第四章]存储系统

存储器概述

• 概念
• 记忆元件（位）
• 具有两种稳定状态的物理原件
• 存储单元（字）
• 多个位构成一个存储单元
• 为区别存储单元，每个存储单元有一个地址
• 最少一个字节
• 地址线的位数是2^（存储单元个数）
• 存储体/存储阵列
• 所有存储单元
• 存储单元个数*存储单元字长
• 存储器访问方式
• 给出地址
• 选中存储字
• 读/写
• 编址方式
• 按字节编址
• 按字编址
• 半字寻址
• 双字节寻址

存储器分类

• 按存取方式分类
• 顺序存取
• 随机存取
• 直接存取
• 先随机指向一个区域再顺序查找
• 相联存数器

• 按介质分类
• 半导体存储器
• 磁存储器
• 激光存储器

• 读写方式分类
• 只读(ROM)
• 读写
• 随机存储器（RAM)
• BIOS：开机自检

• 信息的可保存性分类
• 易失存储器
• 断电丢失（RAM
• 非易矢存储器
• ROM

存储系统主要技术指标

• 存储时间
• 接收命令到读/写完的时间

• 存储周期
• 连续两次读写时间（包括等待休息的时间）
• 读写+恢复

• 存储带宽
• Byte

• 存储容量/速度/成本

• 存储器分层结构
• 寄存器 （与CPU直接连接）
• 主存（与CPU直接连接）（只有这俩）

内存是易失的

• 磁盘光盘等外存（辅存）

外存不易失

• 主存
• 外存

• 内存/外存区别
• CPU能直接访问的叫内存
• 不能叫外存

• 二级存储系统

• 三级存储系统
• 为了提高CPU访问存储器的速度引入cache（高速缓冲存储器）
• 缓存在CPU里面
• 主存
• 外存

• 存储系统的两个层次
• 目的：容量
• 主存—辅存
• 目的：速度
• 缓存—主存
• CPU—缓存—主存—辅存
• 数据在相邻两级间复制
• 一般以定字长的块作为最小单位

主存储器

• 地址译码器

• 字线

• 驱动器：增强带负载能力

• 地址寄存器MAR

• 数据寄存器MDR

• 两种常见的译码驱动方式
• 线选法
• 字选择
• 双译码法
• x/y向
• 几片选几位

• 静态存储器芯片结构
• 控制电路
• RD
• WR读写
• CS片选

• 主存储器基本特征
• 半导体MOS存储器组成
• 存储单元/地址

• 按字节编址
• 地址放在第一个字节里
• 数据的存储和排列
• 大端方式
• 低位放最高有效位
• 按顺序列出，地址小的放高位字符串，一次放两个字符
• 小端方式
• 低位放最低有效位
• 按顺序列出，地址小的放低位字符串，一次放两个字符
• 11223344

• 字的边界对齐
• 降低读写周期

半导体存储器

• 随机存储器
• SRAM/DRAM

• 六管SRAM读/非读非写/写操作
• 数字逻辑
• 接地为0（即使有一边给1）
• 用双稳态来存0和1
• 易失存储
• 管多，存储密度低，功耗大，成本高

• 三维存储体结构
• 4k*4

• 2114芯片SRAM
• VCC电源
• GND地
• A地址线→存储单元个数
• IO数据线→存储字长
• CS片选
• WE读写

• 单管DRAM存储器
• 通过电容放电实现读
• 刷新
• 定期补充电荷，防止电荷泄露信息丢失
• 刷新周期
• 两次刷新时间间隔
• 按行刷新
• 刷新方式
• cpu与刷新控制器征用问题
• 集中刷新有死区
• 分散刷新
• 异步刷新
• 2ms/128是能保证信息不丢失的最大时间

• 2116DRAM
• 16k*1
• 7个地址，14个地址线
• -WE
• -CAS通过时钟发生器控制列地址锁存器
• -RAS通过时钟发生器控制行地址锁存器
• V BB
• V SS
• V DD
• V CC 1
• D in输入
• D out输出

