第三章：存储系统

1、存储系统基本概念

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🚩 存储器的层次化结构

寄存器
cache
主存（内存）
磁盘（辅存）
硬盘、光盘、U盘等（外存）

越往上层，速度越快、容量越小、造价越高
辅存和外存中的数据只调入内存中才能被CPU访问

主存-辅存：实现了虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题，由“硬件+操作系统”完成
cache-主存：解决了CPU和主存速度不匹配的问题，由硬件自动完成
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存储器的分类

按层次分类：
	可直接被CPU读写：cache、主存
	不可直接被CPU读写：辅存、外存

按存储介质：
	半导体器件：cache、主存
	磁性材料：磁盘、磁带
	光介质：光盘

按存取方式：
	按地址访问：
		RAM（随机存取存储器）：读取时间与存储单元位置无关，如 “内存条”、ROM
		SAM（顺序存取存储器）：读写时间取决于存储单元位置，如 “磁带”
		DAM（直接存取存储器）：既有随机存取特性，也有顺序存取特性，先直接选取信息区域，再顺序存取，如 “磁盘”
	按内容访问：
		CAM（按内容访问的存储器/相联存储器）：根据内容检索存储位置，如 “快表”
	注：SAM 和 DAM 统称串行访问存储器：读写时间与存储位置有关

按信息的可更改性：
	读写存储器
	只读存储器 ROM（实际上也可以修改，只不过比较麻烦）

按信息的可保存性：
	易失性存储器：cache、主存
	非易失性存储器：磁盘、光盘

	破坏性读出：DRAM 芯片
	非破坏性读出：SRAM 芯片、磁盘、光盘
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🚩 存储器的性能指标

存储容量：存储字数 × 存储字长
单位成本：每bit价格 = 总价格 / 总容量
存储速度：数据传输率 = 存储字长（数据宽度） / 存取周期（存取时间 + 恢复时间）
主存带宽（数据传输率）：每秒从主存进出信息的最大数量，单位：字/s、B/s、b/s
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2、主存储器

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主存储器的基本组成

基本原件：
	MOS 管，作为通电 “开关”
	电容，存储电荷，即存储二进制 0/1
存储芯片的结构：
	🚩 译码驱动电路：译码器将地址信号转化为字选通线的高低电平
	存储矩阵（存储体）：由多个存储单元构成，每个存储单元又由多个存储元构成
	读写电路：每次读/写一个存储字
	🚩 存储芯片对外暴露的金属引脚个数：（除了金属引脚，还有供电引脚、接地引脚）
		n1（地址线数）+
		n2（数据线数） + 
		1（片选线）+ 
		1 或 2（读/写控制线）

		用了地址线复用技术：
		n1/2（地址线数/2）+
		n2（数据线数） + 
		2（行列选通线） +
		1（片选线）+ 
		1 或 2（读/写控制线）
寻址
	现代计算机通常按字节寻址
	按字节寻址、按字寻址、按半字寻址、按双字寻址
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SRAM 芯片和 DRAM 芯片

DRAM 的刷新：
	刷新周期：一般为 2 ms
	每次刷新一行存储单元（使用行列地址是为了减少选通线的数量）
	如何刷新：有硬件支持，不需要CPU控制，读出一行的信息后重新写入，占用一个读/写周期
	🚩 什么时候刷新：
		分散刷新
		集中刷新
		异步刷新

注意：DRAM 已经过时，现在的主存通常采用 SDRAM 芯片（同步动态随机存储器）

DRAM 和 SRAM 的区别⬇
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只读存储器 ROM

各种 ROM：
	MROM（掩模式）—— 芯片生产过程中直接写入信息，之后只能读出
	PROM（可编程）—— 用专门的 PROM 写入器写入信息，写一次后不可更改
	EPROM（可擦除可编程）—— 可进行多次重写
		UVEPROM（用紫外线）—— 擦除所有信息
		EEPROM（电擦除）—— 擦除特定的字
	Flash Memory（闪存）—— 可多次快速擦除重写，eg：U盘、SD卡
		每个存储单元只需单个 MOS 管，位密度比 RAM 高（联想U盘大小）
		闪存的 “写” 速度比 “读” 速度慢，因为写之前需要擦除
	SSD（固态硬盘）—— 由控制单元+存储单元（flash芯片）组成，可多次快速擦除重写，速度快，功耗低，价格高

