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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

1. 存储容量：存储字数*字长
2. 单位成本：每位价格=总成本/总容量。
3. 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

1. 多久需要刷新一次?
   刷新周期：一般为2ms

2. 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

3. 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

4. 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）

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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