待补充 560

一、存储技术

1.1 随机存储内存

随机存储内存（Random-access memory，RAM）有两种形式——静态和动态。静态RAM（SRAM）速度更快，其价格也显著高于动态RAM（DRAM）。SRAM被用来作为缓存内存，DRAM被用来作为主存以及图像系统的帧缓存（frame buffer）。

1.1.1 静态RAM

1.1.2 动态RAM

1.1.3 传统DRAMs

DRAM芯片上的格子（cell）被划分成d个超格（supercell），每个超格包含w个DRAM格。一个d×wd\times wd×w的DRAM中可以存储dw位的信息。超格的组织形式是r行c列的长方形数组，其中rc=d。每一个超格都有(i,j)形式的下标，i代表行，j代表列。

例如，图6.3展示了一个16×816\times816×8的DRAM芯片的组织形式：

其中d=16超格，w=8位每超格，r=4行，c=4列。阴影部分指代在地址(2,1)处的超格。信息通过一种称为引脚（pins）的外部连接器流入和流出芯片。每个引脚携带1位的信号。图6.3展示了两类这样的引脚：一个8位的数据引脚，每次可以传递1字节的数据进入或流出芯片，还有一个2位的地址引脚，这个引脚携带了超格的行和列信息。其他传递控制信息的引脚没有显示在图中。

每个DRAM芯片都会连接到称为内存控制器（memory controller）的电路元件上，内存控制器可以一次传输进或传输出w位数据。为了读取位于(i,j)超格处的信息，内存控制器将行地址i及列地址j发送到DRAM中。DRAM将超格(i,j)中的内存返回到内存控制器中。行地址i被称为RAS请求（Row Access Strobe request），而列地址j被称为CAS请求（Column Access Strobe request）。注意RAS和CAS请求共享相同的DRAM地址引脚。

例如，为了从图6.3中的16×816\times816×8的DRAM中读取(2,1)超格，内存控制器会发送行地址2，如图6.4(a)中所示：

DRAM通过将row2中整行的数据拷贝进入一个内部行缓冲区中进行回应。接下来，内存控制器发送列地址1，如图6.4(b)中所示，DRAM将超格(2,1)中的8位数据从行缓冲区中拷贝出来，并将这些数据发送到内存控制器中。

1.1.4 内存模块

练习 6.1

1.1.5 增强的DRAMs

DRAMs内存有很多种类，新的种类随着处理器速度的快速提升而有规律地出现在市场上。每个新的种类都基于基本的动态内存格，但是这些种类会优化访问DRAM格的速度。

快速页模式（fast page mode DRAM，FPM DRAM）：传统的DRAM拷贝一整行超格进入内部行缓存中，但是仅仅使用其中一个并抛掉其他的。FPM DRAM通过允许连续访问行缓冲区中同一行来提高效率。例如，在传统DRAM中为了从行i中读取4个超格，内存控制器需要发送四对RAS/CAS请求，虽然每次行地址i都是相同的。在FPM DRAM中进行同样的读取时，内存控制器首先发送一个初始RAS/CAS请求，然后接下来会发送三个CAS请求。初始RAS/CAS请求将行i拷贝进入行缓冲区中，然后返回CAS寻址到的超格。接下来三个超格都是直接从行缓冲区中进行读取，因此要比原始的方式要快
拓展数据流出DRAM（Extended data out DRAM，EDO DRAM）：这是FPM DRAM的一种强化类型，allows the individual CAS signals to be spaced closer together in time.

1.1.6 非易失性内存（nonvolatile memory）

DRAM和SRAM是易失的，当失去电压后它们所存储的信息就都消失了。而非易失性内存在断电后仍然可以保存它们的数据。非易失性内存有很多种。从历史原因考量，它们共同被称为只读内存（ROMs），尽管一些ROMs可以被写入并读取。ROMS通过它们可以被写入及写入的机制进行区分。

可重编程ROM（programmable ROM，PROM）可以被重编程一次。PROMs内有一种熔断机制，每个内存格会被高电流熔断一次。

可擦除重编程ROM（EPROM）拥有一个透明石英窗口，允许光到达存储格。

1.1.7 访问主内存

数据在处理器和DRAM主内存间不断传输，通过称为总线（buses）的共享电路导线。在CPU和主存间的每次数据传输都通过一系列称为总线事务（bus transaction）的步骤完成。一个读事务（read transaction）将数据从主存传输到CPU，一个写事务（write transaction）将数据从CPU传输到主存。

总线是一组携带地址、数据及控制信号的并排的导线。取决于特定的导线设计，数据和地址信号可以共享同样的导线组，也可以使用不同的导线组。同样的，可以有多于两个设备共享相同的总线。控制线携带同步事务及辨别正在执行的是哪种事务的信号。例如，判断这个事务是有关主内存，还是有关一些其他的I/O设备，例如一个磁盘控制器。还可以判断这个事务是写事务还是读事务，这个在总线上的数据是地址还是数据项？

图6.6展示了一个示例计算机系统的说明：

最主要的组成部分是CPU芯片，一个称为I/O桥（I/O bridge）的芯片集，以及组成主存的DRAM内存模块。这些组成部分又一对总线连接起来：一个连接CPU和I/O桥的系统总线（system bus）以及一个连接I/O桥和主存的内存总线（memory bus）。

I/O桥将系统总线的电信号翻译为内存总线的电信号。I/O桥还会将系统总线和内存总线连接到一个I/O总线，这个I/O总线由I/O设备共享，例如磁盘和图形卡。现在，我们主要关注它连接内存总线的功能。

考虑当CPU执行一个装载指令时发生了什么，指令如下：

movl A,%eax

当将地址A处的内容装载进入寄存器%eax时，在CPU芯片上称为总线接口（bus interface）的电路器件会启动总线上的一个读事务。这个读事务包含三个步骤。首先，CPU将地址A放置到系统总线上。接下来I/O桥将这个信号传递到内存总线上（图6.7(a)所示）：

接下来，主存会感受到内存总线上传来的地址信号，从内存总线上读取这个地址，从DRAM中获取数据字，并将数据写入内存总线。I/O桥将这个内存总线信号翻译为系统总线信号，并通过系统总线传递这个信号（图6.7(b))所示。最终，CPU会察觉到系统总线上的数据，从总线中读取数据，将它复制到寄存器%eax中（图6.7©）所示。

相反地，如果CPU执行一个存储指令，例如：

movl %eax,A

此时会将寄存器%eax中的内容写入地址A中，CPU会首先启动一个写事务。同样的，接下来有三个步骤。首先，CPU将地址放置于系统总线上。内存从内存总线中读取地址并且等待数据到来（图6.8(a)）所示：

接下来，CPU将数据字从%eax寄存器复制到系统总线上（图6.8(b)）所示。最终，主存从内存总线中读取数据，并将数据存储在DRAM中（图6.8©）所示。

1.2 磁盘存储

磁盘中存储了大量的数据，相比主存来说它的容量也十分庞大。但是从磁盘中读取数据要比DRAM中读取数据慢10万倍，比从SRAM中读取数据慢100万倍。

1.2.1 磁盘的几何结构

磁盘由盘片（platters）构成。每个盘片都有两边，或两个表面（surfaces），覆盖了磁性记录材料。盘片中心的旋转轴用一个固定的旋转速率旋转盘片，通常的速度为在5400到15000转每分钟（RPM）。一个磁盘通常包含一个或多个这种包装在密封容器内的盘片。

1.2.2 磁盘存储能力

待补充 606

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