一、存储系统的概述
1、现代计算机结构
2、存储器层次结构
- cpu
- 寄存器
- Cache高速缓存存储器
- 主存（内存）
- 辅存（磁盘）
- 外存（U盘、磁带、光盘）
主存<-->辅存：实现虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题
Cache<-->主存：解决了主存与CPU速度不匹配的问题
3、存储器的分类
1）层次
- CPU直接使用：Cache、主存
- CPU间接使用：辅存
2）存储介质
- 半导体：主存、Cache
- 磁性材料：硬盘
- 光介质：光盘
3）存取方式
- 随机存取存储器（RAM）：读写时间与位置无关
- 串行访问存储器：读写时间取决于位置
- 顺序存取存储器（SAM）：读写时间取决于位置
- 直接存取存储器（DAM）：先直接选取再顺序存取
- 相连存储器（CAM）：根据内容找到存储位置（快表）
4）信息的可更改性
- 读写存储器：可读可写
- 只读存储器（ROM）：可读（CD、BIOS）
5）信息的可保存性
断电
- 易失性存储器：主存、Cache
- 非易失性存储器：磁盘、光盘
信息读出
- 破坏性读出：DRAM芯片
- 非破坏性读出：SRAM、光盘
4、存储器的性能指标
存储容量 = 存储字数 x 字长（1M x 8位）
单位成本：每个比特的价格 = 总成品 / 总容量
存储速度：数据传输率 = 数据宽度 / 存储周期
主存带宽（Bm）：又称为数据传输率，表示主存进出信息的最大数量
二、主存储器的基本组成
1、半导体元件的原理
MAR：地址寄存器
MDR：数据寄存器
存储元 = 电容（存储器） + MOS管（开关）
MOS管可理解为一种电控开关，输入电压达到某个阈值时，MOS管就可以接通
2、存储芯片的基本原理
总容量 = 存储单元个数 * 存储字长
例：8K × 8位，即$2^{13}*8bit$。地址线13根，数据线8根
三、SRAM和DRAM
1、SRAM和DRAM概述
Dynamic Random Access Memory：动态RAM
Static Random Access Memory：静态RAM
| 类型特点 | SRAM（静态RAM） | DRAM（动态RAM） |
|---|---|---|
| 存储信息 | 触发器 | 电容 |
| 破坏性读出 | 非 | 是 |
| 读出后需要重写？（再生） | 不用 | 需要 |
| 运行速度 | 快 | 慢 |
| 集成度 | 低 | 高 |
| 发热量 | 大 | 小 |
| 存储成本 | 高 | 低 |
| 易失/非易失性存储器？ | 易失（断电后信息消失） | 易失（断电后信息消失） |
| 需要"刷新"？ | 不需要 | 需要 |
| 送行列地址 | 同时送 | 分两次送（地址线复用技术） |
| 用途 | Cache | 主存 |
2、特性差异
DRAM芯片，使用栅极电容存储信息
SRAM芯片：使用双稳态触发器存储信息
核心区别：存储元不同
1）DRAM
读出1：MOS管接通，电容放电，数据线产生电流
读出0：MOS管接通，数据线无电流
每个存储元制造成本更低，集成度高，功耗低
电容放电信息被破坏，是破坏性读出
读出后应有重写操作，也称"再生"
2）SRAM
双稳态触发器：6个mos管组成
读出1：A高B低
读出0：A低B高
每个存储元制造成本更高，集成度低，功耗大
读出数据，触发器状态保持稳定，是非破坏性读出，无需重写
3、DRAM的刷新
1）存储器特性差异
电容：电容内的电荷只能维持2ms。即便不断电，2ms后信息也会消失 => 2ms之内必须"刷新"一次
双稳态触发器：只要不断电，触发器的状态就不会改变
2）DRAM刷新方式
拆分为行列刷新（扫描）：$2^{n}$ => $2^{n/2}+2^{n/2}$ 节约地址线
- 分散刷新：每次读写完都刷新一行 => 浪费时间
- 集中刷新：2ms内集中刷新 => 造成访问死区
- 异步刷新：2ms内每行刷新1次即可 => 找cpu空闲时间刷新
4、DRAM地址线复用技术
行、列地址分两次送，可使地址线更少，需要的芯片引脚减半
$2^{n/2}+2^{n/2}$ => $2^{n/2}$
5、SDRAM
SDRAM 同步动态随机存取内存
四、只读存储器ROM
1、RAM和ROM区别
RAM：易失性，断电后数据消失
ROM：非易失性，断电后数据不会丢失
2、ROM分类
1）MROM
MROM（Mask Read-Only Memory）：掩模式只读存储器
厂家按照客户需求，在芯片生产过程中直接写入信息，之后任何人不可重写（只能读出）
可靠性高、灵活性差、生产周期长、只适合批量定制
2）PROM
PROM（Programmable Read-Only Memory）：可编程只读存储器
用户可用专门的PROM写入器写入信息，写一次之后就不可更改
3）EPROM
EPROM（Erasable Programmable Read-Only Memory）：可擦除可编程只读存储器
允许用户写入信息，之后用某种方法擦除数据，可进行多次重写
