计算机组成原理知识总结——存储器篇
存储器
- 1.概述
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- 1.1 存储器的分类
- 1.2 存储器的层次结构
- 2.主存储器
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- 2.1 概述
- 2.2 半导体存储芯片简介
- 2.3 随机存取存储器（RAM）
- 2.4 只读存储器ROM
- 2.5 存储器和CPU的连接
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- 2.5.1 存储容量的扩展
- 2.5.2 存储器与CPU的连接
- 2.6 存储器的校验
- 2.7 提高访存速度的措施
- 3.高速缓冲存储器（Cache）
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- 3.1 概述
- 3.2 Cache的基本结构
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- 3.2.1 Cache存储体
- 3.2.2 地址映射变换机构
- 3.2.3 替换机构
- 3.2.4 Cache读写操作
- 3.3 Cache的改进
- 4.辅助存储器
1.概述
1.1 存储器的分类
按存储介质分类：半导体存储器（易失）、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器。（这三种都是非易失）
按存取方式分类：随机存储器（RAM，random access memory），只读存储器（read only memory），顺序存取存储器（如：磁带），直接存取存储器（如磁盘）。
注意RAM又分为静态RAM（用触发器存储信号）和动态RAM（用电容存储信号），断电后信息都会消失。
ROM断电后信息不消失。
1.2 存储器的层次结构
存储器的性能指标：速度、价格、容量。通常三者不能同时达到最优。
存储器的层次结构：主存-辅存结构、缓存-主存结构
主存-辅存结构用来提升容量，缓存-主存结构用来提升速度。
2.主存储器
2.1 概述
在有些主存中，MAR和MDR在主存内部，所以数据传输过程是地址总线->MAR->M->MDR->数据总线。
存储单元地址分配：地址总线的位数决定地址的范围，而采用字寻址方式还是字节寻址方式，决定了寻址范围。有的机器，1个字=2个字节，有的机器，1个字=4个字节.
主存的技术指标：存储容量、存储速度（前两者是主要的）、存储器带宽。
存储容量= 存储单元的个数*存储字长
存储速度由存取时间和存取周期决定，通常存取时间<存取周期
存储器带宽：单位时间内存储器存取的信息量。
2.2 半导体存储芯片简介
- 其容量由地址线和数据线共同构成。
- 译码驱动方式分为线选法和重合法。
线选法：用一根字选择线，直接选中一个存储单元的各个位。
优点： 结构简单；
缺点： 不适于容量大的存储芯片，因为是直接通过地址线选择，如果有10根地址线，则容量为1K，需要引出210条字线
重合法：用两根字选择线，同时选中时，才能选中一个存储单元的一个位。
优点： 适用于容量大的芯片，比如10根地址线，容量为1K，但是只需要引出2*25条字线
缺点： 结构复杂
2.3 随机存取存储器（RAM）
静态RAM：以触发器为基本电路，速度快，断电后信息消失，属于易失性半导体存储器，价格高，集成度相对低
动态RAM：基于电容存储电荷，来存储信息。即使不断电，信息也会消失，因此需要刷新。价格低，集成度相对高。
动态RAM刷新的三种方式：集中刷新、分散刷新、异步刷新。
集中刷新： 如下图所示，它在最后的128个周期内刷新，此时存储器不能做任何的读写操作，因此“死区”占比：128/4000*100%=3.2%
分散刷新： 如下图所示，它将刷新时间分散到每个存取周期内完成，每个存取周期做这两件事情，第一件事是进行读/写操作或者维持信息，第二件事情是刷新操作，因此刷新操作是不会占用读/写时间的，因此无死区。但存取周期被拉长了，整个系统的速度降低了。
异步刷新： 如下图所示，结合以上两种方式，把128次刷新均匀地分布在2ms中，通过合理地安排刷新时间（比如安排在CPU不访存的时间），就能减少死区时间，同时系统速度不被拉低。
2.4 只读存储器ROM
- 掩膜ROM：只能读，用MOS管构成。
- PROM：可以改写一次，用双极型电路和熔丝构成。
- EPROM：可以改写多次，但是改写时间很长，比较费事。用浮动栅雪崩注入型MOS管构成。
- EEPROM：电可擦式可编程只读存储器，改写极为方便。用电气的方式构成。
2.5 存储器和CPU的连接
2.5.1 存储容量的扩展
字扩展：通过多增加一根数据线，并加上非门，来实现同一地址下，存储字长的增加。
位扩展:通过连在不同的地址总线上，增加存储的容量，可以访问更多的空间。
字、位扩展：顾名思义，字扩展和位扩展同时用上，既增加寻址范围，又增加某一地址的存储字长。
2.5.2 存储器与CPU的连接
地址线的连接：地址线的条数，应该与存储单元个数有关。数据线的连接：数据线的条数，应该与芯片的存储字长有关读写控制命令的连接：只有RAM才接这玩意，ROM不接片选线的连接：地址码-地址线=片选线，注意还要加上CPU的MREQ（上面还有一横但没办法打出来。 这是控制访存信号）合理选择芯片：即ROM与RAM的类型与数量
2.6 存储器的校验
