计算机组成原理(三)存储系统

Posted 2023-03-17

参考技术A

辅存中的数据要调入主存后才能被CPU访问

按存储介质，存储器可分为磁表面存储器（磁盘、磁带)、磁心存储器半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）和光存储器（光盘)。

随机存取存储器（RAM）：读写任何一个存储单元所需时间都相同，与存储单元所在的物理位置无关，如内存条等

顺序存取存储器（SAM）：读写一个存储单元所需时间取决于存储单元所在的物理位置，如磁盘等

直接存取存储器（DAM）：既有随机存取特性，也有顺序存取特性。先直接选取信息所在区域，然后按顺序方式存取。如硬盘等

相联存储器，即可以按内容访问的存储器（CAM）可以按照内容检索到存储位置进行读写，“快表”就是一种相联存储器

读写存储器—即可读、也可写（如：磁盘、内存、Cache）
只读存储器—只能读，不能写（如：实体音乐专辑通常采用CD-ROM，实体电影采用蓝光光碟，Bios通常写在ROM中）

断电后，存储信息消失的存储器——易失性存储器（主存、Cache）
断电后，存储信息依然保持的存储器——非易失性存储器（磁盘、光盘）
信息读出后，原存储信息被破坏——破坏性读出（如DRAM芯片，读出数据后要进行重写）
信息读出后，原存储信息不被破坏——非破坏性读出（如SRAM芯片、磁盘、光盘）

存储器芯片的基本电路如下

封装后如下图所示

图中的每条线都会对应一个金属引脚，另外还有供电引脚、接地引脚，故可以由此求引脚数目

n位地址对应2 ⁿ 个存储单元

假如有8k×8位的存储芯片，即

现代计算机通常按字节编址，即每个字节对应一个地址

但也支持按字节寻址、按字寻址、按半字寻址、按双字寻址

(Dynamic Random Access Memory，DRAM)即动态RAM，使用栅极电容存储信息
(Static Random Access Memory，SRAM)即静态RAM，使用双稳态触发器存储信息

DRAM用于主存、SRAM用于Cache，两者都属于易失性存储器

简单模型下需要有 根选通线，而行列地址下仅需 根选通线

ROM芯片具有非易失性，断电后数据不会丢失

主板上的BIOS芯片（ROM），存储了“自举装入程序”，负责引导装入操作系统（开机）。逻辑上，主存由 辅存RAM+ROM组成，且二者常统一编址

位扩展的连接方式是将多个存储芯片的地址端、片选端和读写控制端相应并联，数据端分别引出。

字扩展是指增加存储器中字的数量，而位数不变。字扩展将芯片的地址线、数据线、读写控制线相应并联，而由片选信号来区分各芯片的地址范围。

实际上，存储器往往需要同时扩充字和位。字位同时扩展是指既增加存储字的数量，又增加存储字长。

两个端口对同一主存操作有以下4种情况：

当出现(3)(4)时，置“忙”信号为0，由判断逻辑决定暂时关闭一个端口（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。

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。它们既能并行工作，又能交义工作。多体并行存储器分为高位交叉编址（顺序方式)和低位交叉编址（交叉方式)两种.

①高位交叉编址

②低位交叉编址

采用“流水线”的方式并行存取（宏观上并行，微观上串行）,连续取n个存储字耗时可缩短为

宏观上，一个存储周期内，m体交叉存储器可以提供的数据量为单个模块的m倍。存取周期为T，存取时间/总线传输周期为r，为了使流水线不间断，应保证模块数

单体多字系统的特点是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：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

为便于Cache 和主存之间交换信息，Cache 和主存都被划分为相等的块，Cache 块又称Cache 行，每块由若干字节组成。块的长度称为块长(Cache 行长)。由于Cache 的容量远小于主存的容盘，所以Cache中的块数要远少于主存中的块数，它仅保存主存中最活跃的若干块的副本。因此 Cache 按照某种策略，预测CPU在未来一段时间内欲访存的数据，将其装入Cache.

将某些主存块复制到Cache中，缓和CPU与主存之间的速度矛盾

CPU欲访问的信息已在Cache中的比率称为命中率H。先访问Cache，若Cache未命中再访问主存，系统的平均访问时间t 为

同时访问Cache和主存，若Cache命中则立即停止访问主存系统的平均访问时间t 为

空间局部性：在最近的未来要用到的信息(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，可以把CPU目前访问的地址“周围”的部分数据放到Cache中

直接映射方式不需要考虑替换算法，仅全相联映射和组相联映射需要考虑

①随机算法(RAND):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):若Cache已满，则替换最先被调入Cache的块。实现简单，依然没考虑局部性原理

③近期最少使用算法(LRU):为每一个Cache块设置一个“计数器”，用于记录每个Cache块已经有多久没被访问了。当Cache满后替换“计数器”最大的.基于“局部性原理”，LRU算法的实际运行效果优秀，Cache命中率高。

