系统架构师【存储器系统】

小灰灰 2022-12-10 07:27 298阅读 0赞

## 一.概述 ##

存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。在计算机系统中，规模较大的存储器往往分为若干级，称为存储器系统。

传统的存储器系统一般分为高速缓冲存储器、主存、辅存三级。主存可由CPU直接访问，存取速度快，但容量较低，一般用来存放当前正在执行的程序和数据。辅存设置在主机外部，它的存储容量大，价格较低，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运行的程序和数据，CPU不可以直接访问辅存，辅存中的程序和数据在需要时才传送到主存，因此它是主存的补充和后援。当CPU速度很高时，为了使访问存储器的速度能与CPU的速度相匹配，又在主存和CPU之间增设了一级Cache。Cache的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前最急需处理的程序和数据，以便快速地向CPU提供指令和数据。因此，计算机采用多级存储器体系，确保能够获得尽可能高的存取速度，同时保持较低的成本。

多层级的存储体系之所以能用低投入换来较高的存取速度，得益于局部性原理。局部性原理是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个部分。相应地，它所访问的存储空间也仅局限于某个区域。程序局部性包括时间局部性和空间局部性，时间局部性是指程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行。产生时间局部性的典型原因是由于程序中存在着大量的循环操作；空间局部性是指一旦程序访问了某个存储单元，不久以后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围内，其典型情况是程序顺序执行。

存储器中数据常用的存取方式有顺序存取、直接存取、随机存取和相联存取四种。

1.  顺序存取：存储器的数据以记录的形式进行组织。对数据的访问必须按特定的现行顺序进行。磁带存储器采用顺序存取的方式。
2.  直接存取：与顺序存取相似，直接存取也使用一个共享的读写装置对所有的数据进行访问。但是，每个数据块都拥有唯一的地址标识，读写装置可以直接移动到目的的数据块所在位置进行访问。存取时间也是可变的。磁盘存储器采用直接存取的方式。
3.  随机存取：存储器的每一个可寻址单元都具有自己唯一的地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，而与先前的访问序列无关。主存储器采用随机存取的方式。
4.  相联存取：相联存取也是一种随机存取的形式，但是选择某一单元进行读写是取决于其内容而不是其地址。与普通的随机存取方式一样，每个单元都有自己的读写装置，读写时间也是一个常数。使用相联存取方式，可以对所有的存储单元的特定位进行比较，选择符合条件的单元进行访问。为了提高地址映射的速度，Cache采取相联存取的方式。

## 二.主存储器 ##

主存用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读/写。主存具有一定容量，存取速度较快。由于CPU要频繁地访问主存，所以主存的性能在很大程度上影响了整个计算机系统的性能。根据工艺和技术的不同，主存可分为随机存取存储器和只读存储器。

1.  随机存取存储器：随机存取存储器RAM既可以写入也可以读出，但断电后信息无法保存，因此只能用于暂存数据。RAM可分为DRAM【Dynamic RAM】和SRAM【Static RAM】两种，DRAM的信息会随着时间逐渐消失，因此需要定时对其进行刷新以维持信息不丢失；SRAM在不断电的情况下信息能够一直保持而不会丢失。DRAM的密度大于SRAM且更加便宜，但SRAM速度快，电路简单，然而容量小，价格高。
2.  只读存储器：只读存储器ROM可以看作RAM的一种特殊形式，其特点是：存储器的内容只能随机读出而不能写入。这类存储器常用来存放那些不需要改变的信息。由于信息一旦写入存储器就固定不变了，即使断电，写入的内容也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM一般用在存放系统程序BIOS【Basic Input Output System】。
3.  内存编址方式在计算机系统中，存储器中每个单元的位数是相同且固定的，称为存储器编址单位。  
    不同的计算机，存储器编址的方式不同，主要有字编址和字节编址。  
    内存一般以字节【8位】为单位，或者以字为单位【字的长度可大可小，例如16位或32位等等】。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 三.辅助存储器 ##

1.  磁盘存储器磁带存储器是一种顺序存取的设备，其特点包括：存取时间较长，但存储容量大，便于携带，价格便宜。磁带应用的场景越来越小，目前主要用于资料的归档保存。
2.  硬盘存储器在硬盘中，信息分布呈以下层次：记录面、圆柱面、磁道和扇区，如下：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
    一台硬盘驱动器中有多个磁盘片，每个盘片有两个记录面，每个记录面对应一个磁头，所以记录面号就是磁头号。所有的磁头安装在一个公用的传动设备或支架上，磁头一致地沿盘面径向移动，单个磁头不能单独移动。在记录面上，一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为0号，往内则磁盘号逐步增加，在一个盘组中，各记录面上相同编号的各磁道构成一个柱面。
    
