计算机组成与设计---硬件/软件接口---大容量和高速度:开发存储器层次结构

Posted 2022-11-22 FANCY PANDA

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机组成与设计---硬件/软件接口---大容量和高速度:开发存储器层次结构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

5.1存储器技术

静态存储器 (SRAM)

存取数据时间0.5ns – 2.5ns,
价格： $2000 – $5000 per GB

动态存储器 (DRAM)

存取数据时间50ns – 70ns,
价格： $20 – $75 per GB

磁盘：

存取数据时间 5ms – 20ms,
价格：$0.20 – $2 per GB

5.1.1 SRAM技术

基本存储元

由6只MOS管组成
具有两个稳态
1—— T1止， A高，T2通，B低，T1止。
0——T2止，B高，T1通，A低，T2止。
在加电情况下，数据才能保存/读/写，掉电后信息全部丢失。

5.1.2 DRAM技术

单管动态存储元

电容器C有电荷，为逻辑“l”，无电荷时，为逻辑“0”
由于电容器存在漏电，导致电荷流失，信息也就丢失
解决的办法是刷新，即每隔一定时间（一般2ms）就要刷新一次

5.1.3 磁表面存储器

硬盘控制器HDC（适配卡）、连接电缆
硬盘驱动器

盘片：多个盘片构成盘片组，每个盘片两个记录面
磁头
- 固定磁头：每磁道一个磁头，速度快，集成度低
- 活动磁头：每个盘面一个磁头，需径向寻道

主轴电机：盘片旋转驱动机构

磁头定位机构：寻道和磁头归位
步进电机定位和音圈电机定位
读写电路和控制逻辑

5.1.4存储系统分级结构

三级存储系统

Cache——主存层次
主存——外存层次

局部性原理：在任意时刻，程序访问的只是地址空间相对较小的一部分内容

时间局部性
空间局部性

存储器层次结构

块（也称行）: 存储信息的最小单元，可以是多个字
如果处理器需要的数据存放在高层存储器的某个块中
- 命中: 在高层存储器中找到目标数据
- 命中率: 命中次数/全部访问次数
如果数据不在高层存储器
- 缺失：从低层存储器拷贝包含所需数据的块
- 缺失代价:将相应块从低层存储器替换到高层存储器所需要的时间
- 缺失率: 缺失次数/全部访问次数= 1 – 命中率
  然后再从高层存储器访问数据

利用局部性原理

可以把存储器组织成层次结构
所有的数据都存储在磁盘上
把最近被访问的（或即将被）的数据从磁盘拷贝到容量较小的DRAM存储器
- 主存储器
把最近经常被（即将被）访问的数据拷贝到更小的SRAM存储器（cache）
- Cache隶属于CPU

5.2 cache的基本原理

Cache—memory：在存储层次中最靠近CPU
主存与Cache的地址映射

全相联映射
直接映射
组相联映射

5.2.1 cache缺失处理

Cache命中时，CPU继续使用该数据，就像什么都有发生过
Cache缺失时
- 引起CPU流水线阻塞
- 从下一个存储层次读取数据块
- 如果指令cache缺失
- 重新取指，此时该指令在cache中
- 如果数据cache缺失
- 完成数据操作，此时数据在cahche中

5.2.2写操作处理

写直达

数据写命中，可以只更新Cache中的块
- 但这样会导致Cache和主存不一致
写直达：将数据同时写入主存
但这样会使写时间更长
e.g., 没有缺失情况，基本的CPI = 1, 10% 的指令是store指令,每次写到内存需要100个时钟周期，
·有效的 CPI = 1 + 0.1×100 = 11
解决方法：写缓冲
- 数据被放入写缓冲等待写存储器操作完成，之后释放写缓冲
- CPU立即继续执行其他指令
- 仅当缓冲区满时产生写阻塞

写回法

另一种方式：当数据写命中，仅仅更新cache中的块
- 记录每一块是否被“修改”过
仅当一个修改过的块被替换时
- 才写回到较低层的存储结构中（主存）
- 当缺失替换一个被修改的块时，可先写入写缓冲区，同时从主存读出所需要的数据块，允许先读缓冲区中将替换的块，然后再将数据写回主存。

写分配

cache写缺失时
写直达的策略
- 缺失时写分配：重新从内存取数据块
- 相似的写策略：写不分配，不从内存取块
- 既然程序在读一个块之前通常要写整个块 (e.g., 初始化)
写回法的策略
- 通常要把这个块从内存取回到cache

5.3可信存储器层次

5.3.1 失效的定义

1)服务实现:交付的服务与需求相符
2)服务中断:交付的服务与需求不符
失效导致状态1到状态2的转换,而由状态2转换到状态1的过程称为恢复
失效可以是永久性的，也可以是间歇性的
间歇性失效更加复杂一些,因为当一个系统因间歇性失效在两个状态间摇摆时,诊断将会非常困难。而永久性失效的诊断要容易许多。
这种定义将引出两个术语:可靠性和可用性
可靠性是一个系统或模块能够持续提供用户需求的服务的度量,即从开始使用到失效的时间间隔
平均无故障时间（mean time to failure，MTTF）：是一个可靠性度量方法
年失效率（annual failure rate,AFR)：它是指在给定MTTF 情况下,在一年内预期的器件失效比例
提高系统的MTTF：
1)故障避免技术（fault avoidance):通过合理构建系统来避免故障的出现
2)故障容忍技术（fault tolerance):采用冗余措施，当发生故障时，通过冗余措施保证系充仍然正常工作
3）故障预报技术（fault forecasting):对故障进行预测，从而允许在器件失效前进行替换

5.4虚拟存储器

虚拟存储系统：建立在内存——外存层次上的，需要辅助硬软件的支持，将内存与外存空间统一编址形成一个庞大的存储空间，用户可在这个虚拟的庞大空间里编程，而不必考虑实际内存的大小
虚拟地址（逻辑地址）：用户编程时使用的地址，在程序真正执行时，在辅助软硬件支持下，虚拟地址将映射为内存的物理地址。
实际地址（物理地址）：内存的实际的地址编号