计算机组成原理第三章存储系统

一块硬盘含有若干个记录面，每个记录面划分为若干条磁道，而每条磁道又划分为若干个扇区，扇区（也称块）是磁盘读写的最小单位，也就是说磁盘按块存取。

第三章 存储系统 计算机组成原理 王道考研系列

• 存储系统基本概念
  • 存储器的层次结构
    • • 主存——辅存：实现了虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题
      • Cache——主存：解决了主存与CPU速度不匹配的问题
  • 存储器的分类
    • 按层次
      • 高速缓存（Cache）
      • 主存储器（主存，内存）
      • 辅助存储器（辅存，外存）
      • 可直接被CPU读写
    • 按存储介质
      • 半导体存储器（Cache，主存）
      • 磁表面存储器（磁带，磁盘）
      • 光存储器（光盘）
    • 按存取方式
      • 随机存取存储器（RAM）
      • 顺序存取存储器（SAM）
      • 直接存取存储器（DAM）
      • 相联存储器（CAM）
      • 串行访问存储器：读写某个存储单元所需时间与存储单元的物理位置有关
    • 按信息的可更改性
      • 读写存储器（磁盘，内存，Cache）
      • 只读存储器（CD-ROM，BIOS）
    • 按信息的可保存性
      • 易失性存储器（主存，Cache）
      • 非易失性存储器（磁盘，光盘）
    • 按读出后存储信息被破坏
      • 破坏性读出（DRAM芯片）
      • 非破坏性读出（SRAM芯片）
  • 存储器的性能指标
    • 存储容量：存储字数×存储字长
      • MDR位数反映存储字长
    • 单位成本：每位价格=总成本/总容量
    • 存储速度：数据传输率（主存带宽）=数据的宽度/存储周期
      • 数据的宽度即存储字长
    • 存储周期
      • 存储周期=存取时间+恢复时间
• 主存储器的基本组成
  • 半导体元件的原理
    • MOS管，作为通电“开关”
    • 电容，存储电荷(即存储二进制0/1)
  • 存储芯片的基本原理
    • 译码驱动电路
      • 译码器将地址信号转化为字选通线的高低电平
    • 存储矩阵(存储体)
      • 由多个存储单元构成，每个存储单元又由多个存储元构成
    • 读写电路
      • 每次读/写一个存储字
    • 由多个存储单元构成，每个存储单元又由多个存储元构成
    • 地址线，数据线，片选线，读写控制线；每根线都会对应一个金属引脚
  • 如何实现不同的寻址方式
    • 现代计算机通常按字节编址(每个字节)，即每个字节对应一个地址
    • 按字节寻址、按字寻址、按半字寻址、按双字寻址
• SRAM和DRAM
  • 存储元件不同导致的特性差异
  • DRAM的刷新
    • 多久刷新一次？
      • 2ms
    • 每次刷新多少存储单元？
      • 以行为单位，每次刷新一行存储单元
    • 为什么要用行列地址？
      • 减少选通线的数量
    • 如何刷新？
      • 有硬件支持，读出一行的信息后重新写入，占用1个读/写周期
    • 在什么时刻刷新？
      • 假设DRAM内部结构排列成128×128的形式，读/写周期0.5us
      • 分散刷新
      • 集中刷新
        • 死区
      • 异步刷新
        • 死时间
        • 可在译码阶段进行刷新
    • “刷新”由存储器独立完成，不需要CPU控制
  • DRAM的地址线复用技术
    • 拆分为行列地址（DRAM行、列地址等长）
    • 导致地址线，地址引脚减半
  • 现在的主存通常采用SDRAM芯片
• ROM
  • MROM
    • 掩模式只读存储器
    • 写入信息后，任何人不可重写（只能读出）
    • 可靠性高，灵活性差，生产周期长，只适合批量定制
  • PROM
    • 可编程只读存储器
    • 用专门的设备写入信息一次后就不可更改
  • EPROM
    • 可擦除可编程只读存储器
    • 修改次数有限，写入时间很长
    • 用某种方法擦除数据，可进行多次重写
      • UVEPROM
        • 用紫外线照射8-20分钟，擦除所有信息
      • EEPROM
        • 可用“电擦除”的方式，擦除特定的字
  • 闪存
    • Flash Memory（U盘，SD卡）
    • 断电后也能保存信息，可进行多次快速擦除重写
    • 由于闪存需要先擦除再写入，因此闪存写的速度要比读速度更慢
    • 每个存储元只需单个MOS管，位密度比RAM高
  • SSD
    • 固态硬盘
    • 可进行多次快速擦除重写
    • SSD速度快，功耗低，价格高
    • 个人电脑常用SSD取代传统的机械硬盘
    • 手机辅存也使用Flash芯片，但相比SSD使用的芯片集成度高，功耗低，价格贵
