存儲(chǔ)器

隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器

RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）

SRAM
雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，有電就保持不變，干擾消除后時(shí)會(huì)恢復(fù)到穩(wěn)定值，晶體管多因此密集度低

DRAM
每個(gè)位存儲(chǔ)為對(duì)一個(gè)電容的充電，對(duì)干擾敏感，漏電所以需要刷新
刷新：

• 集中刷新：產(chǎn)生“死區(qū)”，2ms內(nèi)集中刷新每一行
• 分散刷新：沒有死區(qū)
• 異步刷新：結(jié)合前兩種方式，2ms內(nèi)刷新每一行
• 以行為單位，不需要“選片”，對(duì)CPU透明，一次刷新占用一個(gè)周期

SRAM & DRAM
都易失（關(guān)電后信息丟失）

ROM（只讀存儲(chǔ)器）（非易失性存儲(chǔ)器）

• MROM（掩模式ROM）：無法更改內(nèi)容
• PROM（可編程ROM）：熔絲，1次可編程
• EPROM（可擦寫可編程ROM）：1000次
• EEPROM（電子可擦除PROM）：100000次
• Flash：“晶體管浮體”保存電荷
• 閃存：基于EEPROM和Flash技術(shù)，用MOS管的浮柵上有無電荷來存儲(chǔ)信息
• SSD（固態(tài)硬盤）：基于閃存技術(shù)，由存儲(chǔ)單元（閃存芯片）和控制單元（閃存翻譯層）組成
• U盤：基于閃存技術(shù)，只是不如SSD容量大性能好

未格式化的硬盤容量要大于格式化后的實(shí)際容量

在固態(tài)硬盤中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在閃存芯片中的塊（Block）中。當(dāng)需要修改數(shù)據(jù)時(shí)，固態(tài)硬盤會(huì)將相應(yīng)的塊標(biāo)記為可擦除狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)寫入一個(gè)新的塊中。這是因?yàn)殚W存芯片的寫入操作是以塊為單位進(jìn)行的，無法直接在原來位置上修改部分?jǐn)?shù)據(jù)。

串行訪問存儲(chǔ)器

• 順序存取存儲(chǔ)器：磁帶
• 直接存取存儲(chǔ)器：磁盤、光盤

磁盤

構(gòu)造：

容量：

操作：

• 尋道時(shí)間：傳動(dòng)臂移動(dòng)到目標(biāo)磁道
• 旋轉(zhuǎn)時(shí)間：等待目標(biāo)扇區(qū)的第一個(gè)位旋轉(zhuǎn)到讀/寫頭下
• 傳送時(shí)間：讀寫的過程（與旋轉(zhuǎn)速率、每條磁道的扇區(qū)數(shù)有關(guān)）

RAID（廉價(jià)磁盤冗余陣列）

RAID（Redundant Array of Independent Disks）是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，通過將多個(gè)獨(dú)立的硬盤組合在一起，形成一個(gè)邏輯上的單一存儲(chǔ)單元，以提供更高的數(shù)據(jù)可靠性、性能或容量。通過數(shù)據(jù)分布和冗余來實(shí)現(xiàn)

柱面斜進(jìn)

性能指標(biāo)

多體模塊存儲(chǔ)器（提高訪存速度）

單體多字系統(tǒng)

指令和數(shù)據(jù)必須連續(xù)存放
在一個(gè)存取周期內(nèi)，從同一地址取出4條 連續(xù) 指令，每隔1/4存取周期逐條送至CPU

多體并行系統(tǒng)

使不同的請(qǐng)求源同時(shí)訪問不同的體，并行工作
高位交叉編址（順序方式）：總是先在一個(gè)模塊內(nèi)訪問，仍是順序存儲(chǔ)器
低位交叉編址（交叉方式）：流水線方式并行存取

存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)

Cache（高速緩存存儲(chǔ)器）

由SRAM構(gòu)成 ，在CPU內(nèi)，加速CPU訪存速度
Cache和主存的結(jié)構(gòu)原理以及訪問機(jī)制不同（主存按地址訪問，Cache是按內(nèi)容及地址訪問）
Cache與主存的映射由硬件自動(dòng)完成
CPU與Cache之間的數(shù)據(jù)交換以字為單位，Cache與主存之間的數(shù)據(jù)交換以Cache塊為單位

