计算机组成原理知识总结-存储器

计算机组成原理

存储器

3.1 存储器概述

3.1.1 存储器分类

一、按存储介质分：

（1）半导体存储器

1. 静态存储器：以触发器原理存储信息，信息易失

2. 动态存储器：以电容充斥原理存储信息

（2）磁表面存储器

• 利用磁层上不同方向的磁化区域存储信息，通过磁头和磁记录介质的相对运动完成读出和写入（如：IDE硬盘，SATA硬盘）

（3）光盘存储器

• 利用光斑的晶相变化存储信息，利用激光技术在光存储介质上写入和读出信息（如：CD-ROM只读型光盘 WORM一次写入型光盘 可重写型光盘）

二、按存取方式分：

（1）随机存储器（RAM和ROM）：

• 存储器中的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，按地址访问存储器中的单元，访问时间与地址无关。主要用做主存或高速缓冲存储器。

  RAM：可读可写，如：SDR/DDR/DDR2-4

  ROM：只读，信息一旦写入就固定不变了，即使断电，内容也不会丢失。因此通常用它存放固定不变的程序、常数、汉字字库

PROM可写入一次 EPROM可多次编程（紫外线擦除） EEPROM可多次写入（电擦除）

（2）串行存储器

• 对存储单元进行读/写操作时，按其物理位置的先后顺序寻址，包括顺序存储器和直接存储器

1. 顺序存储器（SAM）：

   访问时按顺序查找目标地址，访问时间与地址有关（如磁带，电影胶片）

2. 直接存储器（DAM）：

   存取信息时通常先寻找整个存储器中的某个小区域（如磁盘上的磁道），再在小区域内顺序查找

三、按存储内容可变性分：

只读存储器和随机读写存储器

四、按信息易失性分：

易失性存储器：断电后，存储信息即消失的存储器，如RAM

非易失性存储器：断电后，信息仍保持的存储器，如ROM、磁表面存储器和光存储器

五、按在系统中的作用分：

主存储器（内存）：用来存放计算机运行期间所需的大量程序和数据，CPU可以直接随机地对其进行访问，也可以和Cache以及外存交换数据。容量较小，存取速度快，单位成本较高

辅助存储器（外存）：用来存放暂时不用的数据和程序，以及一些需要永久性保存的信息，不能直接与CPU交换信息。容量较大，存取速度慢，单位成本较低

高速缓冲存储器（Cache）：位于主存和CPU之间，用来存放正在执行的程序段和数据，以便CPU能高速地使用它们

3.1.2 存储器的层次结构

为了解决存储系统容量、成本、速度之间的矛盾，在计算机系统中，通常采用多级存储器结构

CPU-Cache-主存-外存

1. Cache-主存层次：解决CPU和主存速度不匹配问题
2. 主存-外存层次：解决存储系统的容量问题
3. Cache、主存、CPU直接交换信息；外存需要通过主存与CPU间接交换信息。
4. 主存和Cache之间的数据调动是由硬件自动完成的，对所有程序员透明；主存和外存之间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的，对应用程序员是透明的

3.1.2 存储器的性能指标

存储容量：存储容量=存储字数 x 字长，如1M x 8
存储字数：表示存储器的地址空间大小
字长：表示一次存取操作的数据量
存取周期：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）之间所需的最小时间
存取速度：数据传输率 = 数据宽度/存储周期，即数据量/时间

3.2 存储器重点

3.2.1 Cache

当CPU发出读请求，如果访存地址在Cache中命中，就将此地址转换成Cache地址，直接对Cache进行读操作，与主存无关；如果Cache未命中，则仍需要访问主存，并将此字所在块一次从主存调入Cache内。值得注意，CPU与Cache之间数据交换以字为单位，而Cache与主存之间的数据交换则是以Cache块为单位。

1.Cache和主存的映射方式：

直接映射：主存数据块只能装入Cache中的唯一位置；
全相联映射：可以把主存数据块装入Cache中的任何位置；
组相连联映射：将Cache空间分成大小相同的组，主存的一个数据块可以装入到一组内的任何一个位置。

Cache中主存块替换算法：随机算法（RAND），先进先出算法（FIFO），近期最少使用算法（LRU），最不经常使用算法（LFU）。

2.Cache写策略：

对于Cache写命中：

全写法：当CPU对Cache写命中时，必须把数据同时写入Cache和主存；写回法：当CPU对Cache写命中，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。

对于Cache写不命中：

写分配法：加载主存中的块到Cache中，然后更新这个Cache块；非写分配法：只写入主存，不进行调块。

3.2.2 多模块存储器

单体多字存储器，多体低位交叉存储器

3.2.3 程序访问的局部性原理

程序访问的局部性原理：程序访问的局部性原理包括时间局部性和空间局部性。前者是指在最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息，这是因为程序存在循环。后者是指在最近的未来要用到的信息，很可能与正在使用的信息在存储空间上是邻近的，这是因为指令通常是顺序存放，顺序执行的。

3.2.4虚拟存储器

虚拟存储器将主存或辅存的地址空间统一编址，形成一个庞大的地址空间，在这个空间内，用户可以自由编程，而不必在乎实际的主存容量和程序在主存中的实际存放位置。

虚拟存储器与Cache比较：

• Cache主要解决系统速度，而虚拟存储器却是为了解决主存容量；
• Cache全由硬件实现，是硬件存储器，对所有程序员透明，而虚拟存储器由OS和硬件共同实现，是逻辑上的寄存器，对系统程序员不透明，但对应用程序员透明；
• 对于不命中性能影响，虚拟存储器系统不命中时对系统性能影响更大；
• CPU与Cache和主存都建立了直接访问的通路，而辅存与CPU没有直接通路。当Cache不命中时，主存能和CPU直接通信，同时将数据调入Cache中，而虚拟存储器系统不命中，只能先由硬盘调入主存，而不能直接与CPU通信。