【计算机组成原理】第三章 存储系统
第三章 存储系统
- 3.1 存储器概述
- 3.1.1 存储器的层次化结构
- 3.1.2 存储器的分类
- 3.1.3 存储器的性能指标
- 3.2 主存储器
- 3.2.1主存储器的基本组成
- 3.2.2 DRAM和SRAM
- 3.2.2.1 DRAM和SRAM的区别
- 3.2.2.2 DRAM刷新
- 3.2.3 ROM（Read Only Memory）
- 3.3 主存储器容量的扩展
- （1）位扩展法
- （2）字扩展法
- （3）字位扩展法
- 3.4 外部存储器
- 3.4.1 磁盘存储器
- （1）磁盘结构
- （2）磁盘的性能指标
- （3）磁盘的地址
- 3.4.2 SSD
- 3.5 高速缓冲存储器
- 3.5.1 Cache的工作原理
- 3.5.2 Cache与主存的映射方式
- （1）全相联映射
- （2）直接映射
- （3）组相联映射
- 3.5.3 Cache替换算法
- （1）RAND算法
- （2）FIFO先进先出算法
- （3）LRU最近最少使用算法
- （4）LFU最不经常使用算法
- 3.5.4 Cache写策略
- 3.5.4.1 写命中
- （1）写回法
- （2）全写法
- 3.5.4.2 写不命中
- （1）写分配法
- （2）非写分配法
- 3.5.4.3 多级Cache
3.1 存储器概述
3.1.1 存储器的层次化结构
- 主存-辅存：实现虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题
- Cache-主存：解决了主存与CPU速度不匹配的问题
3.1.2 存储器的分类
3.1.3 存储器的性能指标
- 存储容量：存储字数*字长
- 单位成本：每位价格=总成本/总容量。
- 存储速度：数据传输率数据的宽度/存储周期。
①存取时间（Ta）：存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间。
②存取周期（Tm）：存取周期又称为读写周期或访问周期。它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立地访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔。
3.2 主存储器
3.2.1主存储器的基本组成
3.2.2 DRAM和SRAM
3.2.2.1 DRAM和SRAM的区别
| 类型特点 | SRAM（静态RAM） | DRAM（动态RAM） |
|---|---|---|
| 电子结构 |  |  |
| 存储信息 | 触发器 | 电容 |
| 破坏性读出 | 非 | 是 |
| 读出后需要重写？（再生） | 不用 | 需要 |
| 运行速度 | 快 | 慢 （算上重写时间） |
| 集成度 | 低 | 高 |
| 发热量 | 大 | 小 |
| 存储成本 | 高 | 低 |
| 易失/非易失性存储器？ | 易失（断电后信息消失） | 易失（断电后信息消失） |
| 需要“刷新”？ | 不需要 | 需要 |
| 送行列地址 | 同时送 | 分两次送  |
3.2.2.2 DRAM刷新
-
多久需要刷新一次?
