(计算机组成原理)第三章存储系统-第一节1：存储器分类多级存储系统和存储器性能指标

Posted 2021-09-06 快乐江湖

文章目录

• 一：存储器分类
• • （1）按在计算机中的作用（层次）分类
  • （2）按照存储介质分类
  • （3）按存储方式分类
  • （4）按信息的可保存性分类
• 二：存储器的层次化结构-多级存储系统
• 三：存储器性能指标
• • （1）存储容量
  • （2）单位成本
  • （3）存储速度

一：存储器分类

（1）按在计算机中的作用（层次）分类

• 主存储器：简称主存，又称内存；用来存放计算机运行期间所需的大量程序和数据；CPU可以直接对其进行访问，也可以和高速缓冲存储器（Cache）及辅助存储器交换数据；特点是容量较小，存储速度较快，造价高
• 辅助存储器：简称辅存，又称外存；是主存储器的后援存储器，用来存放当前暂时不用的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息，它不能与CPU直接交换信息；特点是容量极大，存储速度较慢，造价低
• 高速缓冲存储器：简称Cache；它位于主存和CPU之间，用来存放正在执行的程序段和数据，以便CPU能够高速地使用它们；Cache的读取速度可以和CPU相匹配，但存储容量小，价格高，目前会被集成在CPU当中。

（2）按照存储介质分类

• 磁表面存储器，如磁盘、磁带等
• 磁心存储器半导体存储器，如MOS型存储器、双极型存储器
• 光存储器，如光盘

（3）按存储方式分类

• 随机存储器（RAM）：存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关；其优点是读写方便，使用灵活，主要用作主存或高速缓冲存储器；RAM又分为静态RAM（以触发器原理寄存信息）和动态RAM（以电容充电原理寄存信息）
• 只读存储器（ROM）：存储器的内容只能随机读出而不能写入；信息一旦写入存储器就固定不变，即使断电内容也不会丢失。因此通常用它存放固定不变的程序，常数和汉字字库，甚至用于操作系统的固化。它与随机存储器可以共同作为主存的一部分，统一构成主存的地址域。
• 串行访问存储器：对存储单元进行I/O操作时，需按其物理位置的先后顺序寻址，包括顺序存取存储器（如磁带）与直接存取存储器（如磁盘）

注意：顺序存储寄存器的内容只能按照某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体的物理位置有关，其特点是存储速度慢；直接存取存储器既不像RAM那样随机访问任何一个存储单元，又不像顺序存取存储器那样完全按照顺序存取，而是介于两者之间，存取信息是通常先寻找整个存储器中的某个小区域，再在小区域内顺序查找

（4）按信息的可保存性分类

• 断电后，存储信息消失的存储器称为易失性存储器，如RAM；断电后信息仍然保持的存储器称为非易失性存储器，如ROM
• 某个存储单元所存储的信息被读出时，原存储信息被破坏则称为破坏性读出；若读出时不被破坏则称为非破坏性读出。具有破坏性读出性能的存储器，每次读出操作后，必须紧接一个再生操作，以便恢复被破坏的信息。

二：存储器的层次化结构-多级存储系统

为了解决存储系统容量，速度和成本三个因素的制约关系。在计算机系统中，通常采用多级存储器结构，如下图所示。

• 自上至下，价位越来越低，速度越来越慢，容量越来越低，CPU访问的频度也越来越低

实际上，存储系统的层次结构主要体现在 “Cache-主存”层次和“主存-辅存” 层次，前者主要解决CPU和主存速度不匹配的问题，后者主要解决存储系统的容量问题。

在存储系统中，Cache、主存能和CPU直接交换信息，辅存则要通过主存与CPU交换信息，主存与CPU、Cache、辅存都能交换信息。

存储器层次结构的主要思想：上一层的存储器作为低一层存储器的高速缓存。

• 从CPU的角度来看，“Cache-主存”层次速度接近于Cache，容量和价位却接近于主存；从“主存-辅存”层次来看，其速度接近于主存，容量和价位却接近于辅存

这样的话就解决了速度、容量、成本这三者之间的矛盾，现代计算机系统几乎都采用这种三级存储系统
值得注意的是：主存和Cache之间的数据调动是由硬件自动完成的，对所有程序员透明；主存和辅存之间的数据调动则是由硬件和操作系统共同完成的，对应用程序员是透明的

在“主存-辅存”这一层次的不断发展中，逐渐形成了虚拟存储系统，在这个系统中程序员编程的地址范围与虚拟存储器的地址空间相对应，也就是我们在Linux系统编程中讲到的进程地址空间

• 注意：在“Cache-主存”和“主存-辅存”层次中，上一层的内容都只是下一层中的内容的副本，也即Cache（或主存）中的内容只是主存（或辅存）中内容的一部分

三：存储器性能指标

存储器有3个主要性能指标，即存储容量、单位成本和存储速度。此3个指标相互制约，设计存储器系统所追求的目标就是大容量、低成本和高速度。

（1）存储容量

存储容量=存储字数×字长（如1$M$×8位）

• 单位换算：1B(Byte，字节)=8b(bit，位)
• 存储字数表示存储器的地址空间大小，字长表示一次存取操作的数据量

（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=数据的宽度÷存储周期

• 存取时间（$T_a$）：是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间
• 存取周期($T_m$)：存取周期又称读写周期或访问周期。它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立访问存储操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔
• 主存带宽（$B_M$）:只存宽度又称为数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大容量，单位为字/秒，字节/秒(B/s)或位/秒(b/s)