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  • 计算机存储系统和分层结构

    存储系统

    是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备(硬件)和算法(软件)所组成的系统。

    层次结构

    对于计算机系统中配置的存储器,归结起来有三个主要的参数要求:容量大,速度快,价格低。存储器的易失性也是计算机存储器的一个重要指标,一般来讲,速度高的存储器,每位价格也高,因此容量不能太大。所以对单一的存储器部件来说,大容量、高速度、低价格三者是不能同时满足的。为了解决这个难题,在现代计算机系统中采用了存储器分层结构,这样就不会仅仅依赖于某一个存储部件或技术了。任意高速存储设备都可以作为低速存储设备的缓存,也是出现存储层次主要原因之一。

    由于计算机的主存储器不能同时满足存取速度快、存储容量大和成本低的要求,在计算机中必须有速度由慢到快、容量由大到小的多级层次存储器,以最优的控制调度算法和合理的成本,构成具有性能可接受的存储系统。存储系统的性能在计算机中的地位日趋重要,主要原因是:

           ①冯诺伊曼体系结构是建筑在存储程序概念的基础上,访存操作约占中央处理器(CPU)时间的70%左右。

           ②存储管理与组织的好坏影响到整机效率。

           ③现代的信息处理,如图像处理、数据库、知识库、语音识别、多媒体等对存储系统的要求很高 [1]  。

    对于通用计算机而言,存储层次分为四层:CPU寄存器。高速缓存、主存和辅存,如下图

                                  (图1)

    对于CPU 寄存器,CPU 可以再一个时钟周期内访问它们。接下来是一个或者多个小型到中型的基于 SRAM 的高速缓存存储器,可以再几个 CPU 时钟周期内访问它们。然后是一个大的基于 DRAM 的主存,可以在几十或者几百个时钟周期内访问它们。接下来是慢速但是容量很大的本地磁盘。存储器层次结构的核心是,对于每个 k,位于 k 层的更快更小的存储设备作为位于 k+1 层的更大更慢的存储设备的缓存。也就是说,层次结构中的每一层都缓存来自较低一层的数据对象。

    辅助存储器有:磁盘和移动存储设备(U盘、移动硬盘、软盘、光盘、存储卡)。

    特点

    分层结构的顶端,存储访问速度最快,单位价格最高,存储容量最小。自上而下速度越来越低,而容量越来越大,单位价格越来越低。

    综上所述,一个较大的存储系统是由各种不同类型的存储设备构成,是一个具有多级层次结构的存储系统。该系统既有与CPU相近的速度,又有极大的容量,而成本又是较低的。其中高速缓存解决了存储系统的速度问题,辅助存储器则解决了存储系统的容量问题。采用多级层次结构的存储器系统可以有效的解决存储器的速度、容量和价格之间的矛盾。

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