  • 计算机内的重要的ROM
    • BIOS芯片（ROM），存储了“自举装入芯片”，负责引导装入操作系统（开机）
    • 逻辑上，主存由RAM+ROM组成，且两者统一编址
  • 一些考点
    • 很多ROM是可以写的
    • RAM芯片是易失性的，ROM芯片是非易失性的
    • 很多ROM也具有“随机存取”的特性
• 主存储器与CPU的连接
  • 存储器芯片的基本结构
    • 译码驱动电路
    • 存储矩阵
    • 读写电路
    • 地址线，数据线，片选线，读写控制线
  • 单块存储芯片与CPU的连接
  • 多块存储芯片与CPU的连接
    • 位扩展法（数据总线宽度>存储芯片字长）
    • 字扩展法（扩展主存字数）
      • 线选法
      • 片选法
    • 字位扩展法
  • 关于译码器知识的补充
• 提升主存速度
  • 存取周期
    • 可以连续读/写的最短时间间隔
    • DRAM芯片的恢复时间比较长，有可能是存取时间的几倍
    • SRAM的恢复时间较短
  • 双口RAM
    • 作用：优化多核CPU访问一根内存条的速度
    • 需要有两组完全独立的数据线，地址线，控制线。CPU，RAM中也要有更复杂的控制电路。
    • 两个端口对同一主存操作有以下4种情况
      • 1.两个端口同时对不同的地址单元存取数据
      • 2.两个端口同时对同一地址单元读出数据
      • 3.两个端口同时对同一地址单元写入数据
        • 写入错误
      • 4.两个端口同时对同一地址单元，一个写入数据，一个读出数据
        • 读出错误
      • 解决方法：置“忙”信号为0，由判断逻辑决定暂时关闭一个端口（即被延时），未被关闭的端口正常访问，被关闭的端口延长一个很短的时间段后再访问。
        • 对比操作系统“读者-写者问题”
  • 多模块存储器
    • 单体多字存储器
    • 多体并行存储器
      • 假设每个存储体存取周期为T，存取时间为r，假设T=4r
      • 高位交叉编址
        • 用更高的几位判断进入哪块存储体
        • • 连续取n个存储字，耗时nT
      • 低位交叉编址
        • 用更低的几位判断进入哪块存储体
        • • 连续取n个存储字，耗时T+(n-1)r
      • 应该取几个“体”？
        • 采用“流水线”的方式并行存取（宏观上并行，微观上串行）
        • 存取周期为T，存取时间为r，为了使流水线不间断，应保证模块数m≥T/r
        • 存取周期为T，总线传输周期为r，为了使流水线不间断，应保证模块数m≥T/r
        • 给定一个地址x，如何确定它属于第几个存储体？
          • 根据体号判断
          • 用x对m取余
      • 每个模块都有相同的容量和存取速度
      • 各模块都有独立的读写控制电路，地址寄存器和数据寄存器，他们既能并行工作，又能交叉工作。
• 外部存储器
  • 计算机的外存储器又称为辅助存储器，目前主要使用磁表面存储器
  • 磁盘存储器
    • Key：磁盘存取时间的计算
    • 优点
      • 存储容量大，位价格低
      • 记录介质可以重复使用
      • 记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档
      • 非破坏性读出，读出时不需要再生
    • 缺点
      • 存取速度慢
      • 机械结构复杂
      • 对工作环境要求较高
    • 组成
      • 存储区域
        • 一块硬盘含有若干个记录面，每个记录面划分为若干条磁道，而每条磁道又划分为若干个扇区，扇区（也称块）是磁盘读写的最小单位，也就是说磁盘按块存取。
        • 磁头数
          • 即记录面数，表示硬盘总共有多少个磁头，磁头用于读取/写入盘片上记录面的信息,一个记录面对应一个磁头。
        • 柱面数
          • 表示硬盘每一面盘片上有多少条磁道。在一个盘组中，不同记录面的相同编号(位置)的诸磁道构成一个圆柱面。
        • 扇区数
          • 表示一条磁道上有多少个扇区
      • 磁盘存储器
        • 磁盘驱动器
          • 核心部件是磁头组件和盘片组件
        • 磁盘控制器
          • 是硬盘存储器和主机的接口
    • 性能指标
      • 磁盘的容量
        • 一个磁盘所能存储的字节总数
        • 非格式化容量
          • 磁记录表面可以利用的磁化单元总数
        • 格式化容量
          • 按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量
      • 记录密度
        • 盘片单位面积上记录的二进制的信息量
        • 道密度
