一、存储系统概述 半导体存储器第一部分3.1 存储系统概述存储系统的层次结构计算机存储采用分层结构速度越快容量越小价格越高从CPU向外依次寄存器 → Cache → 主存 → 辅存。• 高速缓存CacheCPU和主存之间速度接近CPU容量小。• 主存内存DRAM存放当前运行程序与数据CPU可直接访问。• 辅存外存硬盘/U盘大容量速度慢CPU不能直接访问。存储器分类• 按存储介质半导体存储器、磁存储器、光存储器。• 按读写特性随机存取存储器RAM断电丢失、只读存储器ROM断电保存。• 按存取方式随机存取、顺序存取、直接存取。存储器技术指标• 存储容量存储单元总数单位位bit /字节Byte。• 存取时间收到读命令到数据读出的时间。• 存储周期连续两次访问存储器的最小间隔大于存取时间。• 可靠性平均故障间隔时间MTBF。编址与端模式• 字节编址每个存储单元对应1字节。• 大端模式高字节存低地址小端模式低字节存低地址。3.2 静态随机存取存储器 SRAM存储单元触发器构成只要不断电数据保持不变。特点速度快不需要刷新电路复杂集成度低功耗高成本高。用途用于Cache。基本结构存储单元阵列、地址译码、读写控制电路。存储器容量扩展◦ 位扩展增加存储字长。◦ 字扩展增加存储单元数量。◦ 字位同时扩展既扩容又增加字长。3.3 动态随机存取存储器 DRAM存储单元电容存储电荷表示0/1电容漏电必须定期刷新。特点集成度高、容量大、功耗低、价格便宜速度比SRAM慢需要刷新电路。用作计算机主存。刷新方式◦ 集中刷新集中一段时间一次性刷新刷新期间不能访问存在死区。◦ 分散刷新每次读写后附带刷新无死区但降低存取速度。◦ 异步刷新兼顾两者常用。DRAM衍生SDRAM、DDR SDRAM双倍数据率上升沿下降沿都传输数据。3.4 只读存储器 ROM断电信息不丢失只读部分可擦写• ROM出厂固化不可修改。• PROM一次性可编程。• EPROM紫外线擦除。• EEPROME²PROM电可擦除按字节擦写。• Flash闪存块擦除U盘、固态硬盘。3.5 并行存储器双端口存储器两套独立读写端口两个端口可同时访问解决并行访问冲突。多模块交叉存储器多个存储模块流水线并行存取提高主存带宽。二、Cache 高速缓存 虚拟存储器第二部分3.6 Cache存储器3.6.1 Cache基本原理依据局部性原理时间局部性刚访问过的数据短期内会再次访问空间局部性访问某单元相邻单元大概率被访问。CPU访问流程先查Cache命中直接读Cache未命中Cache缺失去主存读取同时把这块数据调入Cache。3.6.2 主存与Cache地址映射直接映射主存块只能固定放到Cache唯一行。优点硬件简单、速度快缺点冲突缺失多。全相联映射主存块可以放到Cache任意一行。优点冲突少缺点比较电路复杂成本高速度慢。组相联映射Cache分组主存块映射到固定组组内任意行。折中方案最常用。3.6.3 Cache替换策略未命中且Cache满时• 随机算法RAND随机淘汰简单效果差。• 先进先出FIFO淘汰最早调入Cache的块不考虑使用频率会发生Belady异常。• LRU最近最少使用淘汰最久没有访问的块硬件开销适中效果最好考试重点。3.6.4 Cache写策略写直达全写法写Cache同时写主存一致性好但写速度慢。写回法只写Cache替换时才写回主存速度快但存在数据不一致风险需要修改位。降低Cache缺失的方法增加Cache容量、增大块大小、提高相联度、多级Cache。3.7 虚拟存储器基本概念把主存辅存看成一个统一虚拟内存程序员看到巨大虚拟地址空间。由操作系统硬件MMU存储管理部件共同实现。• 虚拟地址逻辑地址程序使用的地址。• 物理地址内存真实地址。• 缺页中断访问页面不在主存触发中断操作系统从外存调入页面。分页式虚拟存储器页面大小固定虚拟页号页内偏移页表存放虚拟页→物理页映射页表存在内存。段式虚拟存储器段长度不固定按逻辑模块分段段表保存段基址、段限长。优点符合程序逻辑缺点碎片多。段页式先分段段内再分页综合两者优点。替换算法LRU、FIFO等和Cache替换算法思想类似。3.8 鲲鹏920处理器存储系统了解鲲鹏920采用多层次存储架构片上L1/L2/L3 Cache搭配大容量DDR内存有地址映射变换机制。本章小结SRAM触发器、无需刷新、CacheDRAM电容、需要刷新、做主存。并行存储器双端口、多模块交叉提升带宽。Cache核心局部性原理三种地址映射、替换算法、写策略。虚拟存储器逻辑地址转物理地址分页、段式、段页式缺页中断。习题重点存储器扩展计算、Cache命中率计算、地址映射计算题。
