微機原理及應(yīng)用第七章認(rèn)識存儲器系統(tǒng)第二講存儲器系統(tǒng)概述講授：殷慧下面我們來學(xué)習(xí)微機系統(tǒng)中的存儲器系統(tǒng)。微機的存儲器包括內(nèi)存儲器和外存儲器存儲器系統(tǒng)概述內(nèi)存儲器外存儲器微機的存儲器內(nèi)存儲器包括主內(nèi)存和高速緩沖存儲器，主內(nèi)存高速緩沖存儲器內(nèi)存儲器主內(nèi)存（內(nèi)存條）高速緩沖存儲器(cache)外存儲器包括聯(lián)機外存和脫機外存,他們的區(qū)別是是否跟微機連接在一起聯(lián)機外存脫機外存外存儲器區(qū)別是是否跟微機連接在一起聯(lián)機外存，比如硬盤，大小是T級別的，是微機系統(tǒng)的標(biāo)配聯(lián)機外存硬盤T級別的大小微機系統(tǒng)的標(biāo)配脫機外存，比如光盤，軟盤這些，是可以脫離計算機并且存儲數(shù)據(jù)的設(shè)備。脫機外存光盤、軟盤脫離計算機存儲數(shù)據(jù)在微機系統(tǒng)中，這些存儲設(shè)備的性能有非常大的差別，內(nèi)存儲器的速度要比外存儲器的速度快，但是它們的容量比外存儲器的容量小，從單位容量的價格上來說，內(nèi)存儲器的價格更高，而外存儲器的價格更低，從制造材料上來說，內(nèi)存儲器主要是由半導(dǎo)體構(gòu)成的，而外存儲器主要是由磁性材料構(gòu)成的內(nèi)存儲器外存儲器微機系統(tǒng)速度快慢容量小大單位容量價格高低制造材料半導(dǎo)體磁性材料我們所說的微機的存儲系統(tǒng),是指將兩個或兩個以上速度，容量，價格不相同的存儲器用硬件，軟件或者軟硬件相結(jié)合的方式連接起來而構(gòu)成的速度容量價格微機的存儲系統(tǒng)構(gòu)成硬件軟件軟硬件要達(dá)到的目的是使整個存儲系統(tǒng)從外界看起來，它的速度更接近最快的那個存儲器，從容量上來說更接近容量最大的那個存儲器，而從價格上來說，接近更便宜的存儲器。這樣看起來是不是非常劃算？那他究竟是怎么做到的呢目的存儲系統(tǒng)速度接近最快的存儲器容量接近最大的存儲器價格接近最便宜的存儲器其實為了達(dá)到這個終極目標(biāo)，微機系統(tǒng)的存儲器系統(tǒng)包括兩類，一類是Cache存儲系統(tǒng)，它是由主存儲器跟高速緩沖存儲器構(gòu)成的，另一類是虛擬存儲系統(tǒng)，它是主存儲器與磁盤存儲器構(gòu)成的存儲器系統(tǒng)Cache存儲系統(tǒng)主存儲器高速緩沖存儲器虛擬存儲系統(tǒng)主存儲器磁盤存儲器首先我們來看cache存儲系統(tǒng)，cache存儲系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)進(jìn)行管理的，對于程序員來說它是透明的，透明的意思是說他雖然是客觀存在的，但是程序員看不到cache存儲系統(tǒng)是如何進(jìn)行存儲的，cache存儲系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是使整個存儲系統(tǒng)的存儲速度接近存儲速度最快的那個存儲器cache存儲系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)進(jìn)行管理高速緩沖存儲器對于程序員是透明的，程序員看不到cache存儲系統(tǒng)是如何進(jìn)行存儲設(shè)計目標(biāo):使存儲速度接近最快的存儲器Cache存儲系統(tǒng)的連接方式是這樣的，Cache是由小容量但速度很快的SRAM制造的，與CPU的存取速度相當(dāng)，它通常被集成到CPU的內(nèi)部，我們在CPU的外部很難發(fā)現(xiàn)它小容量、速度快的SRAM制造Cache與CPU存取速度相當(dāng)，集成到CPU內(nèi)部，CPU外部很難發(fā)現(xiàn)Cache存儲系統(tǒng)的連接方式Cache與主內(nèi)存通過總線連接，主內(nèi)存的容量雖大，但是存取速度太慢,如果沒有cache，而是讓CPU直接從主內(nèi)存中存取所有的數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致主內(nèi)存的速度太慢，CPU總是要停下來等它，這樣CPU的速度上不去，整個微機系統(tǒng)的性能也上不去Cache存儲系統(tǒng)的連接方式Cache總線主內(nèi)存主內(nèi)存的容量雖大，但存取速度太慢CPU直接從主內(nèi)存中存取所有的數(shù)據(jù)如果沒有cache，而是讓CPU直接從主內(nèi)存中存取所有的數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致主內(nèi)存的速度太慢，CPU總是要停下來等它，這樣CPU的速度上不去，整個微機系統(tǒng)的性能也上不去Cache主內(nèi)存速度慢CPU速度上不去微機系統(tǒng)性能上不去Cache剛好在CPU與主內(nèi)存之間起到了很好的過渡作用Cache在CPU與主內(nèi)存之間起過渡作用我們用這張圖說明Cache是如何工作的，首先，大家要知道程序訪問的局部性，也就是說經(jīng)過工程師們的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)如果CPU現(xiàn)在調(diào)用一條程序，