存储系统层次结构和评价方法

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一、存储介质的分类

由于信息载体和电子元器件的不断发展，存储器的功能和结构都发生了很大变化，相继出现了各种类型的存储器，以适应计算机系统的需要。下面从不同的角度介绍存储器的分类情况。
1．按存取方式分类
根据存储时间与物理位置的关系，与位置无关的包括随机存储器（RAM：Random Access Memory），与位置有关的包括顺序存储器（SAM：Sequential Access Memory）和直接存取存储器（DAM：Direct Access Memory）。
随机存储器是指存储单元的内容可按需随机取出或存入，半导体主存储器都是随机存储器。
顺序存储器是指存储单元的内容只能依地址顺序访问，如磁带存储器和CD-ROM都是顺序存储器。
直接存取存储器是指不必经过顺序搜索就能在存储器中直接存取信息的存储器，如硬盘。
2．按存储介质分类
按存储介质分， 包括半导体、磁存储器和光存储器。
半导体存储器是用半导体器件组成的存储器。常用的MOS存储器， 包括静态MOS存储器（SRAM）和动态MOS存储器（DRAM）。
磁存储器是用磁性材料组成的存储器。相对于半导体存储器，磁存储器具有体积大、存取速度低等不足，如硬盘、磁带。
光存储器是用有机染料， 采用激光刻录方法进行数据存储的存储器。如光盘，磁光盘等。
3．按功能和存取速度分类
寄存器型存储器， 速度快， 容量小， 主要用来存放地址、数据及运算的中间结果，速度可与CPU匹配，但容量一般很小。
高速缓冲存储器是计算机中的一个高速小容量存储器，一般由SRAM组成，用于存放CPU近期经常性要执行的指令和数据。在计算机中用它来提高存储系统的访问速度。
主存储器简称主存，用于存储程序和数据,CPU可直接随机地进行读写访问。主存一般由半导体MOS存储器组成。
辅助存储器它的容量很大，存取速度相对较低。包括磁盘、磁带、光盘、磁盘阵列和网络存储系统等。用来存放当前暂不参与运行的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息。CPU不能直接访问它。
关于存储器分类说明：
1）计算机中的硬盘属于磁性存储器，属于计算机的外存，为顺序访问存储器，大量的数据和执行程序都是存在硬盘中，所以当机器的硬盘坏了的时候，会遇到数据丢失，操作系统无法启动等问题。
2）计算机中的内存属于随机访问存储器，该存储器掉电后，数据会丢失；CPU能够直接访问随机存储器， 指令和数据在被访问之前，需要预先从硬盘中预取到内存中，才能执行。

二、存储系统的层次结构对存储器的基本要求是存储速度快、存储容量大、成本价格低。

很显然，在同样的技术条件下，这些要求之间又是相互矛盾的，将多种速度、容量、价格不相同的存储器采用相关管理技术，构建一个存储速度快、存储容量大、成本价格低的存储系统。计算机的存储系统分为3级：高速缓存、主存和辅存。存储系统的分级结构如下图所示：

图1 存储系统的分级结构

关于存储系统的说明：
1）计算机的存储系统分为3级：高速缓存、主存和辅存。
2）以主存储器为核心的存储系统，高速缓存和主存组成了cache存储系统，其目的是提高CPU对存储系统的访问速度，缓解快速CPU与主存之间的速度差异问题；主存和辅存组成了虚拟存储系统， 其目的是缓解主存容量不足的矛盾。

三、程序局部性原理

1．程序局部性原理概念说明
对程序进行分析可知，由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内，这种对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象，就称为程序访问的局部性，包括时间局部性和空间局部性。
时间局部性是指如果内存某个区域刚刚被访问，不久的将来该区域可能会被重复访问，如对循环程序和局部变量的访问。
空间局部性是指如果内存某个区域刚刚被访问，不久的将来其相邻区域被访问的概率就很大，因为计算机中数据通常以向量、数组、树、表、记录等形式连续地放置在主存的相邻位置，如对顺序指令的访问和数组的读取。
2．应用举例：以下是一段程序代码
int sumvec ( )
{
　　 int i ,sum =0;
for (i=0;i<1000;i++)
　　sum+=V;
return sum;
}
分析 for循环的时间局部性和空间局部性、访问变量sum和数组V的时间局部性和空间局部性。
解：for循环体在主存中连续存放,当包含该循环代码的信息放置到Cache中后,具有空间局部性；由题目条件可知，该循环将被执行1000次，因此，具有良好的时间局部性。
变量sum 是单个变量，不存在空间局部性，但由于该变量在每次执行循环代码时都被用到，因此，具有良好的时间局部性。
数组包含1000个数据元素，这些数据在内存中连续存放，具有良好的空间局部性，又因为数据在循环中多次使用，因此具有良好的时间局部性。

四、评价存储器的主要性能指标

存储器的特性由它的技术参数来描述。常用于描述存储的主要技术指标包括容量、存取速度（包括存取时间、存储周期、存储带宽）和稳定性等。
1．存储容量是指存储器可以存储的二进制信息总量。可用位表示法和字节表示法。
2．存取速度包括存取时间、存取周期、存储器带宽三个性能指标

1）存取时间是指启动一次存储器的操作(读或写分别对应取与存)到该操作完成所经历的时间，又称访问时间， 属于介质属性决定的性能指标。
2）存取周期是指连续启动两次访问操作之间的最短时间间隔。不同于存取时间，对于主存而言，存储周期的值略大于存取时间。
3）存储器带宽是指单位时间内存储器所能传输的信息量，常用位/秒或字节/秒表示。
3．存储可靠性用平均故障间隔时间MTBF（Mean Time Between Failures）来衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。MTBF越长，表示可靠性越高，即保持正确工作能力越强。