- UVEPROM（ultraviolet rays）：一用紫外线照射8~20分钟，擦除所有信息
- EEPROM（也常记为EPROM，第一个E是Electrically）：可用"电擦除"的方式，擦除特定的字
4）Flash Memory
Flash Memory：闪速存储器（U盘、SD卡）
每个存储元只需单个MOS管，位密度比RAM高
在EEPROM 基础上发展而来，断电后也能保存信息，且可进行多次快速擦除重写
注意：由于闪存需要先擦除在写入，因此闪存的"写"速度要比"读"速度更慢
5）SSD
SSD (Solid State Drives)：固态硬盘
由控制单元＋存储单元 （Flash 芯片）构成，与闪速存储器的核心区别在于控制单元不一样，但
存储介质都类似，可进行多次快速擦除重写
SSD速度快、功耗低、价格高。目前个人电脑上常用SSD取代传统的机械硬盘
五、主存与CPU的连接
$A_1$ - $A_7$：地址线
$D_1$ - $D_7$：数据线
$\overline{\text{CS}}$ $ \overline{\text{CE}}$：片选线
$\overline{\text{WE}}$ $ \overline{\text{WR}}$：读写控制线
1、位扩展法
2、字扩展法
1）线选法
线选法：$A{14}$ $A{13}$只能为01或10
n条线 => n个选片信号
2）译码片选法
译码片选法：n条线 => 2n个选片信号
3）小总结
| 线选法 | 译码片选法 |
|---|---|
| n条线 => n个选片信号 | n条线 => $2^n$个选片信号 |
| 电路简单 | 电路复杂 |
| 地址空间不连续 | 地址空间可连续 |
3、字位扩展法
4、译码器
138译码器
- G1、G2A、G2B：使能端，G2A、G2B低电平有效，G1高电平有效
- A、B、C：译码输入端，高电平有效
- Y0 - Y7：译码输出端，低电平有效
五、双端口RAM和多模块存储器
1、存取周期
存取周期：可以连续读写的最短时间间隔
DRAM芯片的恢复时间比较长，有可能是存取时间的几倍（SRAM的恢复时间较短）
2、双端口RAM
作用：优化多核CPU访问一根内存条的速度
需要有两组完全独立的数据线、地址线、控制线。CPU、RAM中也要有更复杂的控制电路
两个端口对同一主存操作有以下4种情况：
- 两个端口同时对不同的地址单元存取数据 => 正常操作
- 两个端口同时对同一地址单元读出数据 => 正常操作
- 两个端口同时对同一地址单元写入数据 => 写入错误
- 两个端口同时对同一地址单元，一个写入数据，另一个读出数据 => 读出错误
解决：置"忙"信号为0，由判断逻辑决定暂时关闭一端口（即被延时），未被关闭的端口正常访问，被关闭的端口延长一个很短的时间段后再访问。
3、多模块存储器
1）单体多字存储器
数据连续存放，每次读出一行
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
每次只能同时取m个字，不能单独取其中某个字 => 指令和数据在主存内必须是连续存放的
2）多体并行存储器
每个存储周期内可读写地址连续的m个字。采用"流水线"的方式并行存取（宏观上并行，微观上串行）
微观上，m个模块被串行访问；宏观上，每个存取周期内所有模块被并行访问
- 存取周期为T，存取时间为r，为了使流水线不间断，应保证模块数 $m≥T/r$
- 存取周期为T，总线传输周期为r，为了使流水线不间断，应保证模块数 $m≥T/r$
六、Cache
1、概述
1）局部性原理
空间局部性：在最近的末来要用到的信息(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：在最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息
基于局部性原理，不难想到以把CPU目前访问的地址周围的部分数据放到Cache中
2）性能
设$t_c$为访问一次Cache所需时间，$t_m$为访问一次主存所需时间
命中率$H$：CPU欲访问的信息己在Cache中的比率
缺失（未命中）率：$M=1-H$
平均访问时间：
- 先访问Cache， 若Cache未命中再访问主存：$t=Ht_c+(1-H)(t_c+t_m)$
- 同时访问 Cache和主存，若Cache命中则立即停止访问主存：$t=Ht_c+(1-H)t_m$
3）界定周围
基于局部性原理，可以把CPU目前访问的地址"周围"的部分数据放到Cache中 => 界定周围
将主存的存储空间分块，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”
主存地址可拆分为（主存块号，块内地址）的形式
每次被访问（读取）的主存块，一定会被立即调入Cache
2、Cache-主存的映射方式
0）总览
全相联映射：主存块可以放在Cache的任意位置
直接映射：每个主存块只能放到一个特定的位置
Cache块号=主存块号 ％ Cache总块数
