计算机组成原理与体系结构——层次化存储结构

Posted 2021-06-19 天界程序员

1. 简介

  存储层次是在计算机体系结构下存储系统层次结构的排列顺序。每一层于下一层相比都拥有较高的速度和较低延迟性，以及较小的容量。大部分现今的中央处理器的速度都非常的快。大部分程序工作量需要存储器访问。由于高速缓存的效率和存储器传输位于层次结构中的不同档次，所以实际上会限制处理的速度，导致中央处理器花费大量的时间等待存储器I/O完成工作。

2. 分类

由上图可知：

（1）层次化的存储结构可以分为：CPU、Cache（高速缓存）、主存（内存）、外存（辅存）。

（2）从上至下，读取速度越来越慢，存储容量越来越大。

3. 计算机的存储结构为什么层次化的划分？

   主要原因是为了提高性价比减少成本。我们已经知道CPU的读取速度是非常快的，那我们为什么不只用CPU内存呢？是因为CPU的价格非常昂贵的，至今为止，CPU中基本上还是一级缓存和二级缓存。三级缓存比较少见。而且，CPU中的存储容量是非常小的，基本都是KB级别的存储，CPU的内存容量也就几KB，MB级别的CPU内存也是比较少见的。所以，出于经济成本的考虑，计算机中的存储结构是按照层次进行划分的。

4. 局部性原理

  局部性原理: CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

三种不同类型的局部性:

• 时间局部性（Temporal Locality）：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。程序循环、堆栈等是产生时间局部性的原因。

• 空间局部性（Spatial Locality）：在最近的将来将用到的信息很可能与正在使用的信息在空间地址上是临近的。

• 顺序局部性（Order Locality）：在典型程序中，除转移类指令外，大部分指令是顺序进行的。顺序执行和非顺序执行的比例大致是5:1。此外，对大型数组访问也是顺序的。指令的顺序执行、数组的连续存放等是产生顺序局部性的原因。

  早在 1968 年，Denning.P 就曾指出：程序在执行时将呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个部分；相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。他提出了下述几个论点：

• 程序执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外，在大多数情况下仍是顺序执行的。该论点也在后来的许多学者对高级程序设计语言(如 FORTRAN 语言、PASCAL 语言)及C 语言规律的研究中被证实。

• 过程调用将会使程序的执行轨迹由一部分区域转至另一部分区域，但经研究看出，过程调用的深度在大多数情况下都不超过 5。这就是说，程序将会在一段时间内都局限在这些过程的范围内运行。

• 程序中存在许多循环结构，这些虽然只由少数指令构成，但是它们将多次执行。程序中还包括许多对数据结构的处理，如对数组进行操作，它们往往都局限于很小的范围内。

• 局限性还表现为下述两个方面：时间局限性。如果程序中的某条指令一旦执行，则不久以后该指令可能再次执行；如果某数据被访问过，则不久以后该数据可能再次被访问。产生时间局限性的典型原因是由于在程序中存在着大量的循环操作。

• 空间局限性。一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，其典型情况便是程序的顺序执行。存储器中，如磁带上，这样做还能降低存储价格。