计算机组成原理系列

三、存储系统
- 3.1存储系统概念
- 3.2.1存储器芯片的基本原理
- 3.2.2SRAM和DRAM
- 3.2.3 ROM
- 3.3.1 主存和CPU的连接
- - 位拓展
  - 字拓展
  - 字位同时拓展
- 3.3.2 双端口RAM和多模块存储器
- 3.4 外部存储器
- 3.5 Cache

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三、存储系统

3.1存储系统概念

3.2.1存储器芯片的基本原理

3.2存储器芯片的基本原理

mos管接通是有电荷，电容存储电荷，存储元表示1，反之无电荷表示0。多个存储元单位组成一个存储单元，如下10100011；多个存储单元组成一个存储体。一个存储单元也成为存储字长，如10100011也叫做8bit（8位）。因此n位地址，就有2的n次方个地址，总容量等于存储单元个数*存储字长。

译码器通过多个自选线读多个存储单元，

一个内存条包含多个存储器芯片

如果要读取其中一个芯片的数据，就需要通过片选线给芯片高频电信号，其他芯片低频电信号，以区别；

地址线一般是CPU通过数据总线结构控制的；

存储芯片对外暴露的迎角每一条都对应一条线（读写线、片选线、数据线等）

对于整个存储体而已就可以这样表示容量

8k\*8  就是2的13次方\*8比特1k=1024B=2的十次方

现代计算机都是按字节寻址（1B=8bit）

总量为1KB，地址线为10根的情况下：

按字节寻址 1k个单元，每单元1B;按字寻址256个单元，每单元4B

按半字寻址，512单元，每单元2B；按双字寻址，128单元，每单元8B

3.2.2SRAM和DRAM

3.2.2 SRAM和DRAM

静态RAM(sram)用于cache

动态RAM(dram)用于主存，有地址复用技术和特有的刷新方法

电容和稳态触发器的内容可以去查询电路器件的内容，此处不予深究

SRAM用触发器存储信息，非破坏性读出，读出后不需要重写，运行速度快，集成度低，成本高，易失存储器，不需要刷新，同时送行列地址，常做cache。

DRAM用电容存储信息，是破坏性读出，读出后需要重写，运行速度慢，集成度高，成本低，易失存储器（断电后信息消失），需要刷新，分两次送行列地址，常做主存。

DRAM的刷新

刷新周期：一般为2ms

刷新单位：行

刷新方法

一、集中刷新

刷新时间固定，存在死区；读写不受刷新影响，存储速度快；死区不能访问存储器（死区是指刷新时停止对存储器的读写操作的这段时间）

二、分散刷新

把每行刷新分散到每个工作周期中，没有死区；但是存储周期长，减低速度

三、异步刷新

结合上两种方法，缩短死时间又提高速度，具体方法是用刷新周期除行数得到刷新时间间隔T，用逻辑电路每隔T刷新一次。

3.2.3 ROM

3.2.3 ROM

ROM特点：随机存取，非易失性存储器，结构简单，位密度比可读写存储器高。

ROM类型：

MROM（掩模式只读存储器）

PROM(一次性可编程只读存储器)

EPROM（可擦除可编程只读存储器）可以对内容多次改写

闪存存储器（flash memory）可长期保存信息，可重写，擦写速度快（v写<v擦）价格便宜集成度高

SSD（固态硬盘）可长期保存信息，可重写，读写速度快，低功耗价格高，实际上是控制单元和存储单元（闪存芯片）的集成

3.3.1 主存和CPU的连接

3.3.1主存和CPU的连接

一根片选线，一根读写控制线（或者两根），若干地址线A0-An-1，若干数据线D0-Dn-1。

地址线条数由存储单元个数计算，8K=2的13次方，因此需要13根地址总线；

数据线条数由存储字长计算，8位就是8条，16位就是16条。

位拓展

8K=2的13次方，因此需要13根地址总线，A0-A12

数据总线D0-D7

**多个存储芯片并联，拓展存储字长（位数）。**例如4片16K*1位等同于16K*4位

字拓展

多个存储芯片串联，**拓展存储单元个数。**例如4片16K*8位等同于64K*8位

字位同时拓展

多个芯片串联并联结合在一起，增加存储字数量增加存储字长。

译码片选法(地址空间)

n条线有2n次方个选片信号;通过地址译码器对芯片进行选择

74l138译码器的结构

输入3个输出8个，所以叫3-8译码器

线选法*

n条线有n个选片信号

计算：通过这两种方法求地址

3.3.2 双端口RAM和多模块存储器

3.3.2 双端口RAM和多模块存储器

双端口RAM 空间平行提升速度

两端口同时对不同地址单元存取数据（√）

两端口同时对同一地址单元存取（写入）数据（×）

两端口同时对同一地址单元读出数据（√）

两端口同时对同一地址单元，一个存取数据，一个写入数据（×）

多模块存储器（难点）

多模块存储器时间并行提升速度

详细过程如下：

按照连续访问的原则，高位交叉编址是按存储体访问，比如先访问M0，00000，000001，0000010.。。。

（从上向下的访问顺序）

只有等到M0访问完才能开始访问M1，以此类推。

因此高位交叉编址如果连取n个地址，耗时nT（T是一个存储体的访问时间）。高位交叉编址只拓展了容量，而没有提升速度。

低位交叉编址可以在不改变存取周期的前提下，采用流水线方式并行存储，可以提高存储器的带宽。

因为低位交叉按照连续访问原则，是从左到右访问，同样是00000，000001，0000010。。。但是地位交叉编址却能调动四个存储体，此时再连取n个地址，耗时为T+（n-1）r (r代表存取时间)。

