《存储器层次》课件

存储器层次探讨计算机系统中不同层次的存储设备及其特性并了解如何利用存储层次结构,提高整体性能存储器系统概述存储器的作用存储器容量和速度存储器系统构成存储器系统管理存储器系统是计算机系统的重存储器具有不同的容量和访问存储器系统由主存储器、辅助存储器系统需要操作系统和虚要组成部分它用于存储和管速度容量决定了可以存储的存储器和各种缓存存储器组成拟存储器管理技术来实现对存理程序指令、数据和处理信息数据量速度决定了数据读写它们共同构成了计算机存储系储资源的合理分配和管理,可以实现对数据的高速读写和的效率需要平衡容量和速度统的层次结构临时存储以满足系统需求存储器的特性数据存储快速读写存储器能够持久地存储数字数据存储器能够以高速读取和写入数,满足计算机系统对数据存储的需据支持计算机系统的高速运行,求高可靠性大容量存储器在长时间运行中能保持数现代存储器能提供海量的存储空据的完整性确保计算机系统的稳间满足各种应用对数据存储的需,,定性求存储器的分类半导体存储器磁性存储器基于晶体管技术的存储器包括和利用磁性材料存储数据包括软硬盘驱,RAM,具有高速、高密度、小体积等优动器具有大容量、低成本等特点ROM,,点光学存储器其他存储器利用激光技术读写数据包括、如闪存卡、盘等体积小、使用方便,CD U,,等具有大容量、可重写等特点广泛应用于移动设备DVD,随机存储器RAM数据存储灵活易失性存储可以在程序运行时随时读写数据非常灵活数据会在断电时丢失需要持续供电维持数据RAM,RAM,性能出色主要类型能够提供高速的数据读写适合作为主存使用和是的两种主要技术类型RAM,SRAM DRAMRAM只读存储器ROM基本特性数据编程可编程ROM是一种不可修改的存储器数据存储在的数据内容通常在生产制造时就固化和是可编程的可以采ROM,ROM PROMEPROM ROM,芯片的硬件电路中可以在上电时即刻读取下来也可以通过特殊的编程设备进行一次用专门的编程设备进行一次性编程,,这种结构使具有存储内容不易丢失和性编程编程后数据无法被修改或删除还可以通过紫外线擦除支持多次编ROM,EPROM,安全性高的特点程磁性存储器磁盘驱动器磁带驱动器磁芯存储器磁盘驱动器采用磁性记录技术可提供磁带驱动器主要用于备份和档案存储磁芯存储器最早用于计算机主存储器,,,大容量和非易失性存储广泛应用于个具有成本低、容量大、传输速率较低的利用磁性材料实现数据存储具有快速,,人电脑和服务器存储特点访问和非易失性的优点光学存储器介质多样性易携带性长寿命光速读写光学存储器使用激光技术在光光盘体积小巧便于携带和存与传统磁性存储相比光盘具光学存储使用激光进行快速读,,盘上记录和读取数据光盘类储这使得光学存储器在移动有更长的使用寿命它们不易写操作相比机械硬盘大大提,型包括、和蓝光等提设备和家庭娱乐领域广泛应用受磁场干扰可靠性更高升了数据访问速度CD DVD,,供了大容量和快速访问的优势半导体存储器集成电路技术基于闪存技术高速和可靠性半导体存储器采用集成电路技术制造可集常见的半导体存储器包括和闪半导体存储器能实现高速读写无机械移动,DRAM,成大量存储单元实现高密度和低功耗存储存提供快速读写而闪存具有非易失部件可提供高可靠性和耐用性,,DRAM,,性存储器层次结构多级结构1存储器层次结构包括寄存器、缓存、主存、磁盘等多个层级每,个层级具有不同的存储容量和访问速度层次性能2上层存储速度快但容量小下层存储容量大但速度慢通过层次,结构平衡了速度和容量的矛盾空间局部性3程序倾向于访问临近的内存单元利用这一特性可以通过缓存提,高整体性能存储器层次的演化时代11有限的内存容量仅能支持基本功能,时代22内存容量增加支持更复杂的应用程序,时代33存储器性能提升与存储器性能匹配,CPU时代44多层次存储器体系优化性能与成本,随着技术的发展存储器层次结构也不断演化从最初的有限容量到支持更复杂应用程序再到性能与匹配最终形成多层次结构优化性能与成本,,,CPU,的存储系统这一演化过程推动了计算机技术的不断进步存储器层次的基本原理层次性局部性12存储器层次体现了不同存储介应用程序访问数据和指令的时质在性能和成本之间的权衡间和空间分布具有局部性特征,从快速但昂贵的缓存到容量大有助于利用存储器层次结构但慢速的磁盘存储器自动化调度性能优化

