计算机组成原理：存储系统的访问流程

• 什么是存储系统？
  存储系统大致可分为主存储器，辅助存储器，高速缓冲存储器三层，其中高速缓冲存储器用来改善主存储器与cpu的速度匹配问题，辅助存储器则用于扩大存储空间。课本上从存储系统的层次结构出发，对每一层次的概念、结构、工作机制等做了详细解释，回答了存储系统是什么的问题。

• 存储系统的各层次之间是如何协作的呢？
  这篇文章通过贯穿整个存储系统的访问流程，展现出各个层次之间的协作关系。下图为存储系统的访问流程图，其访问过程可以分为5个部分：①TLB的访问过程，②Page的访问过程，③页面的分配和置换，④cache的访问过程，⑤主存储器的访问过程。

图1 存储系统的访问流程

TLB的访问过程

在存储系统中若要从主存取得数据，必须先访问页表；为了实现对页表的快速访问，需要增设快表。TLB与page之间存在全相联映射、直接映射、组想联映射三种地址映射方式，因此TLB的访问分别存在以下三种情况。

• 全相连映射

图2 TLB全相连映射

• 直接映射

图3 TLB直接映射

• 组相连映射

图4 TLB组相连映射

Page的访问过程

如果TLB的访问未命中，则需要访问主存中的页表。为了避免连续的页表本身占用大量主存空间，存储系统通常采用分级页表，这里以二级页表的访问过程举例。

图5 二级页表

页面分配和置换

若page未命中，说明所需页面未调入主存，需要执行调页策略。对于页面的分配和置换，现代存储系统通常采用三种策略：固定分配局部置换，可变分配全局置换，可变分配局部置换。主存与外存之间的协作关系可以反映在分配策略上。

图6 固定分配局部置换关系模型

cache的访问过程

虚拟地址经过地址变换可以得到相应的物理地址；物理地址经过地址映射可以转化为cache地址。cache与主存之间存在全相联映射、直接映射、组想联映射三种地址映射方式，因此cache的访问分别存在以下三种情况。

• 全相连映射

图7 cache全相连映射

• 直接映射

图8 cache直接映射

• 组相连映射

图9 cache组相连映射

主存储器的访问过程

如果cache访问未命中，则需要访问主存。而在访问主存的过程中cpu的传输周期比存储器的存储周期小，为了提高访问速度，存储系统通常采用多体交叉存储技术。多体交叉存储器由多体模块组成，每个模块都可由DRAM芯片经过扩容而成。因此主存储器的访问过程可以分为三个层面：多体交叉存储器的访问过程、主存模块的访问过程、DRAM芯片的访问过程。

• 低位交叉存储器的访问过程

图10 低位交叉存储器的访问过程

• 主存模块和DRAM芯片的访问过程

图11 主存模块和DRAM芯片的访问过程