    若每个磁盘片有m各磁道，则该硬盘共有m各柱面。引入柱面的概念是为了提高硬盘的存储速度。当主机要存入一个较大的文件时，若一条磁道存不完，就需要存放在几条磁道上。这时，应首先将一个文件尽可能地存放在同一柱面中。如果仍存放不完，再存入相邻的柱面内。  
    通常将一条磁道划分为若干个段，每个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长信息快。一条磁道划分多少扇区，每个扇区可存放多少字节，一般由操作系统决定。磁道上的扇区编号从1开始，而不像磁头或柱面编号从0开始。
    
    在磁盘上进行信息的读写时，首先需要定位到目标磁道，这个过程称之为寻道，寻道所消耗的时间称为寻道时间，定位到目标磁道后，需要定位到目标扇区，此过程通过旋转盘片完成，平均旋转半圈可到目标位置。故磁盘访问时间为：磁盘访问时间【存取时间】 = 寻道时间+旋转延迟时间。

## 四.Cache存储器 ##

Cache的功能时提高CPU数据输入输出的速率，突破所谓“冯诺依曼瓶颈”，即CPU与存储系统数据传送带宽限制，高速存储器能以极高的速率进行数据访问，但因其价格高昂，如果计算机的内存完全由这种高速存储器组成，则会大大增加计算机的成本。通常在CPU和内存之间设置小容量的Cache。Cache容量小但速度快，内存速度较低但容量大，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，仿佛其存储系统容量与内存相当而访问速度近似Cache。

Cache通常采用相联存储器CAM。CAM是一种基于数据内容进行访问的存储设备。当对其写入数据时，CAM能够自动选择一个未用的空单元进行存储；当要读出数据时，不是给出其存储单元的地址，而是直接给出该数据或者该数据的一部分内容，CAM对所有存储单元中的数据同时进行比较，并标记符合条件的所有数据以供读取。由于比较是同时、并行进行的，所以，这种基于数据内容进行读写的机制，其速度比基于地址进行读写的方式要快很多。  
1.Cache基本原理  
使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。根据程序的局部性原理，最近的、未来要用的指令和数据大多局限于正在用的指令和数据，或是存放在与这些指令和数据位置上临近的单元中。这样，就可以把目前常用或将要用到的信息预先放在Cache中。当CPU需要读取数据时，首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有，则直接从Cache中读取；若没有，再从内存中读取该数据，然后同时送往CPU和Cache。如果CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到，则可以大大提高系统性能。

如果以h代表对Cache的访问命中率【1-h称为失效率，或未命中率】，t1表示cache的周期时间，t2表示内存的周期时间，以读操作为例，使用cache+主存储器的系统的平均周期为t3。则：  
t3 = t1 \* h + t2 \* (1 - h)  
系统的平均存储周期与命中率有很密切的关系，命中率的提高即使很小也能导致性能上的较大改善。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
2.映射机制  
当CPU发出访存请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中，若命中则直接对Cache进行访问。这个过程称为Cache的地址映射。在Cache的地址映射中，主存和Cache将均分成容量相同的块/页。常见的映射方式有直接映射、全相联映射和组相联映射。  
1.直接映射  
直接映射方式以随机存取存储器为Cache存储器，硬件电路比较简单。在进行映射时，主存地址被分为三个部分，从高到低依次为：区号、页号以及页内地址，如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
在直接映射方式中，每个主存页只能复制到某一固定的Cache页中，如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
直接映射方式的映射规律是：主存中每个区的第0页只能进入到Cache的第0页。若当前时刻Cache中0号页已被占据，而1~15号页空闲，现在要将1区第0页调入Cache是会发生冲突。所以直接映射的块冲突率非常高。

在Cache中，为每一个也设立一个Cache标记，该标记用于识别当前的Cache块来自于哪个内存页。直接映射中，由于每个区的N号页，都必须进入到Cache的N号页，所以只需要记录区号即可。

直接映射方式的优点是比较容易实现，缺点是不够灵活，有可能使Cache的存储空间得不到充分利用。

2.全相联映射  
全相联映射使用相联存储器组成的Cache存储器。在全相联映射方式中，主存的每一页可以映射到Cache的任意页。如果淘汰Cache中某一页的内容，则可调入任意主存页的内容，因而较直接映射方式灵活。