数据在存储的过程中出现可能差错，为了发现错误并纠正错误，可以将原数据配成汉明编码。
汉明码的组成：真正的数据位+检测位。通常检测位会散布在数据位中，这样通过排列检测位，并直接读取检测位的值，就可以知道哪个数据位出现了错误。
检测位i在2i-1上。 检测位既可以按照配寄原则，也可以按照配偶原则
比如：
按照配偶原则接受到的汉明码是：0100111，试分析哪一位出错？
第1位是检测位，它负责让1,3,5,7的“1”的个数为偶数，分析后发现，确实都是偶数，那就为0；
第2位是检测位，它负责让2,3,6,7的“1”的个数为偶数，分析后发现，此时是奇数个，那说明这个检测位管理的组有问题，那么C2就为1；
第4位是检测位，它负责让4,5,6,7的“1”的个数为偶数，分析后发现，此时是奇数个，那说明这个检测位管理的组有问题，那么C4就为1；（配奇原则同理）
因此C4C2C1=110；因此是第6位出错，故原正确数据应该为：0100101
小技巧：对于检测位控制的组的位数很好记，只要记住第i组的检测位为2i-1，其余的可以用检测位的组合的方式给出。
比如，四个检测位
1号检测位，控制：1,3,5,7,9,11,13,15;
2号检测位，控制：2,3,6,7,10,11,14,15;
4号检测位，控制：4,5,6,12,7,14,13,15;
8号检测位，控制：8,9,10,12,11,13,14,15;
2.7 提高访存速度的措施
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单体多字系统
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多体并行系统。多体并行系统又可以分为低位交叉编址和高位交叉编址。
高位交叉编址又称为顺序存储。如下图所示，优点：扩容方便；缺点：对速度的提升几乎不大。
低位交叉编址又称为交叉存储。如下图所示，优点：对存储器的带宽提升巨大，因为它可以在一个访存周期内交叉访问存储体；缺点：扩容不便。
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用高性能存储芯片
同步DRAM、Rambus DRAM、带cache的DRAM等
3.高速缓冲存储器（Cache）
3.1 概述
Cache的出现是为了解决CPU的运行速度和存储器的速度之间的差异，让CPU直接在Cache访问数据能大幅提升计算机的运行速度。
Cache利用了程序访问的局部性，即访存的时候，所需要的数据或者指令通常在物理上都是连续存放的；而且访问过一次的内存，很大概率会再次访问。
在正式了解Cache之前需要考虑以下几个问题：
- Cache的容量肯定是远小于主存的容量，那么Cache的地址和主存的地址应该如何对应呢？
- 如何评价Cache的访问效率？
在解决第二个问题之前，先了解命中率这一概念。
命中率h h=(Nc)/(Nc + Nm)，其中Nc是访问Cache的命中次数，Nm是访问主存的命中次数。
访问效率e e = (tc)/(h*tc+(1-h)*tm)。tc是访问Cache的时间，tm是访问主存所需的时间。
块长与命中率之间的关系这个关系较为复杂，在块长较小的时候
3.2 Cache的基本结构
3.2.1 Cache存储体
Cache存储体以块为单位与主存交换信息，且Cache访存的优先级最高。
3.2.2 地址映射变换机构
直接映射：主存每个区的固定位置的字块给Cache固定位置的字块。t位的标记是用来标记字块来自哪个区。
全相联映射：主存的任意字块可以放在任意Cache的字块中。这样能够充分利用Cache的空间，但同时标记的位数必须从t位增加到t+c位（也就是主存的字块个数为2t+c），逻辑电路就变得复杂很多。
组相联映射（现代计算机常用的方法）。综合直接映射和全相联映射的特点。还是把主存的字块分区，每个区的固定位置放在固定的组里，组里满了的话，还想装那个位置的字块就装不下了。此时标记的位数为t+r要小于t+c。当r=1时，又称为二路组相联。
3.2.3 替换机构
- 先进先出算法（First In First Out）
- 近期最少使用算法（Least Recently Used），这种方法最科学。
- 随机法
3.2.4 Cache读写操作
- 读操作简单，如果Cache里有数据，那么CPU直接访问Cache，如果Cache没有数据，那么CPU访问内存，同时把这个字块放到Cach里（如果Cache满了的话，可以用LRU算法替换）
- 写操作。有两种方法，一种是写直达法（又称存直达法），写操作的时候既写入Cache，又写入主存。另一种方法是写回法（又称拷回法），即先只写入Cache，一旦Cache那部分要被替换出去了，就写入主存，显然这种方法更加科学，但是要增加一个标志位，来识别是否Cache与主存一致。
3.3 Cache的改进
- 单一缓存和两级缓存
单一缓存：CPU和主存之间只有一个缓存。
两级缓存：CPU <-> 缓存1 <-> 缓存2 <->主存。 - 统一缓存和分立缓存
统一缓存：指令和数据放在一个cache里
分立缓存：指令和数据放在不同cache里，有单独的指令Cache和单独的数据Cache。
4.辅助存储器
辅存属于非易失性存储器；而主存因为大多是由半导体芯片构成，所以是易失性存储器。
常用的辅存有：硬磁盘、软磁盘、磁带、光盘等，具体原理就不一一叙述了。
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