存储系统

一、基本概念

1. Cache主存系统的效率e=访问Cache的时间/平均访存时间

2. DRAM：利用存储元电路中的栅极电容上的电荷来存储信息

   • 采用地址复用技术，地址线是原来的1/2，地址信号分行、列两次传送
   • 容易集成，价位低，容量大，功耗低，速度慢于SRAM
   • 电容电荷必须刷新保持信息，有三种刷新方式：
     1. 集中刷新：固定时间（通常2ms）对存储器所有行进行逐一再生，并停止对存储器的所以读写操作，有死区
     2. 分散刷新：将刷新分散在各个工作周期中，加长了系统的存取周期，降低整机的速度
     3. 异步刷新：结合两者，但没有消除死区
   • 刷新对于CPU透明，不依赖外部访问
   • 提高刷新存储器的带宽，可以采用的技术：
     1. 采用高速DRAM芯片
     2. 采用多体交叉存储结构
     3. 刷新存储器至显示控制器的内部总线宽度加倍
     4. 采用双端口存储器将刷新端口和更新端口分开

3. SRAM与DRAM特点

4. 只读存储器：结构简单，非易失性，可靠性

   • MROM：掩模式只读存储器，厂商在生产过程中写入
   • PROM：一次可编程只读存储器，利用专门设备下入自己的程序，只能写一次
   • EPROM：可擦除可编程只读存储器，编写次数有限，写入时间过长
     • UVEPROM：紫外线擦除
     • E2E^2E2PROM：电擦除
   • Flash Memory：闪速存储器，不加电长期保存信息，在线可以快速擦除和重写
   • SSD：固态硬盘，固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，由控制单元和存储单元组成

5. 常见信号（低电平有效）

   • CS：地址片选信号
   • WE：写命令信号
   • RD：读命令信号
   • MREQ：访存控制信号

6. 对于双端口RAM，两个端口对同一主存操作有以下4种情况：

   1. 不同时对同一地址单元存取数据（不出错）
   2. 同时对同一地址段单元读出数据（不出错）
   3. 同时对同一地址单元写入数据（写入错误）
   4. 同时的操作，一个写数据，一个读数据（读出错误）
   • 可以通过置“忙”信号来暂时关闭端口

7. 直接映射、全相联映射、N路组相联映射对比：

   • 直接映射命中率最低，全相联映射命中率最高
   • 直接映射判断开销最小、时间最短，全相联映射的判断开销最大、所需时间最长
   • 直接映射标记的额外空间开销最少，全相联映射标记占用额外空间最大

8. Cache写策略：非写分配发与全写法合用、写分配发与写回法合用

   1. 写命中

      • 全写法：数据同时写入Cache和主存

      • 写回法：只修改Cache，通过给Cache行添加‘脏位’来判断是否修改过

   2. 写不命中

      • 写分配法：加载主存中的块到Cache中，然后更新Cache块

      • 非写分配法：值写入主存，不调块

9. 虚地址、逻辑地址： 用户编程允许涉及的地址 ； 虚拟空间、程序空间：虚地址对应的存储空间

   实地址、实地址空间：主存地址空间 ；

二、理解的思想

1. 对于任何存储器，在读写操作后，都需要一段恢复内部状态的复原时间

2. 主存和Cache之间的数据调动由硬件自动完成，对所有程序员都透明；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，对应用程序员透明。

3. 数据线的宽度与MDR的宽度相同，地址线的宽度与MAR的宽度相同

4. 芯片的引脚一般包括数据线、地址线、片选先、读/写控制线

5. 位扩展法一次选中所有的芯片，字扩展法选中部分芯片

6. 考虑到存储器扩展的需要，MAR应该保证能访问整个主存地址空间，即MAR位数决定了主存地址空间的大小

7. 时间局部性是指最近的未来要用的信息

8. CPU与Cache、主存之间的数据交换以字为单位，而Cache与主存之间的数据交换以Cache块为单位

9. 各层次的存储系统不是孤立工作的，三级结构的存储系统是围绕主存储器来组织、管理和调度的存储器系统，它们既是一个整体，又要遵循系统运行的原理，包括包含性原则。

10. CPU访存先到Cache中查看主存地址是否存在，所以发送的是主存的物理地址。只有在虚拟存储器中，CPU发送的才是虚拟地址。

11. 磁盘地址是外存地址，外出中程序由操作系统调用至主存中执行，因此CPU不可能直接访问磁盘。

12. Cache缺失只需要访问主存，缺页需要访问磁盘，后者开销大。

13. 直写策略需要同时写快速存储器和慢速存储器，但写磁盘比写主存慢很多，所以在Cache-主存层次，Cache可以采用直写策略，而主存-外存（磁盘）层次，修改页面内容总是采用回写策略。

14. 虚拟存储器由主存和联机工作的辅存共同组成，对于应用程序员透明。Cache全由硬件实现，对所有程序员透明

15. 实际物理存储层次上，所编程序和数据在操作系统的管理下，先送入磁盘，然后操作系统将当前运行需要的部分调入主存，供CPU使用，其余部分留在磁盘中

16. 物理地址由实页号和页内地址拼接；虚地址分为虚页号、页内地址

17. 页面太小会导致页表增大，不能充分利用访存的空间局部性来提高命中率；页面设置太大会导致页面剩余空间较大，浪费较多的存储空间，还使页面调入调出的时间增加。

18. Cache行太大导致失效损失变大，如果未命中会导致需要话更多时间从主存读块，而且Cache的项数变少，命中可能性变少

三、易错点

1. 磁带和磁盘的存储方式

   • 磁带：顺序存储
   • 磁盘：直接存储，先搜寻某个区域，再在该区域中顺序查找

2. SARM和DRAM都是断电内容消失，但只有DRAM需要刷新

3. 随机存储和随机存储器（RAM）不同，只读存储器（ROM）也是随机存储，支持随机存储的不一定是RAM

4. 高位交叉编址时，CPU按顺序访问存储模块，即不能并行访问，不能提高存储器的吞吐率；低位交叉编址又可以称作交叉存储器，可以并行访问，带宽被提高

5. Cache中存放的是主存中部分信息的副本，不能认为存储系统的总容量是Cache与主存的相加

6. 写回式中标记项加一个一致性控制位

7. 页表长久存放在主存中，用来将虚拟地址转换到物理地址，记录程序虚页调入主存时被安排在主存中的位置

8. 带TLB虚拟存储器的CPU访存过程

   

   

   序号1：无需访问主存

   序号2：访问一次主存

   序号3：访问一次主存

   序号4：访问两次主存

   序号5：至少访问两次主存，并且访问磁盘

9. Cache缺失处理由硬件完成；缺页处理由软件完成，即“缺页异常处理程序“；TLB缺失则两者都可能

10. 虚拟存储器系统不命中对系统性能影响更大

11. Cache缺失首先程序计数器会恢复当前指令的值，然后对主存进行读操作。将读入的指令写入Cache，更改有效位和标记位，最后重新执行当前指令。

四、冷知识

1. 主存储器由DRAM实现，靠处理器的Cache由SRAM实现，都是易失性
2. DRAM的成本低于SRAM，因为它用了更多的硅
3. 全写法又叫直通法，write-through
4. TLB使用可静态存储器（SRAM)实现，Cache有SRAM组成。DRAM肯定不用于两者

五、经典题目

（异步刷新与集中刷新）

（交叉存储的访问）

（物理地址和逻辑地址的有效位数）

（Cache的结构）

（全写法与写回法的选择）

(综合考察)

（虚拟存储器与物理存储器）

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