          • 沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数
        • 位密度
          • 磁道单位长度上能记录的二进制代码位数
        • 面密度
          • 位密度和道密度的乘积
        • 磁盘所有磁道记录的信息量一定是相等的，并不是圆越大信息越多，故每个磁道的位密度都不同
        • 越内侧的磁道位密度越大
      • 平均存取时间
        • 寻道时间（磁盘移动到目的磁道）+
        • 有的题还会加磁盘控制器延迟
      • 数据传输率
        • 单位时间内向主机传送数据的字节数
        • 设磁盘转数为r（转/秒），每条磁道容量为N个字节，则数据传输率为D=Nr
    • 磁盘地址
      • 驱动器号+柱面（磁道）号+盘面号+扇区号
    • 磁盘的工作过程
      • 寻址
      • 读盘
      • 写盘
    • 磁盘阵列
      • RAID0
        • 逻辑上相邻的两个扇区在物理上存到两个磁盘
        • 无冗余和无校验的磁盘阵列
        • 没有容错能力
      • RAID1
        • 镜像磁盘阵列
        • 存两份数据
        • 有容错能力，但容量减少一半
      • RAID2
        • 采用纠错码的海明码的磁盘阵列
        • 逻辑上连续的几个bit物理上分散存储在各个盘中
      • RAID3
      • RAID4
      • RAID5
  • 固态硬盘（SSD）
    • 原理
      • 基于闪存技术Flash Memory，属于电可擦除ROM，即EEPROM
    • 组成
      • 闪存翻译层
        • 负责翻译逻辑块号，找到对应页（Page）
      • 存储介质：多个闪存芯片（Flash Chip）
        • 每个芯片包含多个块（block）
          • 每个块包含多个页（page）
    • 读写性能特性
      • 以页（page）为单位读/写
        • 相当于磁盘的“扇区”
      • 以块（block）为单位“擦除”，擦干净的块，其中的每页都可以写一次，读无限次
      • 支持随机访问，系统给定一个逻辑地址，闪存翻译层可通过电路迅速定位到对应的物理地址
      • 读快，写慢。要写的也如果有数据，则不能写入，需要将块内其他页全部复制到一个新的（擦除过的）块中，再写入新的页
    • 与机械硬盘相比的特点
      • SSD读写速度快，随机访问性能高，用电路控制访问位置；机械硬盘通过移动磁臂旋转磁盘控制读写位置，有寻道时间和旋转延迟
      • SSD安静无噪音，耐摔抗震，能耗低，造假更贵
      • SSD的一个“块”被擦除次数过多（重复读同一个块）可能会坏掉，而机械硬盘的扇区不会因为写的次数太多而坏掉
    • 磨损均衡技术
      • 思想：将“擦除”平均分布在各个块上，以提升使用寿命
      • 动态磨损均衡
        • 写入数据时，优先选择累计擦除次数少的新闪存块
      • 静态磨损次数
        • SSD监测并自动进行数据分配，迁移，让老旧的闪存快承担以读写为主的储存任务，让较新的闪存块承担更多的写任务
• Cache
  • 基本概念和原理
    • 存储系统存在的问题
      • 双端口RAM、多模块存储器提高存储器的工作速度
      • 优化后速度与CPU差距依然很大
      • 所以就有了Cache（高速缓冲存储器）
    • Cache的工作原理
      • 实际上，Cache 被集成在CPU内部，Cache用SRAM实现，速度快，成本高
      • 局部性原理
        • 空间局部性
          • 在最近的未来要用到的信息(指令和数据)，很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是邻近的
          • Eg：数组元素、顺序执行的指令代码
        • 时间局部性
          • 在最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息
          • Eg：循环结构的指令代码
      • 基于局部性原理，不难想到，可以把CPU目前访问的地址“周围”的部分数据放到Cache中
    • 性能分析
    • 其他概念
      • 主存与Cache之间以“块”为单位进行数据交换
      • 主存的“块”又叫“页/页框/页面”；Cache的“块”又叫“行”
      • 主存地址可拆分为（主存块号，块内地址）的形式
    • 有待解决的问题
      • 如何区分 Cache 与 主存 的数据块对应关系？ ——Cache和主存的映射方式
      • Cache 很小，主存很大。如果Cache满了怎么办？ ——替换算法