• ROM只读存储器

• 掩膜ROM只读不写

• 熔丝式ROM（PROM）可读，只写一次

• EPROM
• EPROM
• 紫外线全部擦除
• 高压写入
• EEPROM
• 电可擦除
• 闪存
• MRAM
• TMR（隧道型磁电阻）磁性单元存储
• 无限刷新，高容量，高速度，高价格

• 主储存器与CPU连接
• MREQ#接片选CS
• R/W#接读写W/E

• 字长扩展
• CS，WE都同时选（并行）
• 扩展数据线
• 1K*4→1K*8

• 字数扩展
• CS不同时选（串行）WE同时选
• 多出来的地址线当片选信号（用译码器）
• 扩展地址线
• 1K*8→2K*8

• 计算
• 存储容量范围求数据线和地址线（双向）
• 1111是2^4范围
• 6000～FFFF
• 15-6+1

• 高速主存储器
• 提高Cache
• 高速RAM

• 双端口存储器

• 多模块存储器
• 单体多字
• 多体单字
• 多模块交叉存储器
• 高位（顺序
• 低位（交叉

高速缓冲存储器

• 小容量的SRAM

• 数据局部性
• 空间局部性 预读处理（空间相邻
• 时间局部性 淘汰算法（反复读取相同

• Cache被分为槽，主存被分为块，块的长度称为块长或Cache 行长。

• Cache内容是主存的映象

• 读取
• CPU读取Cache和主存一次读一个字
• Cache读主存一个字块或者CPU读过的字所属的字块
• 命中/缺失

• Cache关键技术
• 数据查找
• Cache查找表
• 地址映射
• 地址格式
• 主存数格式+块内地址
• 主存与Cache
• Cache内不止存数据
• 传送单位是块
• 直接相联映射
• 主存按Cache的容量分区，一个cache一个区
• 每个区和Cache大小相等，映射位置固定
• 主存：区号 行索引 块内
• Cache：行索引表示Cache中的第几个，有效位+区号+数据块副本（主存去掉块内）
• 根据行索引放Cache的位置
• Cache内存区号就行了
• 主存长度除以块长即块数，同样，cache里也分为同样“块长”的大小的槽
• 关联度为1
• 全相联映射
• 直接相邻主存可放任意槽
• 主存：块地址+块内
• Cache：有效位+主存地址位+数据块副本（数据）
• Cache的块标记是主存的块号
• n路并行比较器来检测是否命中
• 组相联映射
• 按高速缓存的组数分区
• cache中按路分组，每组路数就是几路
• 主存：区号+组号+块内
• Cache：组号代表在Cache的位置，有效位+区号+数据库副本
• 几路Cache里就有几个选
• 计数器的位数取决于关联度
• 大容量才用直接相联映射
• 替换算法
• 先进先出（FIFO）
• 最不经常使用（LFU）
• 近期最少使用（LRU）
• 随机替换
• 写入策略
• 写穿操作
写Cache同时写主存
• 写回操作
缺失标记才写回。多一个位（dirty）
• 写分配
放到Cache再用写回/写穿
• 写不分配
直接改主存
• 写直达中的写缓冲
• 在CPU和主存加一个缓冲器
• 高频访问不行
• 命中
• 命中率
h=Nc/(Nc+Nm)
• 命中时间
ta = htc + (1-h)tm
• 访问效率
tc/ta
• 缺失率
• Cache容量大命中率高
• 块容量不是越大越好

外部存储

磁纪录

• 磁方向表示0/1

• 写入
电生磁

• 读
磁生电

磁盘数据

• 盘片，有两面

• 磁道

• 扇区
扇区是最小的单位

• 读写头
有几个面就有几个读写头

• 格式化
重新划分扇区

• 磁盘 盘片 柱面 扇区

• 位密度

• 道密度

• 数据传输率
Byte/s
• 转速，存储速率有关
• 位密度M

• T =平均找道时间+平均等待时间