特殊的 ROM：
	主板上的 BIOS 芯片

注：
	我们常说的“内存条”就是“主存”，但事实上，主板上的 ROM 芯片也是主存的一部分
	逻辑上，主存由 RAM+ROM 组成，且二者统一编址
	很多 ROM 芯片虽然名字是 “Read-Only”，但很多 ROM 也可以写	
	RAM 芯片是易失性的，ROM 芯片是非易失性的
	很多 ROM 也有 “随机存取” 的特性
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3、主存储器与 CPU 的连接

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位扩展
字扩展
	线选法
	🚩 译码片选法：译码器的使用、分析地址空间
字位同时扩展
	🚩 选择存储器芯片
	与CPU进行连接
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74L138 型号的译码器结构：

双口 RAM 和多模块存储器

目的：提升主存速度
🚩 存取周期 T = 存取时间 r + 恢复时间

双端口 RAM：
	作用：优化多核 CPU 访问一根内存条的速度
	✔ 可同时读/写不同的存储单元
	✔ 可同时读同一个存储单元
	❌ 不能同时写一个同一个存储单元
	❌ 不能一个读一个写一个存储单元
	若发生冲突，则发出 “BUSY” 信号，其中一个 CPU 的访问端口暂时关闭

多模块存储器（m 个模块）：
	单体多字存储器——类似于主存储器的位扩展
		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，不能单独取其中的某个字
	多体并行存储器——各个模块之间相互独立
		高位交叉编址的多体存储器：由于通常使连续访问的，因此性能提升不明显
		🚩 低位交叉编址的多体存储器
			m ≥ T/r
			每个存储周期内可读写地址连续的 m 个字
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4、外部存储器

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磁盘存储器

磁盘原理
	磁盘设备的组成
		存储区域：磁头、柱面、扇区
		音高内存储器：磁盘驱动器、磁盘控制器、盘片
	🚩 性能指标
		容量：格式化与非格式化
		记录密度：道密度、位密度、面密度
		数据传输率
	磁盘地址
		驱动器号、柱面号、盘面号、扇区号
🚩 磁盘冗余阵列
	思想：利用磁盘廉价的特点提高存储性能、可靠性和安全性
	RAID0：条带化，提高存储速度，没有容错能力
	RAID1：镜像磁盘互为备份
	RAID2~5：通过数据校验提高容错能力
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固态硬盘 SSD

组成
	闪存翻译层——基于闪存技术，属于 EEPROM
	存储介质：多个闪存芯片——每个芯片包含多个块——每个块包含多个页
🚩 读写性能特性
	以 “页” 为单位读写
	以 “块” 为单位擦除
	支持随机访问
	读快、写慢
与机械硬盘相比的特点
	SSD 读写更快，随机访问性能高，用电路控制访问位置；
	SSD 安静无噪音、耐摔抗震、能耗低、造价更贵
	🚩 容易磨损——SSD 的一个块被擦除次数过多可能会坏掉，而机械磁盘的扇区不会因为写太多而坏掉
🚩 磨损均衡技术
	思想：将 “擦除” 平均分布在各个块上
	动态磨损均衡——写入数据时，寻找擦除次数少的新闪存块
	静态磨损均衡——SSD 监测并自动进行数据分配、迁移
		让老的闪存块承担以读为主的内容
		让新的闪存块承担以写为主的内容
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5、🚩 高速缓冲存储器

cache 的基本概念和基本原理

工作原理
	将某些主存块复制到 cache 中，缓和 CPU 和主存之间的速度矛盾
局部性原理
	时间局部性：现在访问的地址，之后可能会再被访问
	空间局部性：现在访问的地址，周围的地址可能会被访问
性能分析
	理解 cache 命中率、缺失率
	两种方式
		1、先访问 cache，未命中再访问主存
		2、同时访问 cache 和主存，当 cache 命中时停止访问主存
其他概念
	主存与 cache 之间以 “块” 为单位进行数据交换
	主存的 “块” 又叫：页、页框、页面
	cache 的 “块” 又叫：行
	主存地址可以拆分为（主存块号、块内地址）的形式
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cache 和主存间的映射方式