      • CPU修改了Cache中的数据副本，如何确保主存中数据母本的一致性？ ——Cache写策略
  • Cache和主存的映射方式
    • Cache中存储的信息
      • 有效位(0/1)+标记＋整块数据
      • 其中“标记"用于指明对应的内存块，不同映射方式，“标记"的位数不同
    • 全相联映射
      • 主存块可以放在Cache的任意位置
      • 主存地址结构：标记（整个主存块号）+块内地址
      • 优点：Cache存储空间利用充分，命中率高
    • 直接映射
      • 每个主存块只能放到一个特定的位置：Cahce块号=主存块号%Cache总块数
      • 主存地址结构：标记（主存块号前几位）+行号（主存块号末几位）+块内地址
      • 优点：对于任意一个地址，只需对比一个“标记”，速度最快
      • 若Cache总块数=2，则主存块号末尾n位直接反映它在Cache中的位置
    • 组相联映射
      • Cache块分为若干组，每个主存块可放到特定分组中的任意一个位置，组号=主存块号%分组数
      • 主存地址结构：标记（主存块号前几位）+组号（主存块号末几位）+块内地址
      • 优点：另外两种方式的折中，综合效果最好
      • n路组相联映射——n个Cache行为一组
  • Cache替换
    • 替换情况
      • 全相联映射
        • Cache完全满了才需要替换，需要在全局选择替换那一块
      • 直接映射
        • 如果对应位置非空，则毫无选择地直接替换
      • 组相联映射
        • 分组内满了才需要替换，需要在分组内选择替换哪一块
    • Cache替换算法
      • 抖动现象：频繁的换入换出现象（刚被替换的块很快又被调入）
      • 随机算法（RAND）
        • 若Cache已满，则随机选择一块替换
        • 实现简单，但完全没考虑局部性原理，命中率低，实际效果很不稳定
      • 先进先出算法（FIFO）
        • 若Cache已满，则替换最先被调入Cache的块
        • 实现简单，最开始按照#0#1#2#3放入Cache，之后轮流替换#0#1#2#3
        • FIFO依然没考虑局部性原理，最先被调入Cache的块也可能是被频繁访问的
      • 近期最少使用（LRU）
        • 为每一个Cache块设置一个“计数器”，用于记录每个Cache块已经有多久没有被访问了。当Cache满后替换“计数器”最大的
        • 计数器变化逻辑
          • 命中时，所命中的行的计数器清零，比其低的计数器加1，其余不变
          • 未命中且还有空闲行时，新装入的行的计数器设为0，其余非空闲行全加1
          • 未命中且无空闲行时，计数值最大的行的信息块被淘汰，新装行的块的计数器置0，其余全加1
        • LRU基于“局部性原理”，近期被访问过的主存块，在不久的将来也很有可能被再次访问，因此淘汰最久没被访问过的块是合理的。
        • 若被频繁访问的主存块数量>Cache行的数量，则有可能发生“抖动”
      • 最近不经常使用（LFU）
        • 为每一个Cache块设置一个“计数器”，用于记录每个Cache块被访问过几次。当Cache满后替换“计数器”最小的
        • 新调入的块计数器=0，之后每访问一次计数器+1.需要替换时，选择计数器最小的那行
        • 若有多个计数器最小的行，可按行号递增或FIFO策略进行选择
        • 曾经被经常访问的主存块在未来不一定会用到，并没有很好的遵循局部性原理，因此实际运行效果不如LRU
  • Cache写策略
    • 写命中
      • 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”：SRAM实现的FIFO队列
        • 访存次数增加，速度变慢，但更能保证数据一致性
        • 使用写缓冲，CPU写的速度很快，若写操作不频繁，则效果很好。若写操作很频繁，可能会因为写缓冲饱和而发生阻塞
      • 写回法
        • 当CPU对Cache写命中时，只修改Cache的内容，而不立即写入主存，只有当此块被换出时才写回主存
        • 减少了访存次数，但存在数据不一致的隐患
    • 写不命中
      • 写分配法
        • 当CPU对Cache写不命中时，把主存中的块调入Cache，在Cache中修改，搭配写回法使用
      • 非写分配法
        • 当CPU对Cache写不命中时只写入主存，不调入Cache，搭配全写法使用
    • 多级Cache
      • 现代计算机常采用多级Cache
        • 离CPU越近的速度越快，容量越小
        • 离CPU越远的速度越快，容量越大
      • 各级Cache间常采用“全写法+非写分配法”
      • Cache和主存之间常采用“写回法+写分配法”