存儲(chǔ)層次

高速緩存的描述：(S,E,B,m) ，容量C=S X E X B
主存字塊標(biāo)記（tag）、組地址（索引）、字塊內(nèi)地址（偏移）

64KB數(shù)據(jù)cache、塊大小64B、共1024個(gè)塊、2路組相聯(lián)；40位物理地址
塊內(nèi)偏移：64B=2⁶，6位
索引：cache大小/(塊大小X相聯(lián)度)=64KB/(64BX2)=2⁹，9位
tag：40-6-9=25位

m位物理地址被劃分為1個(gè)有效位、t個(gè)標(biāo)記位、s個(gè)組索引位、b個(gè)塊偏移位

• 有效位：該行是否包含有意義的信息
• 標(biāo)記位：唯一標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)在這個(gè)行中的塊

映像規(guī)則

組選擇、行匹配、字抽取

• 直接映射：E=1，每組僅一行
• 組相聯(lián)：1<E<C/B
• 全相聯(lián)：E=C/B，僅一組（虛擬內(nèi)存系統(tǒng)的TLB）

查找算法

索引是地址的低g位（組數(shù)為G=2^g），高位作為tag標(biāo)識(shí)
tag相同，并且有效位為1，即為找到

替換算法

隨機(jī)、先入先出、最近最少使用（LRU）、最不常使用（LFU）

寫策略

寫的塊不在cache中

• 按寫分配（寫時(shí)?。杭虞d較低一層的塊到cache，更新這個(gè)cache塊
• 不按寫分配（繞寫）：直接寫到較低一層

寫的塊在cache中

• 寫直達(dá)法：既寫入cache，又寫入主存
• 寫回法：只寫到cache，當(dāng)cache被替換時(shí)才寫回主存，通過設(shè)置“臟位”（修改過，與主存不一致）

改進(jìn)cache性能

降低失效率

緩存不命中：

• 冷不命中/強(qiáng)制性不命中：緩存是空的，短暫事件
• 沖突不命中(抖動(dòng))：對(duì)象映射到同一個(gè)緩存塊，一直不命中，反復(fù)加載和驅(qū)逐相同高速緩存塊的組
• 容量不命中：緩存太小，不能處理這個(gè)工作集

調(diào)節(jié)cache塊大小

增加塊大小，減少強(qiáng)制不命中，但同時(shí)減少塊數(shù)，增加沖突不命中，增加失效開銷

提高相聯(lián)度

降低失效率，但同時(shí)增加多路選擇器延遲增加命中時(shí)間

Victim Cache

位于cache和存儲(chǔ)器之間的又一級(jí)cache，采用命中率較高的全相聯(lián)策略，容量小而且僅僅在替換時(shí)發(fā)生作用。但同時(shí)多種命中時(shí)間會(huì)使CPU流水線的設(shè)計(jì)復(fù)雜化

硬件預(yù)取

指令和數(shù)據(jù)在處理器提出訪問請(qǐng)求之前預(yù)取，預(yù)取內(nèi)容可以直接放入cache或者訪問速度快于下一級(jí)存儲(chǔ)器的緩沖器

編譯器控制的預(yù)取

編譯時(shí)加入預(yù)取指令，使得指令和數(shù)據(jù)被用到之前發(fā)出預(yù)取請(qǐng)求

編譯器優(yōu)化

• 數(shù)組合并
• 內(nèi)外循環(huán)交換
• 循環(huán)融合
• 分塊

減少失效開銷

寫緩存、寫合并

讀失效優(yōu)先于寫

讀失效時(shí)檢查寫緩沖器的內(nèi)容，若沒有沖突并且存儲(chǔ)器可訪問，則可繼續(xù)處理讀失效

請(qǐng)求字處理

請(qǐng)求字：當(dāng)從存儲(chǔ)器向CPU調(diào)入一塊時(shí)，塊中往往只有一個(gè)字是CPU立即需要的
當(dāng)CPU請(qǐng)求的字到達(dá)后，不等整個(gè)塊都調(diào)入cache，就把該字發(fā)給CPU并使處理器繼續(xù)運(yùn)行（盡早重啟動(dòng)、請(qǐng)求字優(yōu)先）