④最不经常使用算法(LFU):为每一个Cache块设置一个“计数器”，用于记录每个Cache块被访问过几次。当Cache满后替换“计数器”最小的.并没有很好地遵循局部性原理，因此实际运行效果不如LRU

现代计算机常采用多级Cache，各级Cache之间常采用“全写法+非写分配法”；Cache-主存之间常采用“写回法+写分配法”

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。减少了访存次数，但存在数据不一致的隐患。

全写法(写直通法，write-through)：当CPU对Cache写命中时，必须把数据同时写入Cache和主存，一般使用写缓冲(write buffer)。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，可能会因为写缓冲饱和而发生阻塞访存次数增加，速度变慢，但更能保证数据一致性

写分配法(write-allocate)：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。

非写分配法(not-write-allocate)：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。

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”的大小相同 。每个页面可以离散地放入不同的主存块中。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

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

快表是一种“相联存储器”，可以按内容寻访，表中存储的是页表项的副本；Cache中存储的是主存块的副本

地址映射表中每一行都有对应的标记项

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

1.1计算机系统组成及工作原理简介

目录

• 一、硬件系统基本组成及工作原理
• 二、软件系统的组成及分类
• 三、硬件和软件的关系

1. “系统”：若干相互独立而又相互联系的部分所组成的整体。

2. 计算机系统 = 硬件系统 + 软件系统。

一、硬件系统基本组成及工作原理

1. 硬件：构成计算机的物理装置。

2. 计算机硬件系统的结构组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

   

   1. 运算器：进行数据运算（ 算术运算 + 逻辑运算）。

3. 控制器：控制器周而复始地通过地址访问存储器，逐条取出选中单元的指令，分析指令，根据指令产生相应的控制信号作用域其他各个部件，控制其他部件完成指令要求的操作。

   1. 中央处理器（CPU）：运算器 + 控制器。

   2. 存储器：存放程序或数据（程序和数据是两种不同的信息，应放在不同的地方）。

      1. 内存储器（内存or主存）：CPU根据地址线直接寻址的空间，以内存单元存放数据。
         1. 内存单元：大小为一个字节or多个字节，每个内存单元对应一个编号（表示内存单元所对应的内存地址）。
         2. 内存优点：存取速度快（基本上能与CPU速度相匹配）。
         3. 内存缺点：存储容量小。
      2. 外存储器（外存or辅存）：存放**暂时不用而又需要长期保存的程序or数据。
         1. 使用过程（注意）：当需要执行外存中的程序or处理外存中的数据时，必须通过CPU输入输出指令，将其调入内存才能被CPU执行处理。
         2. 注：由于外存即可输入程序or数据，又可输出结果，它也属于输入输出设备。
         3. 外存优点：存储容量大。
         4. 外存缺点：存取速度慢。

   3. 输入设备：输入程序or数据。eg：键盘、鼠标、摄像头…

   4. 输出设备：输出结果，要求输出设备以人们所能接受的形式（eg：文字or图形）的形式在显示器上输出。eg：显示器、音箱、打印机…

4. 计算机的工作原理：各种各样的信息，通过输入设备，进入计算机的存储器，把信息送到运算器，运算结束后把结果送到存储器存储，最后通过输出设备显示。整个过程由控制器控制。

二、软件系统的组成及分类

1. 软件：计算机程序及有关程序的技术文档资料。
2. 程序：计算机进行数据处理的指令集。
3. 某种意义上：程序 = 软件 = 系统软件 + 应用软件。
   1. 系统软件：管理、监控、维护计算机正常工作和供用户操作使用计算机的软件（在系统一级上提供服务）。
      1. 面向计算机本身的系统软件：操作系统、诊断程序…
      2. 面向用户的系统软件：语言处理程序、实用程序、字处理程序…
   2. 应用软件：某特定领域中的某种具体应用，供最终用户使用的软件，必须在操作系统的基础上运行。eg：财务报表软件、数据库应用软件。
      1. 注：初学c语言的读者主要任务是如何编写应用软件。

三、硬件和软件的关系

1. 硬件和软件是一个完整的计算机系统互相依存的两大部分。
   1. 硬件和软件互相依存：硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作时硬件发挥作用的唯一途径，软件是用户与机器的接口。计算机需要配备完善的软件系统才能正常工作，这种完善的软件系统可以充分发挥计算机硬件的各种功能。
   2. 硬件和软件无严格界线：随着技术的发展，计算机的某些功能可以直接由硬件实现，也可以由软件实现，因此两者没有绝对严格的界线。
   3. 硬件和软件协同发展：软件随着硬件技术的发展而发展，软件的不断发展与完善又促进硬件的更新，两者缺一不可。