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计算机组成原理第三章：存储系统详解 ​

一、存储系统的基本概念 ​

1. 存储系统的层次结构 ​

计算机存储系统采用多级层次结构，以满足速度、容量、成本的平衡需求：

  • 寄存器（CPU 内部）：速度最快，容量最小（KB 级），直接参与运算。
  • 高速缓存（Cache）：SRAM 实现，容量较小（MB 级），速度接近 CPU。
  • 主存储器（内存）：DRAM 实现，容量较大（GB 级），速度较慢。
  • 外存储器（磁盘、SSD）：容量最大（TB 级），速度最慢，用于长期存储。
  • 网络存储：分布式存储，通过互联网访问。

2. 存储器的性能指标 ​

  • 存取时间（Access Time）：从发出读写命令到数据准备就绪的时间。
  • 存储周期（Cycle Time）：两次连续访问的最小间隔时间（含恢复时间）。
  • 带宽（Bandwidth）：单位时间传输的数据量（如 GB/s）。
  • 容量（Capacity）：存储器能存储的总二进制位数。

二、主存储器的基本组成 ​

1. 主存储器结构 ​

  • 存储体（Memory Bank）：由多个存储单元构成，每个单元存放 1 字节（8 位）。
  • 地址译码器（Address Decoder）：将地址总线输入的二进制地址转换为对应存储单元的选通信号。
  • 读写控制电路：根据 CPU 的读/写命令控制数据流向。
  • 数据寄存器（MDR）：暂存待写入或读出的数据。
  • 地址寄存器（MAR）：保存当前访问的地址。

2. 主存储器的工作流程 ​

  1. CPU 将地址送入 MAR。
  2. 地址译码器选通对应存储单元。
  3. 读写控制电路根据命令（读/写）操作数据：
    • 读操作：数据从存储单元传送到 MDR，再通过数据总线送至 CPU。
    • 写操作：数据从 CPU 经数据总线存入 MDR，再写入存储单元。

三、SRAM 与 DRAM ​

1. SRAM（Static RAM） ​

  • 结构：基于触发器（Flip-Flop），6 个晶体管构成 1 位存储单元。
  • 特点：
    • 无需刷新，存取速度快（1~10ns）。
    • 功耗高，集成度低，成本高。
  • 应用：Cache、寄存器。

2. DRAM（Dynamic RAM） ​

  • 结构：基于电容，1 个晶体管+1 个电容构成 1 位存储单元。
  • 特点：
    • 需定期刷新（每 2~64ms），速度较慢（50~100ns）。
    • 集成度高，成本低，功耗较低。
  • 应用：主存储器。
  • 刷新方式：
    • 集中刷新：固定时间停止读写，集中刷新所有行（可能引起“死时间”）。
    • 分散刷新：将刷新操作分散到正常读写周期中。
    • 异步刷新：按需刷新，结合上述两种方式。

3. SRAM 与 DRAM 对比 ​

特性SRAMDRAM
存储单元结构6 晶体管触发器1 晶体管+电容
刷新需求无需刷新需定期刷新
速度快（1~10ns）较慢（50~100ns）
集成度低高
功耗高低
成本高低
应用场景Cache、寄存器主存储器

四、只读存储器（ROM） ​

1. ROM 的类型 ​

  • MASK ROM：出厂时写入数据，不可修改。
  • PROM（Programmable ROM）：用户通过烧写器一次性写入。
  • EPROM（Erasable PROM）：紫外线擦除后重写。
  • EEPROM（Electrically EPROM）：电信号擦除，支持局部修改。
  • Flash Memory：块擦除型 EEPROM，用于 U 盘、SSD。

2. ROM 的特点 ​

  • 非易失性：断电后数据不丢失。
  • 只读性：写入后数据不可随意修改（需特殊操作）。
  • 应用：固件（BIOS）、嵌入式系统程序存储。

五、双端口 RAM 与多模块存储器 ​

1. 双端口 RAM ​

  • 结构：具有两套独立的地址线、数据线和控制线。
  • 特点：
    • 支持两个设备同时读写不同存储单元。
    • 若访问同一单元，需仲裁逻辑避免冲突。
  • 应用：多处理器系统中的共享内存。