多級(jí)cache

第一級(jí)cache的速度影響CPU的時(shí)鐘頻率，第二級(jí)cache的速度只影響第一級(jí)cache的失效開銷

非阻塞cache

“失效下命中”：cache失效時(shí)，不是完全拒絕CPU的訪問，而是能處理部分訪問，從而減少平均失效開銷

減少cache命中時(shí)間

容量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

虛擬cache

使用虛擬地址映射并訪問的cache

訪問流水化

提高cache帶寬

多體cache

不把cache當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的塊，而是劃分為獨(dú)立的幾個(gè)體，支持同時(shí)訪問。從而增大cache的帶寬

路預(yù)測(cè)

每一組cache中保存一些預(yù)測(cè)位，表示下次cache訪問本組應(yīng)該命中的cache塊

Trace Cache

L3組數(shù)=4MB / 16way / 每塊64B =2¹²
L2組數(shù)=256KB / 4way /每塊64B =2¹⁰，組地址10位，字塊內(nèi)地址64對(duì)應(yīng)6位，
因此，字塊標(biāo)記位數(shù)=47-10-6=31
L1組數(shù)=32KB / 8way /每塊64B =2⁶，組地址6位

主存

提高主存性能

增加存儲(chǔ)器寬度

多體交叉

獨(dú)立存儲(chǔ)體

存儲(chǔ)器支持獨(dú)立的訪存請(qǐng)求

主存與CPU的連接

通過存儲(chǔ)器芯片拓展技術(shù)，將多個(gè)芯片集成在一個(gè)內(nèi)存條

主存容量的拓展

• 位拓展法
  8片8K X 1位的RAM芯片組成8K X 8位的存儲(chǔ)器
  每片的數(shù)據(jù)線依次作為CPU數(shù)據(jù)線的一位
  每片連接地址線A₀—A₁₂的方式相同，地址線連在一起
  某一時(shí)刻選中所有芯片，片選線CS連在一起
  
• 字拓展法
  4片16K X 8位的RAM芯片組成64K X 8位的存儲(chǔ)器
  每片連接地址線和數(shù)據(jù)線的方式相同
  數(shù)據(jù)線D₀—D₇連在一起，A₁₅A₁₄作為片選信號(hào)
  同一時(shí)間只選中一個(gè)芯片
  
• 字位同時(shí)拓展法
  

連接

• 地址線：CPU地址線低位連接存儲(chǔ)芯片的地址線
• 數(shù)據(jù)線：擴(kuò)位存儲(chǔ)芯片，使與CPU相等
• 讀/寫命令線：高讀低寫，有時(shí)分開
• 片選線：剩余的高位地址與訪存控制信號(hào)MREQ（低電平有效）共同產(chǎn)生CS信號(hào)
  線選法：尋址時(shí)地址線只能一位有效
  譯碼片選法：二進(jìn)制編碼

存儲(chǔ)器的校驗(yàn)

漢明碼：

• 從1開始編號(hào)
• 在第1,2,4,8…位添加檢驗(yàn)位
• 第i個(gè)檢測(cè)位負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)位包括所有在二進(jìn)制表示中第i個(gè)位置為1的位
• 配偶原則：如C₁應(yīng)使1，3，5，7…位中的1為偶數(shù)個(gè)，即C₁=b₄⊕b₃⊕b₁
• P₁=C₁⊕b₄⊕b₃⊕b₁
• 出錯(cuò)位：若P₄P₂P₁=110，則第6位出錯(cuò)
• 欲傳遞的信息是正確的b₄b₃b₂b₁

局部性原理

時(shí)間局部性：該內(nèi)存位置本身將再被引用
空間局部性：附近的內(nèi)存位置將被引用

運(yùn)用局部性的設(shè)計(jì)：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-440055.html

• 緩存系統(tǒng)：存儲(chǔ)經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，減少對(duì)主存儲(chǔ)器的訪問
• 虛擬內(nèi)存系統(tǒng)：執(zhí)行過程中只會(huì)使用部分內(nèi)存頁面，這些頁面通常都是相鄰的
• 磁盤調(diào)度算法：FIFO、最短尋道時(shí)間優(yōu)先、電梯算法等，優(yōu)先訪問磁盤上相鄰的數(shù)據(jù)塊
• 分支預(yù)測(cè)技術(shù)：分支通常重復(fù)執(zhí)行

到了這里，關(guān)于2.存儲(chǔ)器層次系統(tǒng)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！