<计算机系统结构>CA5 存储体系

CA5 存储体系

以下是一些能存放数据的存储介质：

• 寄存器（Register）：最快速的存储器
• 高速缓冲存储器（Cache）：其物理结构通过 静态随机存储器（SRAM）实现，速度快但集成度低。
• 动态随机存储器（DRAM）：内存（主存）
• 只读存储器（ROM）
• Flash Memory：分为 NOR Flash（一般用于程序存储，随机读写性能好但集成度低。）和 NAND Flash（一般用于数据存储，块读写好，集成度高）
• SSD 硬盘：写入速度比读入速度慢
• 磁盘（硬盘，Disk）：通过电磁转换实现数据存取。
• 光盘、磁带、软盘、云存储（网盘）等

不同存储介质的特性不同。选用生产与运行成本、容量、读写速度不同的多种存储介质，组成统一的系统，使每种介质处于不同地位，发挥不同作用，达成最优的性价比，就是存储系统的基本要求。

根据局部性原理设计层次存储器系统，有两个层次：

• 主存 - 辅存 存贮层次：从整体上看，速度是主存的，容量是辅存的
• Cache - 主存 存贮层次：从 CPU 看，速度是 Cache 的，容量是主存的

衡量存储层次的性能参数：

• $S$（容量）、$T_A$（访存时间）、$C$（价格），则单位价格有 $C=\dfrac{C_1S_{M_1}+C_2S_{M_2}}{S_{M_1}+S_{M_2}}$

  $H$（命中率）、$R_1$（访问 $M_1$ 次数）、$R_2$（访问 $M_2$ 次数），则命中率有 $H=\dfrac{R_1}{R_1+R_2}$

  失效率 $F=1-H$，平均访问时间 $T_A=HT_{A_1}+(1-H)T_{A_2}$

CA5.1 虚拟存储器

虚拟存储器是 主存 - 辅存 进一步发展的结果。基于局部性原理，实现虚拟地址（逻辑地址）与物理地址间的转换。逻辑地址表示的内存空间即虚拟存储

按管理方式分为：段式、页式、段页式

虚拟存储的好处是 部分加载。

• 运行时，进程的所有 页/段 不必都加载到内存中
• 内存中可容纳更多进程
• 进程可以比内存大（逻辑地址可以比物理地址大）
• 虚拟存储可以实现更大的内存空间

虚拟存储技术的特性：

• 不连续性：物理内存分配不连续
• 部分交换：虚拟存储调入调出是对部分虚拟地址空间进行的
• 大空间：总容量不超过物理内存与外存交换区容量之和

虚拟存储技术必须要硬件、软件方面的支持：

• 硬件支持：内存管理硬件必须支持 分页/分段
• 软件支持：OS 必须管理内存与外存间段和页的移动

CA5.2 高速缓冲存储器 Cache

Cache 存储单元的组成有三部分：

• 有效位字段（1 bit，标识数据字段和标志字段是否有效）
• 标志字段（tag，保存响应主存单元的地址信息）
• 数据字段（保存从主存单元复制过来的数据）

Cache 中的映像规则有三种：

• 全相联：主存的块可以映射到 Cache 的任意位置。硬件实现困难
• 直接相连：主存的块可以映射到 Cache 的指定位置
• 组相联：主存的块可以映射到 Cache 中指定组的任意位置

组相联、全相联结构下，Cache 中的替换算法有：随机、先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）

从 Cache 写入主存的策略也有几种：

• 写回法：写入时，只写入 Cache。直到该 Cache 块被替换，才将其写入内存
• 写直达法：利用 Cache 与处理机与主存间的直接通路，每当写入 Cache 时，也通过此通路写入内存

多处理器读写可能引起 Cache 一致性的问题。为解决一致性问题，提出了两种协议：

• 写作废协议（作废法）：写入数据后，其他处理器 Cache 中同一数据作废
• 写更新协议（播写法）：写入数据后，其他处理器 Cache 中同一数据一并更新。该方法带宽消耗较大

CA5.3 三级存储体系

现代计算机的特点：既有虚拟存储器，也有 Cache 存储器。程序用虚地址保存。要求速度接近 Cache，容量是辅存容量。

因此，现代计算机的存储层次分为：

• Cache - 主存 层次

  主要由专用硬件（北桥）实现，弥补了主存速度的不足。CPU 对第二级（主存）可直接访问，失效（未命中）时 CPU 不切换。

• 主存 - 辅存 层次

  主要由软件实现，弥补了主存容量的不足。CPU 对第二级（辅存）的访问通过第一级（主存）进行，失效（未命中）时 CPU 切换其他进程。

可以用以下几种方式：物理地址 Cache（以物理地址访问 Cache）、虚地址 Cache（以虚地

址直接访问 Cache）、全 Cache（未实现）、内存云