计算机组成原理3-存储器的分类和层次结构

目录

一、存储器的分类

1、按存储介质分类——半导体、磁、光

2、按存储方式划分

3、按读写功能划分

4、按用途划分

二、存储器的层次结构

1、存储结构综述

2、局部性原理与多级存储器

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一、存储器的分类

1、按存储介质分类——半导体、磁、光

• 半导体存储器：TTL，MOS，SSD——需通电，断电后信息即消失的存储器
• 磁表面存储器：磁头、载磁体——非易失，断电后仍能保存信息的存储器。
• 磁芯存储器：硬磁材料、环状原件——非易失
• 光盘存储器：激光、磁光材料——非易失

2、按存储方式划分

• 随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关。
• 顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关。

3、按读写功能划分

• 只读存储器(ROM)：存储的内容是固定不变的，只能读出而不能写入的半导体存储器。
• 随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的存储器。

4、按用途划分

• 主存储器：主存储器内存存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快，存储容量不大。
• 辅助存储器（外存）：外存存放系统程序和大型数据文件及数据库存储容量大，单位成本低。
• 高速缓冲存储器：高速缓冲存储器Cache 高速存取指令和数据存取速度快，但存储容量小。

二、存储器的层次结构

存储器的层次结构主要体现在缓存-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

缓存-主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题。主存-辅存层次主要解决存储系统的容量问题。 主存和缓存之间的数据调动是由硬件自动完成的，对程序员是透明的。主存和辅存之间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的。

1、存储结构综述

（1）cpu只能和主存，cache进行数据交互，而不能直接获得辅存的数据

（2）辅存的数据只能调入主存，不能直接进入缓存中。

（3）辅存到主存的映射是由OS操作系统管理的。但是主存和辅存之间的一个映射关系被放到TLB中，TLB在cache中。

（4）虚拟存储中的页表，段表，段页表被放到了主存中。CPU通过页表访问辅存时，发现缺页中断，就会先暂停程序的执行，先把数据调到内存

2、局部性原理与多级存储器

局部性原理： CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

• 时间局部性：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。
• 空间局部性：在最近的将来将用到的信息很可能与现在正在使用的信息在空间地址上是临近的。
• 顺序局部性：在典型程序中，除小部分转移类指令外，大部分指令是顺序进行的。

即程序的地址访问流有很强的时序相关性，未来的访问模式与最近已发生的访问模式相似。

根据这一原理，多级存储器体系把主存储器中访问概率最高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取数据时就首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有则直接从Cache中读取；若没有再从主存中读取，然后同时送往Cache和CPU，主辅亦是。故可以按对所使用的指令和数据的急迫和频繁程度，将其存入容量、速度、价格不同的存储器中，增加了时间优化的命中率，取得更高的性能价格比。

存储器三个主要特性的关系