計算機組成原理：存儲系統的訪問流程

• 什麼是存儲系統？
  存儲系統大體可分爲主存儲器，輔助存儲器，高速緩衝存儲器三層，其中高速緩衝存儲器用來改善主存儲器與cpu的速度匹配問題，輔助存儲器則用於擴大存儲空間。課本上從存儲系統的層次結構出發，對每一層次的概念、結構、工做機制等作了詳細解釋，回答了存儲系統是什麼的問題。

• 存儲系統的各層次之間是如何協做的呢？
  這篇文章經過貫穿整個存儲系統的訪問流程，展示出各個層次之間的協做關係。下圖爲存儲系統的訪問流程圖，其訪問過程能夠分爲5個部分：①TLB的訪問過程，②Page的訪問過程，③頁面的分配和置換，④cache的訪問過程，⑤主存儲器的訪問過程。

圖1 存儲系統的訪問流程

TLB的訪問過程

在存儲系統中若要從主存取得數據，必須先訪問頁表；爲了實現對頁表的快速訪問，須要增設快表。TLB與page之間存在全相聯映射、直接映射、組想聯映射三種地址映射方式，所以TLB的訪問分別存在如下三種狀況。

• 全相連映射

圖2 TLB全相連映射

• 直接映射

圖3 TLB直接映射

• 組相連映射

圖4 TLB組相連映射

Page的訪問過程

若是TLB的訪問未命中，則須要訪問主存中的頁表。爲了不連續的頁表自己佔用大量主存空間，存儲系統一般採用分級頁表，這裏以二級頁表的訪問過程舉例。

圖5 二級頁表

頁面分配和置換

若page未命中，說明所需頁面未調入主存，須要執行調頁策略。對於頁面的分配和置換，現代存儲系統一般採用三種策略：固定分配局部置換，可變分配全局置換，可變分配局部置換。主存與外存之間的協做關係能夠反映在分配策略上。

圖6 固定分配局部置換關係模型

cache的訪問過程

虛擬地址通過地址變換能夠獲得相應的物理地址；物理地址通過地址映射能夠轉化爲cache地址。cache與主存之間存在全相聯映射、直接映射、組想聯映射三種地址映射方式，所以cache的訪問分別存在如下三種狀況。

• 全相連映射

圖7 cache全相連映射

• 直接映射

圖8 cache直接映射

• 組相連映射

圖9 cache組相連映射

主存儲器的訪問過程

若是cache訪問未命中，則須要訪問主存。而在訪問主存的過程當中cpu的傳輸週期比存儲器的存儲週期小，爲了提升訪問速度，存儲系統一般採用多體交叉存儲技術。多體交叉存儲器由多體模塊組成，每一個模塊均可由DRAM芯片通過擴容而成。所以主存儲器的訪問過程能夠分爲三個層面：多體交叉存儲器的訪問過程、主存模塊的訪問過程、DRAM芯片的訪問過程。

• 低位交叉存儲器的訪問過程

圖10 低位交叉存儲器的訪問過程

• 主存模塊和DRAM芯片的訪問過程

圖11 主存模塊和DRAM芯片的訪問過程