【计算机组成】存储系统

存储系统层次结构

主存速度缓慢的原因：主存增速与 CPU 不同步，执行指令期间多次访问主存
主存容量不足的原因：

• 存在制约主存容量的技术因素：如由 CPU、主板等相关技术指标规定了主存容量
• 应用对主存容量需求不断扩大：window98 -- 8M，windows 8 -- 1G

存储体系结构化层次：CPU -- Cache1 -- Cache2（解决速度） -- 主存 -- 辅存（解决容量）
存储体系结构化层次理论基础：

• 时间局部性：程序体现为循环结构
• 空间局部性：程序体现为顺序结构

主存中的数据组织

存储字长：主存的一个存储单元所包含的二进制位数，目前大多数计算机主存按字节编址，主要由32为和64位
数据存储与边界的关系：

• 按边界对齐的数据存储
• 未按边界对齐的数据存储

边界对齐与存储地址的关系：（32 位为例）

• 双字长边界对齐：起始地址最末三位为 000（8 字节整数倍）
• 单字长边界对齐：起始地址最末二位为 00（4 字节整数倍）
• 半字长边界对齐：起始地址最末一位为 0（2 字节整数倍）

大端与小端存储方式：

• 大端：最高字节地址是数据地址（0123 存成 0123）
• 小端：最低字节地址是数据地址（0123 存成 3210）

存储器分类

• SRAM存储器：存取速度快，但集成度低，功耗大，做缓存

• DRAM存储器：存取速度慢，但集成度高，功耗低，做主存

  DRAM刷新方式：集中刷新、分散刷新、异步刷新

主存容量的扩展

• 位扩展法：8K * 8位 --> 8K * 32位
• 字扩展法：8K * 8位 --> 32K * 8位
• 字位同时扩展法：8K * 8位 --> 32K * 32位

Cache的基本原理

cache的工作过程

• 数据：cpu 与 cache 交换字，cache 与内存交换块
• 读：命中，不命中
• 写：写穿策略，写回策略

写策略

• 写穿策略（write through）：同时写缓存和内存，好像穿过缓存一样。若不命中，先写到主存中，并选择性地同时分配到缓存中（写分配/非写分配）
• 写回策略（write back）：写到缓存后不管了，只有当缓存的内容替换回主存时再管，需有脏位。好像隔段时间后再写回到主存中一样

地址映射机制

• 相联存储器：地址本身包含着位置啊可比较的信息啊等内容信息，可根据区分地址内容进行寻址
• 主存地址 = 块地址 + 块内偏移地址 = （Tag + Index） + 块内偏移地址
• cache结构
  • 好多行，每行与主存块大小相等
  • 每行 = tag + data + valid + dirty

三种映射方式

• 全相联：cache行号 = random（内存块号）
• 直接相联：cache行号 = 内存块号 % cache行数
• 组相联：两者结合。8 行 1 路组相联就是全相联，8 行 8 路组相联就是直接相联

替换算法

• 先进先出法 - FIFO
• 最近最不经常使用法 - LFU
• 近期最少使用法 - LRU
• 随机替换法

虚拟存储器

• 解决问题：主存容量不足。希望向程序员提供更大（比主存大）的编程空间
• 分类：页式，段式，段页式
• 页式实现方式：MMU（Memory Management Unit） + 页表 + TLB（Transaction Lookaside Buffer：地址转换后备缓冲器）
• 页式转换过程：虚拟地址 = 虚拟页号 + 页内偏移 ==> 物理页号 + 页内偏移

RAID

• 概念：独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列（Redundant Arrays Independent Disks）
• 核心技术：使用异或运算恢复数据 （x ⊕ y = z --> x = y ⊕ z）
• 分类：

  • RAID0：条带均匀分布

    磁盘 0	磁盘 1	磁盘 2	磁盘 3
    D0	D1	D2	D3
    D4	D5	D6	D7
    D8	D9	D10	D11

  • RAID1：以镜像为冗余方式

    磁盘 0	磁盘 1
    D0	D0
    D1	D1
    D2	D2

  • RAID3/4：有校验盘

    磁盘 0	磁盘 1	磁盘 2	校验磁盘
    D0	D1	D2	P0
    D3	D4	D5	P1
    D6	D7	D8	P2

  • RAID5：校验信息分布式

    磁盘 0	磁盘 1	磁盘 2	磁盘 3
    D0	D1	D2	P0
    D3	D4	P1	P5
    D6	P2	D7	D8
    P3	D9	D10	D11

  • RAID10/01：10 是先镜像再条带化，01 是先条带化再镜像

  • RAID50：先 RAID5，再条带化