计算机组成原理——主存 半导体存储器 缓存Cache

笔记整理来源王道考研

存储器的基本概念

分类

按存储介质

• 半导体存储器
• 磁表面存储器（具有非易失性）
  • 磁盘（直接存取）
  • 磁带（顺序存现）
• 磁芯存储器
• 光盘存储器（不易失性）

按存取方式

• 随机存储器RAM
  • 静态（触发器原理）
  • 动态（电容原理）
• 只读存储器ROM（只能读，不能写）
• 串行访问存储器（按照其物理地址的先后顺序寻找地址）

性能指标

性能指标

速度，容量，每位价格（位价）

• 一般来说，速度越高，位价就越高；容量越大，位价就越低；容量越大，速度必越低

层次化结构

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主存简单模型和寻址概念

主存储器

• 存储元<存储单元<存储体（都是物理实体）

• 存储容量=存储单元个数*存储字长 （按二进制位）
• 存储容量=存储单元个数*存储字长/8 （按字节总数）

存储容量256MB，2^8\*2^10\*2^10Byte，对应28位地址线位数

K–M--G–T

• n位地址–2^n个存储单元（和MAR位数相同）
• 片选线–芯片的控制开关

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寻址

总容量1KB，即1024Byte，地址线10位，10根

• 按字节寻址，1K个单元，每个单元1B
• 按字寻址，256个单元，每个单元4B

多字节存放

• 大端方式：字节从左到右，高位字节在高位地址存放
• 小端方式：字节从右到左，高位字节在低位地址存放（符合计算机的思维）

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半导体存储器RAM

半导体存储芯片的基本结构

• 地址线：单向输入，其位数与存储字的个数有关
• 数据线：双向的，其位数与读出或写入的数据位数有关

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随机存取存储器

• 静态随机存储器
• 动态随机存储器

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DRAM的刷新

1. 刷新周期：2ms，（电容上的电荷只能维持2ms）

2. 每次刷新多少存储单元：以行为单位，每次刷新一行存储单元

3. 为什么要用行列地址：减少选通线的数量

   

4. 如何刷新：有硬件支持，读出一行的信息后重新写入，占用1个读/写周期

5. 在什么时候刷新

   读写周期0.5us,有三种不同的思路

   

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SARM的读周期

存取周期=存取时间+恢复时间

SARM的写周期

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半导体存储器ROM

特点

• 非易失性，可靠性高
• 结构简单，位密度比RAM高

分类

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主存与CPU的连接

主存容量扩展-位扩展

多片芯片为一组

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主存容量扩展-字扩展

线选法	译码片选法
n条线–>n个选片信号	n条线–>2^n选片信好
电路简单	电路复杂
地址空间不连续	地址空间可连续，可以增加逻辑设计

因为这些芯片同一时间只能有一个工作，所以通过译码片对不同的芯片进行控制，n条线对应2^n选片信号

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译码器

“使能端口”可以控制移码器的工作状态，在没有O的端口设置1，其它设置0，就能使译码器正常工作；其它的编码都不能使译码器正常工作

字位同时扩展

例题

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双口RAM和多模块存储器

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单体多字存储器

• 由于程序和数据在存储体内是连续存放的，因此CPU取出的信息也是连续的

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多体并行存储器

• 采用多体模块组成的存储器，每个模块有相同的容量和存取速度，它们既能并行工作，又能交叉工作

m个模块组成的地位交叉编址存储器，可以将带宽提升为m倍

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流水线方式

• 假设低位交叉的存储器模块数为n，存取周期为T，总线传输周期为t，那么当采用流水线方式存取时，应满足T=nt；
• 为了保证启动某体后，经过nt时间再次启动该体时，它的上次存取操作已经完成，要求低位交叉存储器的模块数大于等于n
• 连续存储n个字所需的时间t'为

$$t^{\prime }=T+(n-1)t$$

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局部性原理及性能分析

高速缓冲存储器

• 由于I/O设备向主存请求的级别高于CPU访存
• 为了避免CPU与I/O设备争抢访存，可在CPU与主存之间加一级缓存，主存可将CPU要取的信息提前送至缓存，一旦主存在与I/O设备交换时，CPU可直接从缓存中读取信息。

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• 空间局部性：在最近的未来要使用到信息（指令和数据），很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是邻近的
• 时间局部性：在最近的未来要使用的信息，很可能是现在正在使用的信息

使用高速缓冲存储器作为中介，将CPU要使用的数据从主存中取出放在缓冲Cache中，然后Cache和CPU直接对话，提高访问效率

例题

直接访问主存

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先访问Cache，没有命中的话，再去访问主存

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地址映射方式

1. 主存中的块放到Cache的哪个位置？
   • 空位随意放：全相联映射
   • 对号入座：直接映射
   • 按号分组，组内随意放：组相联映射
2. Cache满了如何处理？
   • 随机算法
   • 先进先出算法
   • 近期最少使用算法
   • 最不经常使用算法

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• 空位随意放

• 对号入座（取余方法）

• 按号分组，组内随意放

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替换算法和写策略

1. 随机算法
2. 先进先出算法
3. 近期最少使用算法
4. 最不经常使用算法

• 全相联映射

• 直接映射

• 组相连映射（二路）

先进先出

近期最少使用

写策略——命中

• 写回法

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• 全写法

  

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写策略——没有命中

• 写分配法

  

• 非写分配法

  

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写回法搭配写分配法

全写法搭配非写分配法

例题

• 不存在替换问题，因为Cache没有满，而且是从上到下挨个存储的

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虚拟存储器

https://blog.csdn.net/chen1083376511/article/details/81902755

• 页式虚拟存储器

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• 段式虚拟存储器

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• 段页式虚拟存储器

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快表

例题

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