2. 多模块存储器 ​

  • 目标：提高存储器带宽。
  • 实现方式：
    • 顺序编址：各模块按地址顺序分布，适合连续访问。
    • 交叉编址：地址低位选择模块，高位选择模块内地址。 示例：4 模块交叉编址
      • 模块号 = 地址 mod 4
      • 模块内地址 = 地址 div 4
      • 可并行访问连续地址，提升吞吐量。

六、主存储器与 CPU 的连接 ​

1. 连接要素 ​

  • 地址总线：传输地址信号（MAR 到存储器）。
  • 数据总线：双向传输数据（MDR 与存储器之间）。
  • 控制总线：传输读/写、片选、就绪等信号。

2. 典型连接设计 ​

  • 位扩展：增加数据位数（如 8 位芯片组成 32 位存储器）。
  • 字扩展：增加存储单元数量（通过译码器选择不同芯片）。
  • 字位同时扩展：结合位扩展和字扩展。

3. 示例：8 位 CPU 连接 16KB 存储器 ​

  • 芯片选择：4 片 4K×8 位芯片。
  • 地址分配：
    • 地址线 A0~A11 选择芯片内地址。
    • A12~A13 通过 2-4 译码器选择芯片。
  • 控制信号：读（RD）、写（WR）、片选（CS）。

七、磁盘存储器 ​

1. 磁盘结构 ​

  • 盘片（Platter）：表面覆盖磁性材料，双面存储。
  • 磁道（Track）：同心圆轨道。
  • 扇区（Sector）：磁道的等分区域（通常 512B~4KB）。
  • 柱面（Cylinder）：相同半径的多个盘片磁道组合。

2. 磁盘访问过程 ​

  1. 寻道时间（Seek Time）：磁头移动到目标磁道（平均 3~15ms）。
  2. 旋转延迟（Rotation Latency）：盘片旋转到目标扇区（平均半圈时间）。
  3. 数据传输时间（Transfer Time）：读取或写入数据。

3. 性能计算 ​

  • 平均访问时间 = 平均寻道时间 + 平均旋转延迟 + 数据传输时间。
  • 示例： 转速 7200 RPM → 旋转一周时间 = 60s/7200 = 8.33ms，平均旋转延迟 = 4.17ms。

八、固态硬盘（SSD） ​

1. 基本结构 ​

  • NAND 闪存：非易失性存储单元，分为 SLC、MLC、TLC、QLC（寿命依次降低）。
  • 控制器：管理读写、磨损均衡、垃圾回收。
  • DRAM 缓存：加速映射表访问（部分低端 SSD 省略）。

2. SSD 与 HDD 对比 ​

特性SSDHDD
存储介质NAND 闪存磁性盘片
读写速度快（μs 级）慢（ms 级）
抗震性强弱
功耗低较高
寿命有限（PE 次数）理论无限（机械磨损）
价格高（单位容量）低

3. SSD 关键技术 ​

  • 磨损均衡（Wear Leveling）：分散写入操作，延长寿命。
  • TRIM 命令：通知 SSD 哪些数据块可回收。
  • 垃圾回收（Garbage Collection）：合并有效数据块，释放无效块。

九、Cache 基本原理 ​

1. Cache 的作用 ​

  • 解决 CPU 与主存速度不匹配问题，减少平均访问时间。

2. 局部性原理 ​

  • 时间局部性：最近访问的数据可能再次被访问。
  • 空间局部性：访问某个地址后，其邻近地址可能被访问。

3. Cache 结构 ​

  • Cache 行（Cache Line）：数据块的基本单位（通常 64B）。
  • 标记（Tag）：标识主存数据块地址。
  • 有效位（Valid Bit）：指示该行数据是否有效。
  • 脏位（Dirty Bit）：标记数据是否被修改（用于写回策略）。

十、Cache 映射方式 ​

1. 直接映射（Direct Mapping） ​

  • 规则：主存块映射到唯一 Cache 行，行号 = 主存块号 mod Cache 行数。
  • 地址划分： [Tag][行号][块内偏移]
  • 优点：实现简单，访问速度快。
  • 缺点：冲突率高（不同主存块竞争同一 Cache 行）。