在全相联映射方式中，主存地址分为两个部分，分别为地址部分【页码】和数据部分【页内地址】。数据部分用于存放数据，而地址部分则存放该数据的存储器地址。如下：  
![在这里插入图片描述][20200928192348193.png_pic_center]  
全相联映射方式的Cache组织如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
当程序防存时，高11为给出主存页号，低19位给出页内地址。因为每个Cache也可映射到2048各主存中的任意页，所以每页的Cache标记也需要11位，以表明它现在所映射的主存页号。因此，Cache标记信息位数增加，比较逻辑成本随之增加。

在全相联映射中，主存地址不能直接提取Cache页号，而是需要将主存页标记与Cache各页的标记逐个比较，直到找到标记符合的页，或者全部比较完成仍无符的标记。因此这种映射方式速度很慢，失掉了高速缓存的作用，这是全相联映射的最大缺点。如果让主存页标记与各Cache标记同时比较，则成本又太高。全相联映射方式因比较器电路难以设计和实现，只适用与小容量Cache。

3.组相联映射  
组相联映射介于直接映射和全相联映射之间，是这两种映射的一种折中方案。全相联映射方式以页为单位，可自由映射，没有固定的对应关系。直接映射方式中，主存分组，主存组内的各页与Cache的页之间采取的是固定的映射关系，但各组均可映射到Cache中。在组相联映射方式中，主存与Cache都分组，主存中一个组内的页数与Cache的分组数相同，如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
主存分128个区，每个区8个组，每个组2个页。组相联映射方式的主存的主存地址组织如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
组相联映射的规则是：主存中的组与Cache的组形成直接映射关系，而每个组内的页是全相联映射关系。如主存1区0页，它在0组内，所以只能进入Cache的0组内，至于进入到Cache的0组0页，还是0组1页，并无强制要求，可任意放置。

在组相联映射中，Cache中每一页的标记位长度为8位，因为此时除了要记录区号，还要记录组号，即区号7位加组号1位等于8位。

容易看出，如果Cache中每组只有一页，则组相联映射方式就变成了直接映射方式。如果Cache中每组页数为16页【即只有一组】，则就是全相联映射。因此，在具体设计组相联映射时，可以根据设计目标选取某一折中值。

## 五.替换算法 ##

当Cache产生了一次访问未命中之后，相应地数据应同时读入CPU和Cache。但是当Cache已存满数据后，新数据必须替换Cache中的某些旧数据。最常用的替换算法包括：

1.  随机算法。这是最简单的替换算法。随机算法完全不管Cache块过去、现在及将来的使用情况，简单地根据一个随机数，选择一块替换掉。
2.  先进先出FIFO算法。按调入Cache的先后顺序决定淘汰的顺序，即在需要更新时，将最先进入Cache的块作为被替换的块。这种方法要求为每块做一个记录，记下它们进入Cache的先后顺序。这种方法容易实现，而且系统开销小。其缺点是可能会把一些需要经常使用的程序块替换掉。
3.  最近最少使用LRU算法。LRU算法是把CPU近期最少使用的块作为被替换的块。这种替换方法需要随时记录Cache中各块的使用情况，以便确定哪块近期最少使用。LRU算法相对合理，但实现起来比较复杂，系统开销较大。通常需要对每一块设置一个称为年龄计数器的硬件或软件计数器，用以记录其被使用的情况。

## 六.写操作 ##

因为需要保证缓冲在Cache中的数据与内存中的内容一致，相对读操作而言，Cache的写操作比较复杂，常用的有以下几种方法。

1.  写直达法。当要写Cache时，数据同时写回内存，有时也称为全写法。当某一块需要替换时，也不必把这一块写回到主存中去，新调入的块可以立即把这一块覆盖掉。这种方法实现简单，而且能随时保持主存数据的正确性，但可能增加多次不必要的主存写入，会降低存取速度。
2.  写回法。CPU修改Cache的某一块后，相应的数据并不立即写入内存单元，而是当该块从cache中被淘汰时，才把数据写回到内存中。在采用这种更新策略的cache块表中，一般有一个标志位，当一块中的任何一个单元被修改时，标志位被置1。在需要替换掉这一块时，如果标志位为1，则必须先把这一块写回到主存中去之后，才能再调入新的块；如果标志位为0，则这一块不必写回主存，只要用新调入的块覆盖掉这一块即可。这种方法的优点是操作速度快，缺点是因主存中的字块会因随时修改而有可能出错。
3.  标记法。对Cache中的每一个数据设置一个有效位。当数据进入Cache后，有效位置1；而当CPU要对该数据进行修改时，数据只需写入内存并同时将该有效位置置0。当要从Cache中读取数据时需要检查其有效位，若为1则直接从Cache中读数，否则，从内存中读数。

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