《微机原理》-存储系统

《微机原理》系列，介绍计算机存储系统基本结构，缓存读写策略等。包括：存储器结构、存储器扩展内存、Cache高速缓存。 整活！让知识自己说话~~

存储系统

• 存储器结构
  • • 分类
      • 按结构 读写速度高→低 容量小→大
        • Cache
          • SRAM
        • 主存Main Memory（内存）
          • DRAM
        • 外存
          • Flash/Disk
      • 按存储介质
        • 半导体
        • 磁介质
        • 光介质
      • 按读写方式
        • 
        • RAM随机存储器
          • 静态SRAM
          • 动态DRAM
            • 数据输出前必须激活
        • ROM只读存储器
          • ROM
          • PROM
          • EPROM可擦除可编程ROM
          • EEPROM电可擦除可编程ROM
        • Flash闪存
      • 按读写速率
        • SDR
        • DDR
        • QDR
• 存储器扩展
  • 存储器封装
    • 地址线
    • 控制线
    • 片选线
    • 数据线
  • 设计需考虑
    • 物理地址空间映射
      • 一对一整体映射
      • 一对多整体映射
      • 一对一随机映射
      • 一对多随机映射
    • 数据位宽匹配
      • 扩展
        • 位扩展
          • 存储器“并联”
          • 地址线、片选线、控制线并联， 数据线分别连接不同的数据总线
        • 字扩展
          • 存储器“串联”
          • 地址线、数据线、控制线并联 片选线连接不同的信号
      • 复用
        • 参考接口技术 接口复用
    • 操作时序匹配
  • 细节问题
    • 访问数据边界对齐
    • 字节使能信号
      • 64位机，一行八个字节，就需要八个使能信号 信号由地址的后三位提供
      • 访问一位，就全译码 访问两位，A0不议 访问四位，A1A0不议
    • 内存条里各个芯片之间地址可能不连续
• 内存
  • 内存的虚拟存储技术
    • 多任务并行，实际内存容量不够
      • 于是把外存的一部分空间当作内存使用
    • CPU访问程序过程
      • 查看程序是否在内存
        • 没有则从外存虚拟分区调入到内存， 刷新数据
          • 一次读的慢，读得多
        • 内存数据进入缓存
          • 一次读的快，读的少
  • 存储空间
    • 虚拟地址空间
      • 访存指令给出的空间范围 如，32位机---8GB
      • 软件层面，虚的
    • 物理地址空间
      • 地址总线指示的地址
      • 硬件层面，实的
        • 内存
        • 外存的虚拟存储分区
    • 关系
      • 查页表
        • V=1,在内存中
          • 直接运行
        • V=0,在外存的虚拟部分
          • 生成访问异常
          • 操作系统数据装入内存 并由MMU更新映射表表
            • 存储管理单元
    • 由虚查实
      • 两种分区方式
        • 分段
          • 多个程序，首地址对齐连续存放
            • 需记录段地址，由操作系统进行装载
            • 工作模式 (段地址保存位置)
              • 专用寄存器保存---实模式
              • 内存存储区保存---保护模式
                • 在内存中的操作符表记录段地址， 由操作系统维护
                  • 段描述符
                    • 总共八个字节
                    • 界限是20位的数据
                    • 段的大小可以规定
                      • G为0
                      • G为1
                • 在段描述符表中 找我要的段描述符
                  • 找符表的基地址 两种情况
                    • 全局描述符寄存器存全局描述符表首地址
                  • 段寄存器 高13位描述第几项 TI段选择子，RPL权限
              • 局限
                • 段比较大时，调度时间长
                • 段地址对齐。产生未利用的空余空间
        • 分页
          • 映射关系
            • 由于是随机映射，需要记录映射关系，页表
            • 虚拟地址是连续编址，作为页表索引， 物理地址，作为页表的内容
              • 页表存放在内存中，由程序维护 页表首地址存放在页表地址寄存器
              • 举例：32位机，1GB物理内存，设定4KB/页 虚拟页有2^20=1M页，也就是页表项 物理页有2^18，物理页号18位，一律按四字节32位存储 一行4B，找到物理页放在哪里？页起始地址+虚拟页号<<2
              • 二级页表，条件同上，1K页做一组 页目录和页表都在内存里，按32位地址寻址
        • 段页式
      • 缓存里 TLB表
        • 在缓存里 存页表 查的快
          • 用于提高虚拟地址到物理地址的转换速度
• Cache高速缓存
  • 基本概念
    • Cache
      • 是CPU内部存储器，存放近期需要运行的指令和程序， 以提高CPU对主存的访问速度
    • 命中Hit
      • 非命中Miss
        • 不在
        • 未命中的替换策略
          • 随即替换
          • 先入先出
          • 最近最少使用
      • • nc/b是几次填满一行
    • 提高高速缓存性能
      • 程序
        • 存在大量循环
        • 时间局部性
          • 过一会还来
        • 空间局部性
          • 我就在隔壁
  • 映像关系
    • 缓与内存
    • 直接映像
      • 分页（区）后， 同行对同行
      • 缓存控制器，给出访问内存的第几页、哪一行、偏移多少 如左上角所示 在缓存中，标志位指示第几块，有效位指示有没有，一行还有数据 同行对同行，不需要存行号信息
        • 当访问每个块同行时，命中率非常低 需改善
        • 比较控制器，只有一个
    • 全相联
      • 随机
      • 缓存控制器，传递cpu要的东西，第几行、偏移多少 缓存中，标志位确定拿到内存的行号，有效位指示有没有，一行还有数据
        • 缓存中所有行都要比较一次， 比较控制器是行数个
    • 组相联
      • • 比较控制器，只有路数个
    • 概要
      • 关系