那么很大概率上它后面將要調(diào)用的程序也都離這條程序不會太遠(yuǎn)Cache工作原理首先，大家要知道程序訪問的局部性，也就是說經(jīng)過工程師們的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)如果CPU現(xiàn)在調(diào)用一條程序，那么很大概率上它后面將要調(diào)用的程序也都離這條程序不會太遠(yuǎn)程序訪問的局部性CPU調(diào)用一條程序后面調(diào)用的程序都距離不遠(yuǎn)在最開始的時候，Cache中沒有內(nèi)容，CPU不能在Cache中命中任何內(nèi)容，那么CPU會去主內(nèi)存中尋找，CPU會去主內(nèi)存中尋找Cache中沒有內(nèi)容CPU不能命中任何內(nèi)容Cache會基于第一條指令在主內(nèi)存的位置，將這條指令及其后的一段指令鏡像復(fù)制到Cache中，那么CPU后面將要尋找的指令很大概率都能夠在cache中找到了，即命中率變高了取到第一條指令后，基于其在主內(nèi)存的位置，將這條指令及其后的一段指令鏡像復(fù)制到Cache中CacheCPU尋找的指令能夠在cache中找到,命中率變高因為cache存取速度非常快，它更接近CPU的處理速度，所以一旦命中率很高，那么對于CPU來說，它就會覺得這個存儲系統(tǒng)的讀寫速度還是相當(dāng)快的?？墒?，過一段時間，可能CPU要讀取的指令又不在Cache中了，這叫做未命中，存取速度非常快，更接近CPU的處理速度，一旦命中率很高，存儲系統(tǒng)的讀寫速度相當(dāng)快CacheCPU要讀取的指令不在Cache中，這叫做未命中當(dāng)要尋找的程序在Cache中不能命中時，CPU就要去主內(nèi)存尋找，這時，Cache會將這條新的程序附近的程序段鏡像復(fù)制到Cache中，將之前的程序段再復(fù)制會主內(nèi)存中，當(dāng)然，現(xiàn)在的Cache還會有更先進(jìn)的技術(shù)保證命中率更高Cache會新的程序附近的程序段鏡像復(fù)制到Cache中，將之前的程序段再復(fù)制會主內(nèi)存中當(dāng)要尋找的程序在Cache中不能命中CPU去主內(nèi)存尋找系統(tǒng)讀寫時間那么整個系統(tǒng)的讀寫時間就是命中率乘以CPU讀寫Cache的時間加上未命中率乘以CPU讀寫主內(nèi)存的時間X命中率CPU讀寫Cache時間+X未命中率CPU讀寫主內(nèi)存時間所以，當(dāng)命中率越高即越趨近于1的時候，整個存儲器系統(tǒng)的讀寫時間就趨近于CPU讀寫Cache的時間命中率越高即越趨近于1的時候，讀寫時間就趨近于CPU讀寫Cache的時間因此，就靠Cache存儲系統(tǒng)我們達(dá)到了，這個存儲器系統(tǒng)的存取速度接近存取速度最快的器件這一目標(biāo)靠Cache存儲系統(tǒng)達(dá)到存儲器系統(tǒng)的存取速度接近存取速度最快的器件這一目標(biāo)同時，又由于Cache的內(nèi)容在更新，它總是保證CPU能夠盡可能多的命中主內(nèi)存的內(nèi)容，所以，從CPU的角度看，Cache存儲系統(tǒng)的存儲容量也是接近于主內(nèi)存的容量Cache存儲系統(tǒng)的存儲容量接近于主內(nèi)存的容量CPU角度Cache內(nèi)容在更新，總是保證CPU盡可能多的命中主內(nèi)存內(nèi)容雖然cache比較貴，但是由于它在整個存儲系統(tǒng)中占的比重較低，它的價格對整個存儲系統(tǒng)的價格的增加微乎其微，可以忽略，所以整個存儲系統(tǒng)的價格就接近價格最便宜的器件cache在整個存儲系統(tǒng)中占的比重較低cache價格對整個存儲系統(tǒng)的價格的增加微乎其微整個存儲系統(tǒng)的價格接近價格最便宜的器件再來看一下虛擬存儲系統(tǒng),虛擬存儲系統(tǒng)是由主內(nèi)存和部分磁盤系統(tǒng)構(gòu)成的主內(nèi)存部分磁盤系統(tǒng)虛擬存儲系統(tǒng)虛擬存儲系統(tǒng)中的磁盤存儲系統(tǒng)就是我們說的外存,它的存儲容量比較大，但是讀寫的速度比較慢,虛擬存儲系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是增加整個系統(tǒng)的存儲容量,虛擬存儲系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)進(jìn)行管理,對于應(yīng)用程序員來說，這部分操作是透明磁盤存儲系統(tǒng)就是外存存儲容量比較大，讀寫速度比較慢設(shè)計目標(biāo):增加整個系統(tǒng)的存儲容量由操作系統(tǒng)管理,對于程序員操作透明虛擬存儲系統(tǒng)說到這里，我們對提到的所有的存儲器設(shè)備的性能進(jìn)行比較,我們提到的存儲器設(shè)備包括脫機外存，聯(lián)機外存，主存儲器，高速緩存，通用寄存器組及指令、數(shù)據(jù)緩沖棧脫機外存聯(lián)機外存主存儲器高速緩存通用寄存器組及指令、數(shù)據(jù)緩沖棧比較提到的存儲器設(shè)備的性能其中脫機外存和聯(lián)機外存屬于外存儲器，主內(nèi)存和高速緩存屬于內(nèi)存儲器，而通用寄存器組及指令、數(shù)據(jù)緩沖棧屬于片內(nèi)存儲器。在這個塔形結(jié)構(gòu)中，由上到下，存儲器的存儲容量越來