2. 全相联映射（Fully Associative） ​

  • 规则：主存块可映射到任意 Cache 行。
  • 地址划分： [Tag][块内偏移]
  • 优点：冲突率低。
  • 缺点：查找速度慢（需遍历所有行的 Tag）。

3. 组相联映射（Set Associative） ​

  • 规则：Cache 分为多个组，主存块映射到特定组内的任意行。
  • 地址划分： [Tag][组号][块内偏移]
  • 优点：平衡冲突率和查找速度（常用 2~8 路组相联）。
  • 替换算法：LRU、FIFO 等。

十一、Cache 写策略 ​

1. 写直达（Write Through） ​

  • 规则：数据同时写入 Cache 和主存。
  • 优点：保证数据一致性。
  • 缺点：写操作速度慢（需等待主存写入）。

2. 写回（Write Back） ​

  • 规则：数据仅写入 Cache，脏位标记；替换时若脏位为 1，再写回主存。
  • 优点：减少主存访问次数，提升速度。
  • 缺点：数据一致性管理复杂。

3. 写分配（Write Allocation） ​

  • 规则：写失效时，将主存块加载到 Cache 再修改。
  • 适用场景：配合写回策略。

4. 非写分配（No-Write Allocation） ​

  • 规则：写失效时，直接写入主存，不加载到 Cache。
  • 适用场景：配合写直达策略。

十二、页式存储器 ​

1. 分页机制 ​

  • 页（Page）：逻辑地址空间的固定大小块（如 4KB）。
  • 页框（Frame）：物理内存的固定大小块，与页大小相同。
  • 页表（Page Table）：记录逻辑页号到物理页框号的映射。

2. 地址转换 ​

  • 逻辑地址 = 页号 + 页内偏移。
  • 物理地址 = 页框号 × 页大小 + 页内偏移。
  • 转换过程：
    1. 根据页号查找页表获取页框号。
    2. 组合页框号和偏移得到物理地址。

3. 多级页表 ​

  • 目的：减少页表内存占用（如 x86 使用两级页表）。
  • 示例：
    • 一级页表：保存二级页表地址。
    • 二级页表：保存物理页框号。

十三、虚拟存储器 ​

1. 虚拟地址空间 ​

  • 每个进程拥有独立的虚拟地址空间（如 32 位系统为 4GB）。
  • 虚拟地址通过页表映射到物理地址或磁盘交换区。

2. 按需分页（Demand Paging） ​

  • 原理：仅加载进程当前需要的页到内存，其余页保留在磁盘。
  • 缺页中断（Page Fault）：访问未加载的页时触发，由操作系统处理。

3. 页面置换算法 ​

  • 最佳置换（OPT）：淘汰未来最长时间不被访问的页（理论最优，不可实现）。
  • 先进先出（FIFO）：淘汰最早进入的页（可能产生 Belady 异常）。
  • 最近最少使用（LRU）：淘汰最久未被访问的页（近似 OPT，需硬件支持）。
  • 时钟算法（Clock）：近似 LRU，通过引用位轮询淘汰页面。

4. 虚拟存储器的优点 ​

  • 内存扩展：支持运行大于物理内存的程序。
  • 进程隔离：每个进程拥有独立地址空间。
  • 共享内存：不同进程可映射到同一物理页（如库代码共享）。

十四、总结图表 ​

存储系统层次结构 ​

寄存器 → Cache → 主存 → 磁盘 → SSD → 网络存储
（速度递减，容量递增）

Cache 映射方式对比 ​

映射方式冲突率查找复杂度硬件成本
直接映射高O(1)低
组相联映射中O(n)中
全相联映射低O(N)高

十五、扩展思考 ​

  • TLB（Translation Lookaside Buffer）：加速虚拟地址到物理地址转换的专用缓存。
  • NUMA 架构：非均匀内存访问，多处理器系统中内存分布优化。
  • RAID 技术：磁盘阵列提升数据可靠性和性能。

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