cache 中存储的信息
	有效位（0/1）+ 标记 + 整块数据
	其中 “标记” 用于指明对应的内存块，不同的映射方式，“标记” 的位数不同
全相联映射
	主存块可以复制到 cache 的任何位置
	🚩 主存地址结构：标记（主存块号） + 块内地址
	优点：空间利用充分，命中率高
	缺点：查找 “标记” 最慢
直接映射
	主存块只能放到特定的 cache 行，cache 行号 = 主存块号 % cache 总行数
	🚩 主存地址结构：标记（主存块号前几位） + 行号（主存块号末几位） + 块内地址
	优点：查找 “标记” 最快
	缺点：空间利用不充分，命中率低
组相联映射
	主存块可以放到特定组中的任意位置，所属组号 = 主存块号 % cache 组数
	🚩 贮存地址结构：标记（主存块号前几位） + 组号（主存块号末几位） + 块内地址
	优点：另外两种的这种，综合效果较好
	术语：n 路组相联映射——每 n 个 cache 行为一组
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cache 替换算法

随机算法（RAND）
	随便选择一个块替换
	效果很差
先进先出算法（FIFO）
	优先替换最先被调入 cache 的主存块
	不遵循局部性原理，效果差
🚩 近期最少使用（LRU）
	将最久没有被访问过的主存块替换，每个 cache 行设置一个 “计数器”（cache 有 2^n 块 —— n 位），用于记录多久没有被访问
	遵循局部性原理，时间运行效果优秀，cache 命中率高
最不经常使用（LFU）
	将被访问次数最少的块替换，每个 cache 行设置一个 “计数器”，用于记录被访问过多少次
	曾经被经常访问的块在未来不一定会用到，实际运行效果不好
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cache 写策略

写命中
	全写法（写直通法）：把数据同时写入 cache 和主存，一般使用写缓冲
	写回法：只修改 cache 的内容，只有此块被换出时再写入主存
写不命中
	写分配法：把主存中的块调入 cache 中修改，通常搭配 “写回法” 使用
	非写分配法：只写入主存，不调入 cache，通常搭配 “全写法” 使用
多级 cache
	各级 cache 间常采用 “全写法 + 非写分配法”
	cache 和主存间常采用 “写回法 + 分配法”
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6、虚拟存储器

页式存储器

（待）虚拟存储器

📕 积累归纳

1、相联存储器是按 "内容指定方式和地址指定方式相结合" 进行寻址的存储器
2、动态 RAM 采用 "分散刷新" 不存在死时间，采用 "集中刷新、异步刷新" 存在死时间
3、半导体 RAM 是易失性 RAM，但只要电源不断电，所存信息是不丢失的 （√）
4、随机存取与随机存取存储器（RAM）不同
5、DRAM 一次完整的刷新过程只需要占用 "一个" 存储周期
6、闪存的存储元由 MOS 管组成，是一种半导体存储器
7、存取周期：可以连续读/写的最短时间间隔
8、高位四体交叉存储器可能在一个存储周期内连续访问 4 个模块 （√）
9、闪存是在 EEPROM 的基础上发展起来的，本质上是只读存储器
10、RAID0 方案是无冗余和无校验的磁盘整列，而 RAID1~5 方案均是加入了冗余（镜像）或校验的磁盘阵列
11、磁盘存取时间 = 寻道时间 + 延迟时间 + 传输时间 + 其他时间
	平均延迟时间为旋转半周的时间
12、磁盘存储器的最小读写单位为一个扇区，即磁盘按块存取
13、CPU 与 cache（或主存）间信息交互的单位是字，而 cache 与主存之间信息交互的单位是块
14、虚拟存储系统利用的是局部性原理，程序应当具有较好的局部性
15、当 CPU 访存时，先要到 cache 中查看该主存地址是否在 cache 中，所以发送的时主存的物理地址。只有在虚拟存储器中，CPU 发出的才是虚拟地址。
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