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存储器层次结构

存储器的主要性能指标如下：

（1）容量。存储器的容量可以用公式SM=W×I×M来表示，其中中SM表示存储体容量，其中W表示存贮体的字长，单位为bit或Byte;I表示每个存储器的字数；M表示并行工作的存储器个数。

（2）速度。从下面三个方面来描述：

· 访问时间。一般用读出时间TA及写入时间TW来描述，TA是从存储器接收读命令后到信息被送到数据总线上的时间，TW是将一个字写入存储器所需的时间。

· 存储周期。一般用TM表示，即存储器一次完整读写操作所需要的全部时间，即存储器进行连续读写操作所允许的最短时间间隔，它直接关系到计算机运行速度，TM一般比TA或TW要大。

· 存储器频宽。是指存贮器可以提供的数据传送率，一般用每秒钟所传送的信息位数来衡量。

（3）价格。可以用总价格C或每位价格c来表示，具有SM位的存贮器每位价格c=C/SM,其中包括了存贮器本身的价格和为该存贮器操作所必须的外围电路的价格。

一般来说，如果存储器速度、价格、容量三者之间相互矛盾，为了能较好地满足上述三个方面的要求，有效办法是采用由不同介质存储器构成存储器层次结构，使得信息以各种方式分布于不同的存贮器中。其速度接近速度最快的存储器，存储容量与容量最大的存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的存储器。

存储器层次结构经历了一级存储结构、二级存储结构以及多级存储结构三个阶段。在计算机系统中，三级存储结构应用最广泛，以cache存储系统为例，其主要性能如下（虚拟存储系统也与此相似）：

（1）容量。等于主存储器的容量，并且提供尽可能大、能随机访问的地址空间。实现方法有两种：

· cache存储系统只对主存储器进行编址，cache只在内部编址

· 虚拟存储系统另外设计一个容量很大的逻辑地址空间

（2）速度。接近cache的访问速度，为了达到这一点，需要尽可能提高系统命中率和访问效率。

（3）命中率。在cache存储器中访问到的概率，公式如下：

其中N1是cache的访问次数，N2是主存储器的访问次数。

系统的访问周期与命中率之间的关系为：T=H×T1+（1-H）×T2,其中T1与T2分别是cache与主存的访问周期。当命中率H→1时，T→T1,所以提高命中率非常重要。

（4）访问效率。指的是访问cache所用时间所有时间的比例，即：

由此可知，存储系统的访问效率主要与命中率和两级存储器的速度之比有关。

当访问效率e→1时，T→T1,所以提高访问效率也非常重要。

（5）单位容量平均价格。用S1、C1分别表示cache的容量和单位容量平均价格，用S2、C2分别表示主存储器的容量和单位容量平均价格，则存储系统的单位容量平均价格如下：

由上式可知，当 时， ，单位容量的平均价格接近主存储器，但是二者容量差别不能太大，否则速度会受到影响。

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