刷新周期：一般为2ms -
每次刷新多少存储单元？
以行为单位，每次刷新一行存储单元 -
如何刷新？
有硬件支持，读出一行的信息后重新写入，占用1个读/写周期 -
在什么时刻刷新？
假设DRAM内部结构排列成128X128的形式，读/写周期0.5us（存取周期）
2ms共2ms/0.5us=4000个周期
3.2.3 ROM（Read Only Memory）
-
MROM（掩模式只读存储器）：
- 由厂家在生产过程中直接写入信息，之后不可重写。
- 可靠性高，但灵活性差，生产周期长，适合批量定制。
-
PROM（可编程只读存储器）：
- 用户可使用专用设备写入信息，但只能写一次，之后不可更改。
-
EPROM（可擦除可编程只读存储器）：
- 允许用户多次擦除和重写信息。
- UVEPROM：通过紫外线照射擦除所有信息。
- EEPROM：通过电擦除方式擦除特定字。
-
Flash Memory（闪速存储器）：
- 在EEPROM基础上发展而来，断电后仍能保存信息，可多次快速擦除重写。
- 每个存储元只需单个MOS管，集成度高。
- 写速度比读速度慢，因为需要先擦除再写入。
-
SSD（固态硬盘）：
- 由控制单元和存储单元（Flash芯片）构成。
- 存储介质与闪存类似，可多次快速擦除重写。
- 速度快、功耗低、价格高，逐渐取代传统机械硬盘。
3.3 主存储器容量的扩展
（1）位扩展法
（2）字扩展法
（3）字位扩展法
3.4 外部存储器
3.4.1 磁盘存储器
（1）磁盘结构
磁盘结构
（2）磁盘的性能指标
- 磁盘的容量：一个磁盘所能存储的字节总数称为磁盘容量。磁盘容量有非格式化容量和格式化容量之分。
- 非格式化容量是指磁记录表面可以利用的磁化单元总数。
- 格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量。
- 记录密度：记录密度是指盘片单位面积上记录的二进制的信息量，通常以道密度、位密度和面密度表示。
- 道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数；
- 位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数；
- 面密度是位密度和道密度的乘积。
- 平均存取时间=寻道时间（磁头移动到目的磁道）+旋转延迟时间（磁头定位到所在扇区）+传输时间（传输数据所花费的时间）
寻道算法（磁盘调度算法）
（3）磁盘的地址
3.4.2 SSD
3.5 高速缓冲存储器
3.5.1 Cache的工作原理
局部性原理
3.5.2 Cache与主存的映射方式
（1）全相联映射
CPU访问主存地址1…1101 001110
①主存地址的前22位，对比Cache中所有块的标记；
②若标记匹配且有效位=1，则Cache命中，访问块内地址为 001110 的单元。
③若未命中或有效位=0，则正常访问主存
（2）直接映射
直接映射，主存块在Cache中的位置=主存块号%Cache总块数
CPU访问主存地址0…01 000 001110：
①根据主存块号的后3位确定Cache行
②若主存块号的前19位与Cache标记匹配且有效位=1，则Cache命中，访问块内地址为001110 的单元。
③若未命中或有效位=0，则正常访问主存
（3）组相联映射
组相联映射，所属分组=主存块号%分组数
CPU访问主存地址1…11 01 001110:
①根据主存块号的后2位确定所属分组号
②若主存块号的前20位与分组内的某个标记匹配且有效位=1，则Cache命中，访问块内地址为001110的单元。
③若未命中或有效位=0，则正常访问主存
3.5.3 Cache替换算法
（1）RAND算法
随机算法（RAND,Random)：若Cache已满，则随机选择一块替换。
（2）FIFO先进先出算法
先进先出算法（FIFO,First In First Out)：若Cache已满，则替换最先被调入Cache 的块
抖动现象：频紧的换入换出现象（刚被替换的块很快又被调入）
（3）LRU最近最少使用算法
近期最少使用算法（LRU, Least Recently Used）：为每一个Cache块设置一个**“计数器”**
用于记录每个Cache块已经有多久没被访问了，当Cache满后替换“计数器”最大的。
（4）LFU最不经常使用算法
最不经常使用算法（LFU, Least Frequently Used）：为每一个Cache块设置一个“计数器”，
用于记录每个Cache块被访问过几次。当Cache满后替换“计数器”最小的
3.5.4 Cache写策略
3.5.4.1 写命中
（1）写回法
写回法(write-back）：当CPU对Cache写命中时，只修改Cache的内容，而不立即写入主存，只有当此块被换出时才写回主存
（2）全写法
全写法(写直通法，write-through)：当CPU对Cache写命中时，必须把数据同时写入Cache和主存，一般使用写缓冲(write buffer)
3.5.4.2 写不命中
（1）写分配法
写分配法(write-allocate)：当CPU对Cache写不命中时，把主存中的块调入Cache，在Cache中修改。通常搭配写回法使用。
（2）非写分配法
非写分配法(not-write-allocate)：当CPU对Cache写不命中时只写入主存，不调入Cache。搭配全写法使用。
3.5.4.3 多级Cache
