3-存储系统

印度阿三17 2021-03-05

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1.概述

1.存储器的存储结构
CPU->Cache->主存->辅存->外存
2.存储器的分类
(1)层次
(2)存储介质：半导体存储器–主存，cache；磁性材料—磁盘、磁带；光存储器—光盘
(3)存取方式：随机存取存储器(RAM)、顺序存取存储器(SAM)、直接存取存储器(DAM)、相联存储器(按内容访问的存储器CAM)
(4)信息的可更改性：读写存储器、只读存储器(ROM)
(5)信息的可保存性：异失性存储器(主存、cache)、非异失性存储器(磁盘、光盘)、破坏性读出(DRAM芯片)、非破坏性读出(SRAM)
3.存储器的性能指标
（1）存储容量=存储字数×存储字长=MAR×MDR
（2）单位成本：每位价格=总成本/总容量
（3）存储速度：数据传输率(主存带宽)=数据宽度(存储字长)/存储周期；存储周期=存取时间恢复时间

1.1 主存储器的基本组成

基本元件：MOS管，电容
存储芯片的结构：译码驱动器、存储矩阵、读写电路、地址线、片选线、数据线、读写控制线
寻址：按字节寻址，也可按字寻址、按半字寻址、按双字寻址

1.2 SRAM&DRAM

DRAM：动态随机存储器—用于主存—使用栅极电容存储(一条数据线)
(1)破坏性读出，读出后应有重写操作,也称“再生”–读写速度慢
(2)成本低，集成度高，功耗低
SRAM:：静态随机存储器—用于Cache–使用双稳态触发器存储(1:A高B低；0：A低B高，两条数据线)
(1)非破坏性读出，无需重写—读写速度快
(2)成本高，集成度低，功耗大
DRAM刷新—由存储器独立完成，不需要CPU控制
(1)2ms刷新一次
(2)每次刷新一行存储单元，使用行列地址减少选通线的数量
(3)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
(4)在什么时候刷新？分散刷新(每次读写完都刷新一行)、集中刷新(集中安排时间全部刷新，此时无法访问存储器，称为访存“死去”)、异步刷新(2ms内每行刷新一次，可在译码阶段刷新)
DRAM的地址线复用技术–n/2条地址线分两次传送，可使地址线更少，引脚更小。地址引脚减半

DRAM&SRAM

1.3 只读存储器ROM

非易失性芯片，断电后数据不会丢失
1.MROM:掩模式只读存储器。厂家按照客户需求定制，任何人不可重写
2.PROM：可编程只读存储器。用户用专门PROM写入器写入信息，写入一次就不可更改
3.EPROM:可擦除可编程只读存储器
(1)UVEPROM：用紫外线照射8-20min，擦除所有信息
(2)EEPROM：可用电擦除，擦除特点的字
4.Flash Memory：闪存存储器，可进行多次快速擦除重写。写速度比读速度更慢。每个存储园只需Mos管，位密度比RAM高
5.SSD：固态硬盘。控制单元存储单元(Flash芯片)，可进行多次快速擦除重写。速度快、功耗低、价格高
6.BIOS芯片：存储量自举装入程序，负责引导开机。逻辑上主存由RAM ROM且二者统一编制

1.4 主存与CPU的连接

CS或CE片选线信号：上有横线代表低电平有效
WE/OE读写控制线信号
1.位扩展。8片8k×1位的扩展成1片8k×8位的芯片
2.字扩展。
(1)线选法，多出的地址线控制片选信号。地址空间不连续
(2)译码器片选法。n条线对应2^n个片选信号。地址空间连续
3.字位同时扩展法：

1.5双端口RAM和多模块存储器

1.双端口RAM，优化多核CPU访问一根内存条的速度
(1)需要有两组完全独立的数据线、地址线、控制线、CPU、RAM中也要有更复杂电路
(2)两个端口对同一主存操作情况：
a两个端口对不同地址单元存取数据
b两个端口对同一地址单元读取数据
c两个端口对同一地址单元写入数据×
d两个端口同时对同一地址单元一个写入数据，一个读出数据×

2.多体并行存储器（m>=T/r）
(1)高位交叉编制：连续取n个存储字，耗时nT
(2)低位交叉编制：连续取n个存储字，耗时T (n-1)r

2.Cache

2.1Cache基本概念

将某些主存块复制到Cache中，缓和CPU和内存之间的速度矛盾
命中率(H)：CPU欲访问的信息已在Cache中的比率。
缺失(未命中)率M=1-H
Cache-主存系统的平均访问时间t为
先访问 C a c h e 后访问内存 t = H t c ( 1 − H ) ( t c t m ) 同时访问 C a c h e 和内存 t = H t c ( 1 − H ) t m 先访问Cache后访问内存 t=Ht_c (1-H)(t_c t_m)\\ 同时访问Cache和内存 t=Ht_c (1-H)t_m 先访问Cache后访问内存t=Htc (1−H)(tc tm)同时访问Cache和内存t=Htc (1−H)tm
如何界定目标访问地址的“周围”？将主存存储空间分块，主存与Cache以块为单位进行数据交换主存地址可拆分为(主存块号，块内陆址)

2.2 Cache和主存的映射方式

有效位：当前标记位是否有效
标记位：记录主存块的块号
1.全相联映射：存放在Cache任意位置
优点：存储空间利用充分，命中率高
缺点：查找标记慢，可能需要对比所有行的标记
2.直接映射：只能存放到一个特定位置，Cache=主存块号�che总块数
若Cache总块数为2^n，则主存块号末尾n位放映了，它在cache中的位置，因此标记位可以记录主存块号-n末尾
优点：只需对比一个标记，速度最快
缺点：其他地方有空闲Cache块，但只能放到固定位置，命中率低
3.组相联映射：把Cache块分为若干分组，每个主存块可放到特定分组中的任意一个位置，Cache所属分组=主存块号�che分组数。2路组相联映射–2块为一组
优点：另外两种方式，综合效果最好

2.3 Cache替换算法

1.随机算法(RAND)
若Cache已满，则随机选取一块替代
2.先进先出算法(FIFO)–实现简单，易产生抖动现象
若Cache已满，则替换最先被调入cache的块
3.近期最少使用算法(LRU)—实际运行效果优秀，Cache命中率高。但频繁访问的主存块数量>Cache行的数量，也会发生抖动现象
为每一个Cache块设置一个计数器，用于记录Cache已经多久没有被访问过了。当Cache满后替换计数器最大的。块的总数为2^n，则计数器只需要n位
4.最不经常使用算法(LFU)
为每一个Cache块设置一个计数器，用于记录Cache被访问过几次。当Cache满后替换计数器最小的。若有多个则按“行号递增”或“FIFO先进先出”替换

2.4 Cache写策略

1.写命中
写回法(write-back)：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，一般用脏位(脏位：表示Cache数据是否被更改)
全写法(write-through)：当CPU对Cache写命中时，必须把数据同时写入Cache和主存，一般用写缓冲(SRAM，实现FIFO的队列)

2.写不命中
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。通常配合<写回法>使用
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
现代计算机采用多级Cache，靠近CPU速度越快，容量越小。越远离CPU的速度越慢，容量越大。各级Cache之间采用“全写法非写分配法”，Cache和主存之间采用“写回法写分配法”