Chap4 存储子系统

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1、学习目标

存储子系统解决两个矛盾：CPU 很快而存储器相对慢，容量需求很大而高速存储很贵。存储层次结构就是在速度、容量和成本之间做折中。

模块	要掌握的内容
存储层次	寄存器、Cache、主存、辅存
半导体存储	SRAM、DRAM、ROM、Flash
主存组织	位扩展、字扩展、地址译码
外存	磁盘、光盘、固态存储
性能改进	Cache、虚拟存储、并行存储、联想存储

2、存储层次结构

典型层次：

1	寄存器 -> Cache -> 主存 -> SSD/磁盘 -> 远程存储

层次	速度	容量	成本
寄存器	最快	最小	最高
Cache	很快	较小	高
主存	中等	较大	中
外存	慢	很大	低

核心思想：利用局部性，让 CPU 大部分时间访问靠近自己的高速小容量存储。

3、局部性原理

局部性	含义	例子
时间局部性	最近访问过的数据，很可能很快再次访问	循环变量
空间局部性	访问某地址后，很可能访问附近地址	顺序遍历数组

Cache 和虚拟存储都依赖局部性。没有局部性，层次结构的效果会明显下降。

4、半导体存储器

4.1 SRAM

SRAM 使用触发器保存数据。

特点	说明
速度	快
集成度	低
成本	高
刷新	不需要
用途	Cache

4.2 DRAM

DRAM 使用电容保存电荷。

特点	说明
速度	比 SRAM 慢
集成度	高
成本	较低
刷新	需要周期刷新
用途	主存

DRAM 要理解“刷新”这一点，因为电容会漏电，数据不能永久保持。

4.3 ROM 与 Flash

ROM 适合保存固件、启动程序等不经常修改的数据。Flash 可擦写，常见于 SSD、U 盘、嵌入式存储。

5、主存组织

存储芯片常需要组合成目标容量和字长。

5.1 位扩展

多个芯片并联，增加字长。

1	多个 1K x 1 芯片 -> 1K x 8 存储器

5.2 字扩展

多个芯片串接地址空间，增加字数。

1	多个 1K x 8 芯片 -> 4K x 8 存储器

5.3 字位同时扩展

同时扩展字数和位数。计算题里要先确定：

目标总容量。
目标字长。
单个芯片容量和位宽。
需要多少片。
地址线和片选线如何分配。

6、Cache

Cache 是 CPU 和主存之间的高速缓存。

基本单位：

概念	说明
块/行	Cache 和主存交换的基本单位
标记 Tag	判断当前 Cache 行对应哪个主存块
有效位	判断行内容是否有效
脏位	写回策略下判断是否被修改

映射方式：

方式	特点
直接映射	一个主存块只能去一个 Cache 行，简单但冲突多
全相联	主存块可放任意行，灵活但硬件复杂
组相联	折中方案，主存块映射到某组，组内相联

替换策略：

1	LRU、FIFO、随机替换

写策略：

策略	说明
写直达	写 Cache 同时写主存
写回	先写 Cache，替换时再写回主存
写分配	写缺失时把块调入 Cache
非写分配	写缺失时直接写主存

7、平均访问时间

Cache 性能常用平均访问时间：

1	AMAT = Hit Time + Miss Rate * Miss Penalty

降低 AMAT 的方式：

降低命中时间。
降低缺失率。
降低缺失代价。

这条公式是连接硬件结构和程序性能的重要桥梁。

8、虚拟存储

虚拟存储让程序看到连续的大地址空间，由操作系统和硬件共同完成地址转换。

基本概念：

概念	说明
虚拟地址	程序使用的地址
物理地址	主存真实地址
页	虚拟存储管理单位
页表	虚拟页到物理页的映射
TLB	页表项缓存
缺页	所需页不在主存，需要从外存调入

虚拟存储属于组成原理和操作系统交界内容。组成原理关注硬件支持，操作系统关注管理策略。

9、磁盘与光存储

磁盘访问时间通常由三部分组成：

1	寻道时间 + 旋转延迟 + 数据传输时间

磁盘顺序访问远快于随机访问，这是文件系统和数据库优化的重要背景。

光存储如 CD/DVD/蓝光主要用于大容量、低成本、可移动介质，速度通常低于半导体存储。

10、高性能存储技术

技术	作用
多体交叉存储	多个存储体并行访问，提高带宽
联想存储	按内容查找，常用于 TLB/Cache tag 匹配
预取	提前把可能访问的数据调入
多级 Cache	L1/L2/L3 分层折中速度和容量
RAID	多磁盘组合提升性能或可靠性

11、易错点

易错点	修正
Cache 越大一定越快	容量变大可能增加命中时间
命中率和缺失率混淆	Miss Rate = 1 - Hit Rate
SRAM/DRAM 刷新混淆	DRAM 需要刷新，SRAM 不需要
主存扩展只算总片数	还要分析地址线、数据线、片选
虚拟存储当成单纯扩容	它还提供地址隔离和统一地址空间

12、复盘清单

检查项	状态
能画出存储层次结构	待复盘
能区分 SRAM 和 DRAM	待复盘
能做主存芯片扩展计算	待复盘
能比较三种 Cache 映射方式	待复盘
能写出 AMAT 公式	待复盘
能解释虚拟地址到物理地址转换	待复盘