计算机系统中的存储系统

计算机系统中包含各种存储器，如CPU内部的通用寄存器组、CPU内的Cache（高速缓存）、CPU外部的Cache、主板上的主存储器、主板外的联机磁盘存储器以及脱机的磁带存储器和光盘存储器等。不同特点的存储器通过适当的硬件、软件有机地组合在一起形成计算机的存储体系结构。

存储器的层次结构

存储器的分类

相联存储器

相联存储器是一种按内容访问的存储器。

其工作原理就是把数据或数据的某一部分作为关键字，按顺序写入信息，读出时并行地将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字，特别适合信息的检索与更新。

输入检索寄存器：存放要检索的内容（关键字）；

屏蔽寄存器：屏蔽不参与检索的字段；

比较器：将检索的关键字与存储体的每一单元进行比较，为了提高速度，比较器一般比较多；

匹配寄存器：存储比较结果；

相联存储器可用在高速缓冲器中，在虚拟存储器中用来作为段表、页表或快表存储器。

高速缓存

高速缓存用来存放当前最活跃的程序和数据，特点：位于CPU和主存之间；容量一般在几千字节到几兆字节之间；速度一般比主存快5~10倍，由快速半导体存储器构成；内容是主存局部域的副本，对程序员来说是透明的。

（1）高速缓存的组成
存储器部分：存放主存的部分拷贝信息；

控制部分：判断CPU要访问的信息是否在Cache存储器中，名中则直接对Cache存储器寻址；未命中时，按照替换原则将主存中的信息加入到Cache存储器。

（2）高速缓存的地址映像方法

直接映像：

主存的块与Cache块的对应关系是固定的，主存中的块只能存放在Cache存储器的相同块号中，因此只要主存地址中的主存区号与Cache中的记录的主存区号相同，则表明访问Cache命中。

特点：地址变换简单，但是灵活性差，不同区号中块号相同的块无法同时调入Cache存储器，即使Cache存储器中有空着的块也不能利用。

全相联映像：

主存与Cache存储器均分成大小相同的块，这种映像方式允许主存的任意一块可以调入Cache存储器的任意一块的空间中。

特点:主存的块调入Cache的位置不受限制，十分灵活，但是地址变换比较复杂，速度较慢。

例如：

组相联映像：

这种方式是前两种方式的折中，具体方法是将Cache中的块再分组，规定组采用直接映像方式而块采用全相联方式，也就是说主存一组中的任一快可以存入Cache相应组的任一块中。

（3）替换算法
替换算法的目标就是使Cache获得尽可能高的命中率。常用算法有如下几种：随机替换算法、先进先出算法（FIFO）、近期最少使用算法、优化替换算法。

（4）Cache性能分析
Cache的性能是计算机系统性能的重要方面。命中率是Cache的一个重要指标。Cache设计的目标是在成本允许的条件下达到较高的命中率，使存储系统具有最短的平均访问时间。

Cache容量越大，则命中率越高随着Cache容量的增加，其失效率接近0%（命中率接近100%），但是，增加Cache容量意味着增加Cache的成本和增加Cache的命中时间。

（5）多级Cache
在多级Cache的计算机中，Cache分为一级（L1 Cache）、二级（L2 Cache）、三级（L3 Cache）等，CPU访存是首先查找L1 Cache，如果不命中，则访问L2 Cache，直到所有级别的Cache都不命中，才访问主存。通常要求L1 Cache的速度足够快，以赶上CPU的主频

虚拟存储器

在概念上，可以将主存存储器看作一个由若干个字节构成的存储空间，每个字节（称为存储单元）有一个地址编号，主存单元的该地址称为物理地址。当需要访问主存中的数据时，由CPU给出要访问数据所在的存储单元地址，然后由主存的读写控制部件定位对应的存储单元，对其进行读（或写）操作来完成访问操作。

例如：

虚拟存储是一种对主存的抽象，使用虚拟地址（由CPU生成）的概念来访问主存，使用专门的MMU（内存管理单元）将虚拟地址转换为物理地址后访问主存。

虚拟存储器实际上是一种逻辑存储器，实质是对物理存储设备进行逻辑化的处理，并将统一的逻辑视图呈现给用户。用户使用时，操作的是虚拟设备，可以无需关心底层的物理环境，从而可以充分利用基于异构平台的存储空间，达到最优化的使用效率。

外存储器

外存储器以文件的形式存储暂时不用的程序和数据，CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存才能访问。外存储器主要有磁表面存储器、光盘存储器及固态硬盘（采用Flash芯片或DRAM作为存储介质的存储器）构成。

磁盘阵列技术

磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存子系统。现在常见的磁盘阵列称为廉价冗余磁盘阵列。

存储局域网

存储局域网是把一个或多个服务器与多个存储设备连接起来，每个存储设备可以是RAID、磁带备份系统、磁带库和CD-ROM库等。

这样的网络不仅解决了服务器对存储容量的要求，还可以使多个服务器之间共享文件系统和辅助存储空间，避免数据和程序代码的重复存储，提高辅助存储器的利用率。