34、缓存和主存之间的数据通过优化存储器访问模式和缓CPU传输由硬件和软件自动完成隐存策略可以最大限度地利用存,,藏了存储器层次结构的复杂性储器层次结构提高系统性能缓存存储器Cache高速缓存缓存存储器是主存和之间的高速缓冲存储器用于降低访问主存的延迟时间CPU,CPU性能提升缓存可以有效地利用程序的局部性原理大幅提高和内存之间的数据传输速度,CPU存储层次缓存存储器是计算机存储器层次结构中重要的一环介于和主存之间,CPU缓存的工作机制数据复制缓存通过复制主存中的数据来维护自己的数据副本,从而实现快速访问数据查找CPU在执行指令时,首先会在缓存中查找所需的数据,如果找到则直接使用,否则再从主存中获取数据替换当缓存已满时,需要根据特定的替换策略,将部分数据换出缓存以腾出空间一致性维护缓存会定期检查自己的数据是否与主存一致,并在必要时进行数据同步直接映射缓存简单结构快速访问冲突问题直接映射缓存采用最简单的映射方式将主由于缓存地址直接由主存地址生成访问缓直接映射容易产生缓存冲突即多个主存地,,,存地址的某些位直接用作缓存地址这种结存的速度非常快非常适用于对实时性要求址映射到同一个缓存行需要解决冲突问题,,构简单高效但可能会导致缓存利用率低高的场景以提高缓存利用率,组相联缓存块分组搜索机制组相联缓存将缓存分为多个组每当发生缓存访问时需要在同一组,,个组包含多个缓存块这种结构内的多个缓存块中进行搜索以找,可以提高缓存利用率到所需的数据替换策略当需要将新的数据写入缓存时需要使用替换策略来决定替换哪个缓存块,常用的策略有和LRU FIFO全相联缓存地址匹配高效命中率12全相联缓存会比对缓存中所有全相联设计可以提供最高的命行的地址标记以找到与请中率因为无论数据存储在缓存,CPU,求地址匹配的数据的哪个位置都能准确查找到,硬件复杂度访问延迟34全相联缓存需要复杂的比较逻全相联缓存的地址匹配需要遍辑电路实现成本较高面积也较历所有缓存行访问延迟较高,,,大缓存的命中率和失效率缓存命中率和失效率是评估缓存性能的两个关键指标高命中率意味着数据在缓存中能被及时找到降低了访问主存时间高失效率则说明,缓存未能充分利用需要优化缓存设计和管理策略,指标说明命中率成功从缓存中获取数据的比例越高越好,失效率数据未能在缓存中找到而需要访问主存的比例越低越好,缓存的性能指标100%30ns命中率访问时间缓存访问命中的百分比，越高越好缓存访问延迟，越短越好100GB/s$10带宽成本缓存的读写吞吐量，越高越好缓存实现的硬件成本，越低越好评判缓存性能的关键指标包括命中率、访问时间、带宽和成本等这些指标反映了缓存的访问效率、访问延迟、数据吞吐能力以及实现成本通过合理设计和优化这些指标可以最大化缓存的性能主存和磁盘存储器主存储器磁盘存储器主存与磁盘协作虚拟内存技术主存储器是直接访问的存磁盘存储器是一种非易失性存主存存放程序代码和变量磁虚拟内存技术通过将部分磁盘CPU,储区域具有高速访问和低存储设备具有大容量但访问速盘存放大量的程序和数据文件空间作为扩展主存提高了系,,,,储容量的特点度较慢的特点两者协同工作满足系统需求统的存储能力虚拟存储器地址空间扩展虚拟存储器允许进程使用比物理内存更大的地址空间通过分页和交换提供更大的地址,空间磁盘作为辅助存储虚拟存储器使用磁盘作为辅助存储当物理内存不足时将程序页面交换到磁盘上,内存保护虚拟存储器提供内存保护每个进程看到的地址空间都是独立的互不干扰,,虚拟地址空间内存保护动态扩展12每个进程都有自己独立的虚拟地址空间避免不同进程之间的虚拟地址空间的大小可以根据需要动态调整为程序提供弹性,,内存访问冲突的内存管理地址转换内存分页34通过内存管理单元将虚拟地址转换为实际的物理地址将虚拟地址空间划分为固定大小的页面提高内存管理的灵活MMU,以访问内存性页面置换算法FIFO1先进先出置换算法LRU2最近最少使用置换算法LFU3最不常用置换算法页面置换算法是虚拟存储器系统中非常重要的一部分它决定了当内存空间不足时哪些页面需要被替换出去常用的页面置换算法有FIFO（先进先出）、（最近最少使用）和（最不常用）等每种算法都有自己的优缺点需要根据具体情况来选择合适的算法LRU LFU,工作集理论概念解释作用与应用工作集理论描述了程序在执行过程中所需的内存页面集合这个工作集理论为页面置换算法提供了理论基础帮助确定内存中应该,集合随时间变化表示程序当前所需的重要页面保留哪些页面这有助于提高页面命中率减少页面错误,,页面置换算法的效果评价改善存储器层次性能的策略内存优化缓存优化通过合理分配内存资源、优化内存申调整缓存参数、采用高级缓存替换算请和释放等方式提高内存利用率法等方式提高缓存命中率存储层次优化虚拟存储优化根据数据特性合理分配至不同层次存采用虚拟存储技术灵活调配内存与磁,储介质充分发挥存储层次的优势盘空间提高整体性能,,与存储器的性能匹配CPU性能平衡关键数据传输至关重要缓存发挥关键作用的处理速度与存储器的访问速度之间与存储器之间的数据传输速度直接影缓存存储器的设计和使用对于协调与CPU CPUCPU需要保持平衡否则会导致性能瓶颈响系统的整体性能需要精心设计和优化主存之间的性能差距至关重要,,总结本课程全面探讨了计算机存储器系统的层次结构和性能优化策略从基本存储器特性、分类到缓存和虚拟存储器设计再到与存储器性能的匹配系统地介绍,,CPU,了存储器层次体系的关键技术希望学员对存储器系统有了更深入的理解和认知。