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存储器层次结构概述
层次结构的定义
存储器的排名
存储器接口
处理器与存储器的速度匹配
存储器接口的定义
存储器访问命中率
两种接口
第1种方式#xff1a;并行
命中率的计算
存储器访问时间
第2种方式#xff1a;逐级
结语 大家好#xff0c;欢迎回来。…
目录
存储器层次结构概述
层次结构的定义
存储器的排名
存储器接口
处理器与存储器的速度匹配
存储器接口的定义
存储器访问命中率
两种接口
第1种方式并行
命中率的计算
存储器访问时间
第2种方式逐级
结语 大家好欢迎回来。上一节课我们学习了04《计算机的内部存储》计算机组成与体系结构 系列课。在本次课程中我们将学习关于存储器层次结构的知识并且简要介绍不同的存储单元是如何与处理器进行接口连接的。那么让我们开始学习吧
存储器层次结构概述
层次结构的定义
简单来说“层次结构”这个词意味着 排名。排名可以根据不同的参数来进行。 例如如果我们根据上映日期来考虑诺兰的《黑暗骑士》三部曲首先是《蝙蝠侠侠影之谜》然后是《黑暗骑士》最后是《黑暗骑士崛起》。 但如果我们根据烂番茄网站的评分来看以94%的新鲜度位居榜首的是《黑暗骑士》因为老实说希斯·莱杰的表现实在是太出色了其次是《黑暗骑士崛起》最后是《蝙蝠侠侠影之谜》。如果考虑Metacritic的评分这个排名也是相同的。 存储器的排名
同样地基于不同的方面存储器存储也可以进行排名。如果我们考虑访问时间和大小我们可以这样对存储单元进行排名寄存器由触发器组成并且嵌入在处理器内部因此访问它们的时间是最少的。接下来是SRAM缓存然后是DRAM主存储器。最后是二级存储器。然而在成本和使用频率方面这个层次结构是相反的。 我的意思是随着我们在层次结构中向上移动成本和使用频率会增加。
存储器接口
处理器与存储器的速度匹配
在我们之前的讨论中我们已经了解到处理器非常快而拥有存储器层次结构的唯一目的就是以合理的成本弥补快速处理器和慢速存储器之间的速度不匹配。
存储器接口的定义
现在让我们来谈谈存储器接口它是计算机组织的一部分涉及将不同级别的存储单元特别是与处理器以及I/O外围设备连接的方式。通常处理器的速度是以MIPS为单位来计算的。有些人称之为MIPS它代表每秒百万条指令我们的目标是以更快且成本效益高的方式从存储器中向处理器提供那么多的指令。 存储器访问命中率
让我们尝试理解存储器的不同级别。如果我说第n级别的信息是第(n1)级别的信息的一个子集这意味着如果处理器在第n级别存储器中查找某物无论是任何指令或数据如果只在该级别找到我们称之为“命中”。否则它被称为“未命中”然后处理器会去第(n1)级别即下一个级别查找相同的信息。 所以在未命中的情况下在第n级别和第n1级别查找信息所花费的时间因该被考虑到。
然而情况并非总是这这样。实际上这取决于接口的连接方式。让我深入的来看看。通常情况下接口有两种方式。下面这个插图将帮助我们来进行理解。
两种接口
第1种方式并行
所以不容的存储级别都同时连接到处理器每当处理器想要一些信息时他可以在所有不同级别的存储器中并行查找如图所示就是处理器连接到了三个不同级别的存储单元。我们暂且叫他们分为是M1M2M3。而访问他们的时间分别是T1T2T3。同时T1T2T3。 命中率的计算
现在我们假设对于一个程序或一组指令M1和M2的命中率分别为H1和H2。ok你一定会再想到底什么是命中率啊怎么计算呢 我们已经知道在执行过程中指令集从非易失性二级存储中被带入主存储器。同时频繁访问的部分存储在缓存中。 假设一个程序中有100条指令它们永久存储在存储器层次结构的最后一级即二级存储器中。假设这100条指令中有80条被带入主存储器。在这种情况下命中率将是80除以100即0.8或80%。 这意味着在执行过程中处理器有80%的机会在主存储器中获得所需的指令。
由于最后一级是永久存储命中率自然是100%。所以我们并不真正需要担心这一级因为如果程序不在这里处理器就无法执行它。就像如果我们没有音频文件我们怎么播放它呢
存储器访问时间
所以回到我们的图示有了所有这些信息如果我们现在尝试找出在这个组织中平均需要多少时间来找到一条指令这也就是人们常说的有效或平均存储器访问时间公式如下。
让我们理解一下这个公式这样我们就不需要再去专门记住它了。 所以有H1%的机会在M1中找到指令。这是访问M1所花费的时间。现在1-H1%的机会是处理器可能在M1中找不到所需的指令这被称为M1的未命中率或未命中比率。对于这些情况处理器将查看下一个级别即M2它有H2%的机会拥有这些指令。同时访问M2所花费的时间是T2因此是1-H1乘以H2和T2。 所以最终呢有1-H2%的几率是处理器可能在M2中找不到所需的指令所以M2的未命中率或未命中比率就是1-H2。因此1-H21-H2T3的意思就是考虑到了所有找不到所需指令的情况无论是在M1还是在M2上这种情况下我们就不得不在M3上进行查找了也就是最后一级。访问M3的所需时间是T3所以公式就是1-H21-H2T3。 请记住这些不同级别的存储器都与处理器直接相连而它们各自的访问时间差异正是实现并行操作的关键所在。
第2种方式逐级
第二种方式是逐级接口存储单元这意味着如果所需的指令在M1中找不到那么处理器将去下一个级别即M2中查找。如果它甚至不在那里寻找过程将继续到下一个级别。 所以在这种情况下公式将变成这样。 因为在这里处理器并不是同时连接到所有存储单元。同时如果处理器在第(n1)级别寻找指令这意味着它已经在第n级别或前一个级别寻找过它并且没有找到。这就是为什么要同时考虑了两个访问时间T1T2。
结语
好了这就是关于存储器层次结构以及存储器接口不同方式的所有内容。
在下一堂课中我们将尝试解决一些与这个概念相关的数值问题以便有一个清晰的理解。
所以我希望在下一堂课中见到你们。谢谢大家的阅读。