3.4 外部存储器

3.4.1磁盘存储器

磁表面存储是指把某些磁性材料薄薄地涂在铝的表面来存储信息。磁盘存储器磁带存储器和磁鼓存储器都属于磁表面存储器。

磁表面存储器：存储量大价格低，记录介质可重复用，记录信息可长期保存不丢失，非破坏性读出，读出时不需要重生；缺点速度慢，结构负责对环境要求高。

外存储器既可以作为输入设备，也可作为输出设备

存储区域（磁头数-记录面数，磁头用于读写盘面上记录面的信息；面数表示硬盘每一面盘片上有多少条磁道；扇区数表示一条磁道上有多少个扇区）

硬盘存储器（磁盘驱动器、磁盘控制器、盘片）

存取时间是计算问题

存取时间=寻道时间+旋转延迟时间+传输时间

数据传输率D=rN（单位时间内向主机传送的数据的字节数），N表示每条磁道的容量。

磁盘地址磁盘工作过程驱动器号2位（2比特），柱面号8位（8比特）,盘面号4位，扇区号4位。

磁盘阵列

RAID0RAID1

越往后可靠性越好

总结：

3.4.2固态硬盘（重点：读写性能、磨损技术）

存储介质：闪存芯片有多个块，块有多个页

读写特性：

以页为单位读写——相当于磁盘的扇区

以块为单位擦除——每个页都可写一次，读无数次

支持随机访问

读快写慢

系统通过IO总线说明要读/写的逻辑块号（对应固态硬盘里的页）将逻辑号映射对应的物理地址

3.5 Cache

3.5.1cache基础

cache速度远快于内存速度，更好配合CPU

题型：cache运算时间t

Tc访问cache的时间；Tm访问主存的时间；命中率为H

若先访问cache，cache未命中再访问主存，

此时t=HTc+(1-H)(Tc+Tm)

若同时访问cache和主存，若cache命中立即停止访问主存。此时t=HTc+(1-H)™

cache的工作原理

主存中一个块也叫一个页/一个页面/页框；cache中的块也叫行。

总结：

3.5.2 Cache与主存的映射方式

重点难点全相连映射、直接映射、组相连映射

例题中cache的容量为8*64=512b,主存地址空间为256MB为2的28次方，2的28次方除以2的6次方等于2的22次方，(存储单元个数÷存储字长=主存块号)；按字节编址，其数据有8个cache行，行长为64B(2的6次方)

因此主存块号为22位、存储字长为块内地址为6位。

每个主存的地址访问就如图所示，0…000000000~0.000111111(前22位为主存块号，后六位从000000-111111)

映射时，可以随意放，因此cache前面只需加上22位标记（22位主存块号）

直接映射，

主存块在cache中位置=主存块号%cache总块数，比如，cache有8块，主存块号为8，8号主存块在cache中只能存放在0号cache块。

根据主存块号（22位）的后三位确定cache行，

若前十九位与cache标记匹配且有效位=1，则cache命中，若未命中或有效位=0就正常访问主存。

直接映射其实是这样的：标记号+行号（3位）+6位块内地址。

组相连映射

所属组号=主存块号%分组数

根据主存块号的后2位确定所属分组号，若前二十位与cache标记匹配且有效位=1，则cache命中，若未命中或有效位=0就正常访问主存。组相连映射其实是这样的：标记号+组号（2位）+6位块内地址。

总结

3.5.3 Cache 的替换算法

重点难点

全相联映射和组相连映射需要替换算法；直接映射不需要。

随机算法

先进先出算法

最先被调度的最先被替换

1

12

123

1234

1234（命中不替换）

1234（命中不替换）

5234 （未命中替换）

5134（未命中替换）

5124（未命中替换）

5123（未命中替换）

4123（未命中替换）

4523（未命中替换）

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近期最少使用算法

刚开始计数器全部是0，未命中且还有空闲行时，新转入行的计数器置0，其余非空闲行全加1；

未命中且无空闲行，计数器最大的信息块淘汰，新装入的块的计数器值0，其余加1；

命中时，命中行计数器清零，比其低的计数器加1，其余不变。

最不经常使用算法

新调入的块计数器=0，之后每被访问一次计数器+1，需要替换时，选择计数器最小的一行。

LFU算法不遵循局部性原理，实际效果不如LRU

3.5.4 Cache写策略

1、写命中时

写回法：当cpu对cache写命中时只修改cache内容，不立即写入内存，只有当此块被替换才写回主存。（未被修改的块不必召回）

全写法

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。写缓冲是SRAM实现的FIFO队列，在专门的控制电路下逐一写回。若写操作很频繁，可能会因为写缓冲饱和发生堵塞。

2、写不命中

写分配法：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：只写入主存，不调入cache，（只有在读未命中是才调入cache）搭配全写法使用。

多级cache：各级cache之间采用全写法+非写分配法；cache主存之间采用写回法+写分配法；离CPU越近cache的速度越快容量越小；离CPU越远cache速度越慢容量越大。

总结：

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