储面，故需至少5位用于表示
   磁道号：因有1650个磁道，故至少需11位用于表示
   扇区：因有磁道容量/扇区容量=48538/2048=24个扇区，故至少需5位用于表示
   即可得：
   | 存储面（磁头）号 |磁道号 |扇区号 |
   |:--------|--------:|:-----|
   | 5位 | 11位 | 5位 |

6. 如果某文件长度超过了一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？
   柱面上
   因为如果记录在一个存储面上，则需要重新寻道，而直接记录在同一个柱面上就不用，则可以节约寻道时间。