存储系统

存储系统思维导图：包含存储器概述，按存取方式分类，按信息的可改写性分类，按信息的可保存性分类，按功能和存取速度分类等等

存储系统

• 存储器概述
  • 存储器的分类
    • 按存储介质分类
      • 半导体存储器（以半导体为存储介质）
        • Cache
        • 主存
      • 磁存储器（以磁性材料为存储介质）
        • 磁盘
        • 磁带
        • 磁芯
      • 光存储器（光材料为存储介质）
        • 光盘
    • 按存取方式分类
      • 随机存储器（RAM）
        • 存取访问时间与存储单元的位置无关
      • 顺序存储器（ROM）
        • 访问的速度与存储单元的位置有关
      • 直接存储器（DAM）
        • 先直接选取区域，再通过顺序存取
    • 按信息的可改写性分类
      • 读写存储器（Read/Write Memory）
        • 既可以读，又可以写
      • 只读存储器（ROM）
        • 电脑的BIOS通常写在ROM中，然后集成在主板上
        • 只能读，不能写
    • 按信息的可保存性分类
      • 断电后信息是否丢失
        • 易失性存储器
          • 主存，Cache
        • 非易失性存储器
          • 磁盘，光盘
      • 信息读出后是否被破坏
        • 破坏性读出存储器
          • DRAM，读出后要进行重写操作
        • 非破坏性读出存储器
          • SRAM，磁盘，光盘
    • 按功能和存取速度分类
      • 高速缓冲存储器（Cache）
      • 主存储器
      • 辅存储器
  • 存储器的性能指标
    • 存储容量
      • 位表示法
        • 存储单元总数x存储字位数
          • 1k x 4位表示该芯片有1k个单元，每个单元有4个二进制位
      • 字节表示法
        • 以存储器中的单元总数表示
          • 128B表示有128个单元
    • 存取速度
      • 数据传输率=数据的宽度/存储周期
        • 存储时间Ta:分为读出时间和写入时间，要么读出，要么写入
        • 存储周期Tm:连续启动两次访问操作之间的最短时间间隔
        • 主存带宽Bm:指每秒从主存进出信息的最大数量
  • 存储器的层次化结构
    • 为了解决大容量，高速度，低成本相互制约的矛盾
  • 主存中数据的数据的存放
    • 存储字长：主存的一个存储单元所存储的二进制位数
    • 数据字长（字长）：计算机一次能处理的二进制数的位数
    • 大端：低字节地址单元存放的是数据的最高字节
    • 小端：低字节地址单元存放的是数据的最低字节
• 半导体存储器
  • 静态MOS储存器（SRAM）
    • 静态存储单元
      • 具有两种稳定状态
      • 两种稳定状态经外部信号控制相互转换
      • 经控制后能读出其中的信息
      • 无外部原因，其中的信息能长保存
    • 存储单元扩展
      • 将存储器的位线并联在一起，且各自连接不同的行选通地址，就得到一个存储单元
        • 存储单元扩展，译码结构
    • 存储器
      • 由存储体，地址译码电路，I/O电路和控制电路组成
  • 动态MOS存储器（DRAM）
    • 存储元电路中的栅极电容上的电荷来存储信息，电容电荷易失，需要刷新
    • 大容量主存系统
    • 集成度高、价位低、容量大、功耗低
    • 刷新
      • 刷新周期
        • 2ms
      • 死时间
      • 刷新方法
        • 集中刷新
          • 存在死区
        • 分散刷新
          • 不存在“死区”
        • 异步刷新
          • 效率高，更常用
    • 地址复用
      • 地址线减半
      • 片选线翻倍
• 主存的组织及与CPU的连接
  • 位扩展
    • 地址线，数据线，读写线并联
    • 片选译码
    • 可以同时不工作
  • 字扩展
    • 地址线，片选线，读写线并联
    • 数据段分别引出
    • 同时工作有效
  • 字位同时扩展
    • 组间字扩展，组内位扩展
• 并行主存系统
  • 双端口存储器
    • 同一个存储器具有相互独立的端口
    • 并行读写
    • 冲突处理
      • 设置一个^BUSY
  • 单体多字存储器
    • 联动模式
    • 非联动模式
  • 多体交叉存储器
    • 高位多体交叉（顺序编址模式）
      • 相邻地址在同一存储体内
      • 不同存储体中的地址不相邻
    • 地位交叉方式（交叉编址模式）
      • 流水线方式存取
      • 相邻的地址处在不同的存储体中
      • 同一存储体中的地址不相邻
• 高速缓冲存储器
  • Cache的工作原理
    • 在处理器附近放一个隐藏的小容量的SRAM
    • 将进程访问的热数据的副本放在Cache中
    • Cache与主存均分为固定大小的数据块，以块为单位交换数据
  • 程序的局部性原理
    • 时间局部性
      • 某内存区域该被访问，改区域很可能会被重复访问
    • 空间局部性
      • 某内存区域该被访问，其相邻区域有可能被访问
  • 基本概念
    • 命中（hit）
      • CPU访问的数据在cache上
    • 缺失（miss）
      • CPU访问的数据不在在cache上
    • 块（block）
      • cache与主存交换数据最小单位
    • 行/槽（Line/）
      • 标记，标志位，数据块容器
    • 命中率（h）
      • 主存访问中cache命中的比例
    • 缺失率
      • 1-h
    • 命中访问时间
      • 数据查找时间，cache访问时间，总线传输时间
    • 缺失损失
      • 数据缺失时的访问的时间
    • 地址格式
  • 映射
    • 全相联映射
      • 任意位置
    • 直接相联映射
      • 固定位置（mod）
    • 组相联映射
      • 组间直接相联，组内全相联
  • 替换
    • 先进先出（FIFO）
    • 随机替换算法
    • 最不经常使用算法
    • 近期最少使用算法
  • 写
    • 写回法
    • 写穿法
• 虚拟存储器
  • 目的
    • 解决主存不足
  • 分类
    • 页式虚拟存储器（重点）
      • 固定块，物理结构划分，内部碎片
    • *段式虚拟存储器
      • 块大小不定，逻辑结构划分，外部碎片
    • *段页式虚拟存储器
      • 分段+分页，内部碎片
  • 组成
    • 页表机制
      • 查表
    • 中断机制
      • 缺页中断
    • 地址变换机构
      • 逻辑地址变物理地址
    • 内存和外存
      • 硬件支持
  • 地址翻译
    • TLB->页表（TLB不命中）->cache->主存->外存
  • 基本缩写
    • VA（虚拟地址）
    • （PA）物理地址
    • PTE（页表项）