1 海量存储系统的体系结构
存储系统在高速度、大容量、低成本三者之间是存在矛盾的。在追求单个存储器高性能的同时，通过先进的体系结构技术，可以构建出性价比最优的复合存储系统。
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海量存储系统的研究目标： 通过软硬件结合、本地与网络结合的方法，研究新型体系结构技术，设计出性能优化的存储系统。
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概括： 将不同容量、速度、价格的存储器组成多层系统，通过软硬件组合为整体，数据分布在各层中，达到最优化的性能价格比。从cpu的角度上看，这个多级存储系统具有与最快存储器相当的速度，容量相当于磁盘的高速、大容量存储器，每字节成本接近磁盘。
1.1 多级存储层次的基本概念
在存储系统多级层次结构中，由上至下分为三级，容量递增，速度递减，成本递减。整体又分为两个层次
- Cache-主存层次：
- 主存-辅存层次：
- 进一步细分，先进的CPU内部含有三级存储体系，分别是寄存器、L1 Cache、L2 Cache:
多级结构存储系统服从两个基本原则：
存储层次结构的有效性基于实践局部性、空间局部性两个局部性原理： - 时间局部性（Temproral Locality） ：如果某个数据或指令被引用，那么不久后它可能再次被引用。将最近访问的数据项保存在离微处理器最接近的地方，最近的时间范围内被使用的可能性很大。
- 空间局部性（Spatial Locality） ： 如果某个数据或指令被引用，那么地址邻近的数据或指令和可能不久也将被引用。以由地址连续的若干字构成的块为单位，从低层复制到上一层，它们被使用的概率极大。
1.2 多级存储层次的性能分析
常用术语：
- 块 Block ： 相邻两级间数据交换的单位；
- 命中和命中率 h ：命中指CPU产生的有效地址可以直接在高层存储器中访问到，其概率成为命中率；
- 不命中率m ：m=1-h；
- 命中时间 t h t_h th : 访问高层存储器所需的时间，包括判定本次访问是否命中的时间；
- 不命中时间 t m t_m tm：用底层存储器中相应的块替换高层存储器中的块，并将所访问的数据传送到请求访问的设备的时间。 t m t_m tm由访问时间和传送时间两部分组成;
- 访问时间 ：指缺失时在底层存储器中访问到块中第一个字的时间，与底层存储器的延迟有关；
- 传送时间 ：传送块内字所需的时间，与两级之间的带宽及块大小有关；
命中率与硬件速度无关，与应用程序的行为特性有关，采用以下参数来评价存储器层次结构的特性：
二级存储结构：M1和M2，其中M1比M2高一级，它们的位价格，容量，访问时间分别为： c 1 , s 1 , t a 1 ； c 2 , s 2 , t a 2 c_1,s_1,t_{a1}；c_2,s_2,t_{a2} c1,s1,ta1；c2,s2,ta2。
- 每位的平均价格 c = c 1 ∗ s 1 + c 2 ∗ s 2 s 1 + s 2 c=\frac{c_1*s_1+c_2*s_2}{s_1+s_2} c=s1+s2c1∗s1+c2∗s2;
- 命中率（hit ratio） h = N 1 N 1 + N 2 h = \frac{N_1}{N_1+N_2} h=N1+N2N1,其中在一组访问中，有N1次在M1中访问到数据，N2次在M2中访问到数据；不命中率（miss ratio） m = N 2 N 1 + N 2 m=\frac{N_2}{N_1+N_2} m=N1+N2N2;
- 命中时间 t h = t a 1 t_h=t_{a1} th=ta1，不命中时的访问时间 t m = t a 2 + t b t_m=t_{a2}+t_b tm=ta2+tb。因为 t a 1 + t a 2 + t b = t a 1 + t m t_{a1}+t_{a2}+t_b=t_{a1}+t_m ta1+ta2+tb=ta1+tm为不命中时总的时间开销，其中 t b t_b tb是从M2传送一个数据块到M1的时间开销。
- 平均访存时间 ：
T A = h ∗ t a 1 + ( 1 − h ) ∗ ( t a 1 + t m ) = t a 1 + ( 1 − h ) ∗ t m T_A=h*t_{a1}+(1-h)*(t_{a1}+t_m)=t_{a1}+(1-h)*t_m TA=h∗ta1+(1−h)∗(ta1+tm)=ta1+(1−h)∗tm；
可见在命中率h无限接近1的时候，平均访存时间就是M1的访存时间。