第三章：存储系统

Part1：基本概念

1、存储器的层次结构

2、存储器的分类

1. 按照层次分类：详见1的图

2. 按照存取方式分类：

   • RAM（Random Memory）：任意单元可以随机读取，易失性（断电后数据消失）

     • SRAM
     • DRAM

   • ROM（Read Only Menory）：只读不写（BIOS常放置于ROM中），非易失性（断电后数据不消失）

   • CAM（Conent-addresseable Memory）：相联存储器，可以按照内容访问主存（常用于快表中）

3、性能指标

1. 容量：字数*字长
2. 存取
   • 存储周期：存取时间+恢复时间
   • 存储时间：读出时间+读入时间

Part2：存储器硬件

1、RAM

1. 分类

   • DRAM：Dynamic RAM，采用栅极电容（单个MOS管）

     • 读出后信息丢失，需要再生
     • 一段时间后（2ms）后信息丢失，需要刷新
     • 由于其集成度高，常用于主存

   • SRAM：Static RAM，采用双稳态触发器（6个MOS管）

     • 读出后信息不丢失
     • 速度更快，价格很高，集成度不高
     • 常用于作为cache

2. DRAM

   2.1 地址线复用

   有DRAM地址容量过大，故其地址线数量太多，实现起来非常的困难，故采用地址线复用的技术

   

   2.2 刷新

   • 分散刷新：每次读写完毕均刷新一次
   • 集中刷新：2ms内集中一段时间刷新一次，这段时间被称为死区
   • 异步刷新：以上两点的综合，即2ms内每行刷新一次即可，当有1024行的只需2/1024=1.95us刷新一次

   2.3 发展

   现在的DDR3、DDR4采用的技术为SDRAM（Synchronous DRAM）同步DRAM技术

2、ROM

1. Flash

   在EEPROM基础上发展而来，可以多次擦写，但由于其需要先擦候写，所以写速度比读速度更慢

2. SSD(Solid State Drives)固态硬盘

   由控制单元和存储单元（Flash芯片）构成
   

   一般一个块进行10万次重复写之后就会磨损坏而不能使用，在闪存翻译层中有一个“平均磨损逻辑”将擦写平均分布在每个块上来最大化每个块的寿命，实际上这个“平均磨损逻辑”做的非常好，SSD需要很多年才会坏掉

3. BIOS芯片

   该芯片存储了自举装入程序，负责装入操作系统

Part3：主存储器

1、主存储器硬件结构

• 译码器：将MAR地址翻译为选择连通那根线
• MAR，MDR：现代计算机中常集成于CPU中
• Control Circuit(控制电路)：当MAR，MDR中的输入/输出电信号稳定后在打开读写权限
• A0~A3：数据的地址引脚； D0~D7：数据的内容引脚
• CS/CE（Chip Select/Chip Enable）:芯片选择开关（图中头上带个帽子表示低电平有效）
• WE(Wirte Enable)：读写开关，当然也可以使用2个开关来实现（WE+RE）

2、主存容量扩展

将1中的芯片抽象为

将CPU抽象为

1. 位扩展：将4位扩展至8位

   

2. 字扩展：采用译码器，将4位扩展至6位

   

3. 字位通知扩展：1和2的结合

4. 关于译码器：74ls138
   

3、提升CPU访问主存速度

采用并行技术

• 空间并行：双端口RAM
• 时间并行：多模块存储器
  • 单体多字
  • 多体并行（低位交叉）

3.1 双端口RAM

现代CPU大多是多核CPU，如果对这些核心采用依次访存的方式，则会大大降低其访存速度。故提出双端口RAM，即让多个核心同时访存。下面以2个核心为例，为了防止出现同时写和一方读一方写的情况，增加了一个busy线，当一方写时，另一方不能操作。

3.2多模块存储器

1. 单体多字

   虽然只要一个存储体，但是每个单元存储了多个字，每次读写均可读出多个字，提升了带宽

2. 多体并行

   由于内存采用了DRAM技术，每次读出为破坏性读出，需要时间再生。故
   $$T_{读}=T_{读数据}+T_{再生数据}$$
   一般来说T_读数据<T_再生数据

   假设T_再生数据=4*T_读数据

   则我们设置4条内存条

   

   CPU从0000一直读取到0011之后，存储器M0刚好恢复，又可以开始读取，从而消除了时延，本质上是用了程序的局部性原理，来加速，运用这个原理来加速，在后面的内容和操作系统中我们将会多次运用到

   

Part4：高速缓冲存储器cache

由于程序的局部性原理，我们需要使用的那片内存空间其实不大，但是CPU寄存器和内存之间的速度差异实在是太大了，故我们引入一个缓冲器来缓和这种速度矛盾，这个缓冲器称之为cache

Cache和Main Memory会划分成大小相等的块，cache块又称为cache行

1、MM–>Cache

从主存中将数据加载到cache中，是以块为单位进行的¹

1. 直接映射

   cache块号=主存块号%cache块数

   其地址结构为：

   标记（Tag）	cache行号	块内地址

2. 全相联映射

   主存中的块可以装入cache中的任意地址

   其地址结构为

   标记（Tag）	块内地址

3. 组相联映射

   1和2的折中方案，将cache划分为大小相等的组，组内全相联，组间直接映射，一个组中有几个cache块成为几路组相联。

   组号=主存块号%组数

   其地址结构为

   标记（Tag）	组号	块内地址

2、Cache更新策略

• 直写法（write-through）:更新cache之后马上更新主存，常用一个write buffer来写入主存
• 回写法（write-back）:只更新cache中的内容，当cache被替换时才考虑是否写入主存，如果该cache被修改过则写入主存，因此需要一个脏位来记录其是否被修改过

3、Cache置换算法（详见操作系统）

FIFO、LRU、LFU

Part end：参考文献和一些说明

原文链接:https://blog.csdn.net/qq_45712772/article/details/122324317