组相联映射：Cache块分为若干组，每个主存块可放到特定分组中的任意一个位置
组号 = 主存块号 % 分组数
1）全相联映射
访问过程
2）直接映射
1、标记优化
2、访问过程
3）组相联映射
二路组相联映射：两块为一组，分四组
n路组相联映射：每n个Cache行为一组
1、标记优化
2、访问过程
3、替换算法
0）概述
组相联映射：Cache完全满了才需要替换，需要在全局选择替换哪一块
直接映射：如果对应位置非空，则直接替换
组相联映射：分组内满了才需要替换，需要在分组内选择替换哪一块
组相联映射、组相联映射需要用到替换算法
1）随机算法（RAND）
随机算法（RAND,Random）：若Cache已满，则随机选择一块替换
实现简单，但完全没考虑局部性原理，命中率低，实际效果很不稳定
2）先进先出算法（FIFO）
先进先出算法（FIFO, First In First Out）：若Cache己满，则替换最先被调入Cache的块
实现简单，FIFO没考虑局部性原理，最先被调入Cache的块也有可能是被频繁访问的
抖动现象：频繁的换入换出象（刚被替换的块很快又被调入）
3）近期最少使用算法（LRU）
近期最少使用算法（LRU, Least Recentlv Used）：为每一个Cache块设置一个“计数器”，用于记录每个Cache块己经有多久没被访问了，当Cache满后替换计数最大的
- 命中时，所命中的行的计数器清零，比其低的计数器加1，其余不变
- 未命中且还有空闲行时，新装入的行的计数器置0，其余非空闲行全加1
- 未命中且无空闲行时，计数值最大的行的信息块被淘汰，新装行的块的计数器置0，其余全加1
基于局部性原理，近期被访问过的主存块，在不久的将来也很有可能被再次访问，因此淘汰最久没被访问过的块是合理的。LRU算法的实际运行效果优秀，cache命中率高。
若被频繁访问的主存块数量 > cache行的数量，则有可能发生"抖动"。曾经被经常访问的主存块在未来不一定会用到
4）最近不经常使用（LFU）
最不经常使用算法（LFU, Least Frequently Used）：为每一个Cache块设置一个"计数器"，用于记录每个Cache块被访问过几次，当Cache满后替换"计数器"最小的。
新调入的块计数器 = 0，之后每被访问一次计数器 + 1。需要替换时，选择计数器最小的一行。若有名个计数器最小的行，可按行号递增或FIFO策略进行选择
曾经被经常访问的主存块在未来不一定会用到，并没有很好地遵循局部性原理，因此实际运行效果不如LRU
4、Cache写策略
1）写命中
1. 全写法
全写法（写直通法）：当CPU对Cache写命中时，必须把数据同时写入Cache和主存，一般使用写缓冲
使用写缓冲，CPU写的速度很快，若写操作不频繁，则效果很好。若写操作很频繁，可能会因为写饱和而发生阻塞
2. 写回法
写回法：当CPU对Cache写命中时，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
脏位：表示是否被修改过
减少了访存次数，但存在数据不一致的隐患
2）写不命中
1. 写分配法
写分配法：当CPU对Cache写不命中时，把主存中的块调入Cache，在Cache中修改。通常搭配写回法使用。
2. 非写分配法
非写分配法- 当CPU对Cache写不命中时只写入主存，不调入Cache。搭配全写法使用。
3）多级Cache
现代计算机通常采用多级Cache结构
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＋写分配法"
七、页式存储器
1、页式存储器概述
页式存储系统：一个程序（进程）在逻辑上被分为若干个大小相等的"页面"，"页面"大小与"块"的大不相同。每个页面可以离散地放入不同的主存块中。
2、实地址与虚地址
逻辑地址（虚地址）：程序员视角看到的地址
物理地址（实地址）：实际在主存中的地址
逻辑地址 = 逻辑页号 + 页内地址
物理地址 = 主存页号 + 页内地址
3、页表
页表：逻辑页号 => 主存块号
CPU执行的机器指令中，使用的是"逻辑地址"，因此需要通"页表"将逻辑地址转为物理地址。
页表的作用：记录了每个逻辑页面存放在哪个主存块中
4、地址转换过程
页表基地址：指明了页表在主存中的存放地址
- 将逻辑地址拆分为：逻辑页号 + 页内地址
- 查询页表，找到逻辑页面存放的主存块
- 用主存块号拼接页内地址得到最终的地址
5、快表TLB
快表TLB是一种相联存储器，可以按内容寻访
快表中存储的是页表项的副本，Cache中存储的是主存块的副本
八、虚拟存储器
1、页式虚拟存储器
访问位（引用位）：用于页面替换算法
有效位：数据是否调入内存
外存块号：外存页表的块号
脏位：数据是否被更改
2、段式虚拟存储器
3、段页式虚拟存储器
把程序按逻辑结构分段，每段再划分为固定大小的页，主存空间也划分为大小相等的页。程序对主存的调入、调出仍以页为基本传送单位。
每个程序对应一个段表，每段对应一个页表。
虚拟地址 = 段号 + 段内页号 + 页内地址
