计算机组成原理-第三章存储系统【期末复习|考研复习】

前言

总结整理不易，希望大家点赞收藏。

给大家整理了一下计算机组成原理中的重点概念，以供大家期末复习和考研复习的时候使用。
参考资料是王道的计算机组成原理和西电的计算机组成原理。

计算机组成原理系列文章传送门：
第一/二章概述和数据的表示和运算
 第三章存储系统
 第四章指令系统
 第五章中央处理器
 第六章总线
 第七章输入/输出系统

第三章存储系统

3.1 存储器的分类

按层次分：
1、主存储器（主存），CPU可以直接随机地对其进行访问，也可以和高速缓存器及辅助存储器交换数据。
2、辅助存储器（辅存），不能与CPU直接相连，用来存放当前暂时不用的程序和数据。
3、高速缓冲存储器，位于主存和CPU之间，用来存放正在执行的程序段和数据。

按存取方式分：
1、随机存储器（RAM）。存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存取单元的物理位置无关，主要用作主存或高速缓冲存储器。
2、只读存储器（ROM）。存储器的内容只能随机读出而不能写入。即使断电，内容也不会丢失。3、串行访问存储器。

按信息的可保存性分：
1、易失性存储器，如RAM。
2、非易失性存储器，如ROM，磁表面存储器和光存储器。

3.2 存储层次化结构

在这里插入图片描述
主存-辅存：实现虚拟存储，解决主存容量不够。
Cache-主存：解决CPU和主存速度不匹配的问题。

3.3 半导体随机存储器

3.3.1 SRAM和DRAM（非非非非常重要）

主存由DRAM实现，Cache由SRAM实现
SRAM（静态随机存储器）的存储元是双稳态触发器，非破坏性读出，存取速度快，但集成度低，功耗较大。

DRAM（动态随机存储器）的存储元是栅极电容的电荷，采用地址复用技术，地址线为原来的一半，地址信息分行和列两次传送。具有容易集成，价位低，容量大，功耗低的特点。
DRAM的刷新时间为2ms，以行为单位，需要行地址。
刷新方式分为：
1、分散刷新，前一半读写，后一半刷新。优点：没有死区；缺点：加长了系统的存取周期。
2、集中刷新：专门有一段时间用于刷新。优点：读写不受刷新影响；缺点：有死区。3、异步刷新：隔一段集中读写时间刷新一次。既可以缩短死区，又可以充分利用刷新时间。
在这里插入图片描述

3.3.2 只读存储器

ROM具有结构简单，可靠性高的特点。
容量1024×8bit 前1024是地址线，后8bit是数据线。
引脚数目由地址线、片选线、数据线、读写控制线组成。

3.4 主存储器的扩展（非非非非常重要）

扩展方式跟后面的CPU那块一样重要
主存容量的扩展：
1、位扩展法：8片8K×1bit的chip连接八根数据线组成一个8K×8bit的存储器。
2、字扩展法：用2/4或3/8译码器来区分个芯片的地址位置。
3、字位同时扩展法：两者结合。

片选信号的产生分为：
1、线选法：简单，不需要译码器。
2、译码片选法。

3.5 双口RAM和多模块存储器

3.5.1 双端口RAM

双端口RAM：指同一个存储器有左、右两个独立的端口，分别具有两组相互独立的地址线、数据线和读写控制线，允许两个独立的控制器同时异步地访问存储单元。采用忙信号来从逻辑上判断暂时关闭哪个端口。

3.5.2 多模块存储器

单体多字存储器：存储器中只有一个存储体，每个存储单元存储m个字，总线宽度也为m个字。一次并行读出m个字，地址必须顺序排列并处于同一存储单元。缺点：指令和数据必须连续存放。

多体并行存储器：由多体模块组成，每个模块都有相同的容量和存取速度，各模块都有独立的读写控制电路、地址寄存器和数据寄存器，既能并行工作，又能交叉工作。

多体并行存储器由分为高位交叉编址（顺序方式）和低位交叉编址（交叉方式）
高位交叉编址：高位地址表示体号，低位地址为体内地址。
低位交叉编址：低位地址为体号，高位地址为体内地址。地位交叉编址更适合顺序连续访问，存取模块可以并行访问。二高位交叉编址只能串行访问。

流水线方式，存储器交叉模块数应大于等于 m=T/r （T为存取周期，r为总线传送周期），连续读取m个字所需时间为t1=T+(m-1)r，而顺序方式连续读取m个字所需时间为t2=mT

低位交叉的多体存储器，俗称双通道。

3.6 高速缓冲存储器

高速缓冲技术就是利用程序访问的局部性原理。
当CPU发出读请求时，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不命中，则仍需访问主存，并把此字所在的块一次从主存调入Cache内。若此时Cache已满，则需根据某种替换算法，用这个块替换掉Cache中原来的某块信息。CPU与Cache之间的数据交换以字位单位，而Cache与主存之间的数据交换以Cache块为单位。

3.6.1 Cache和主存的映射方式

直接映射（对号入座）：
主存中的每一块只能装入Cache中的唯一位置，若位置已有内容，原来块将无条件被替换出去。直接映射关系可表示为：j = i mod 2^c（j是Cache的块号，又称行号，i是主存的块号，2 ^c是Cache的总块数）。
直接映射地址结构：标记、Cache行号、块内地址。
访问过程：先访问行号c位，找到在Cache中的位置，然后再对标记位进行对比，若相等且有效位为1，则命中，反之不命中，CPU从主存读出该地址送到相应Cache并且有效位置为1，标记设为地址中高t位，且将内容送到CPU。优点：实现简单。缺点：不够灵活，冲突概率最高，空间利用率最低。

全相联映射（随意放）：
优点：比较灵活，冲突概率低，空间利用率高，命中率也高。缺点：标记比较较慢，通常采用昂贵的按内容寻址的相联存储器进行地址映射。

组相联映射（按号分组，组内随意放）：将Cache分为大小相同的组，组间采用直接映射，组内采用全相联映射。

3.6.2 Cache中主存块的替换算法

1、随机算法RAND：没有依据程序访问的局部性原理。
2、先进先出算法FIFO：没有依据程序访问的局部性原理。
3、近期最少使用算法LRU。
4、最不经常使用算法LFU

3.6.3 Cache写策略

对于Cache写命中：
1）全写法（写直通法write-through）：必须把数据同时写入Cache和主存
2）写回法（write-back）：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：
1）写分配法（write-allocate）：加载主存中的块到Cache中，然后更新这个Cache块
2）非写分配法（not-write-allocate）：只写入主存，不进行调块
非写分配法通常与全写法合用，写分配法通常和写回法合用。各级Cache之间采用全写法+非写分配法。Cache和主存之间采用写回法和写分配法。

3.7 虚拟存储器

同时具有虚拟页式存储器（有TLB）和Cache的系统中，访问顺序为TLB->页表->Cache->主存。
虚拟存储器和Cache的不同之处：1）Cache主要解决系统速度，而虚拟存储器是为了解决主存容量。2）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，是逻辑上的存储器，对系统程序员不透明，但对应用程序员透明。3）虚拟存储器系统不命中时对系统性能影响更大。4）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时，只能先由硬盘调入内存中，而不能直接和CPU通信。