计算机组成原理复习 --- 第三章多层次存储器

骑猪看日落 2023-02-22 03:57 7阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *   *  3.1 概述
             *  3.2 SRAM
             *  3.3 DRAM
             *  3.4 并行存储器
             *  3.5 Cache存储器（重点）

#### 3.1 概述 ####

存储器是计算机系统中的记忆设备，主要用来存放程序和数据。

构成存储器的存储介质，目前主要是半导体器件和磁性材料。

存储位元：二进制代码位，**存储器中最小的存储单元**。

由若干个存储位元组成一个存储单元，多个存储单元组成一个存储器。

**存储器的分类**

*  存储介质的不同：半导体材料的称为半导体存储器，磁性材料的称为磁表面存储器如：磁盘和磁带
 *  存取方式的不同：随机存储器和顺序存储器。
 *  内容储存的可变性：只读存储器ROM、随机读写存储器RAM
 *  信息的易失性：断电后信息消息的叫易失性存储器（半导体材料），断电后仍然能保存信息的是非易失性存储器（磁性材料）。
 *  系统中的作用：内部存储器和外部存储器。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>存储器类型</th> 
   <th>种类</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>随机存储器RAM</td> 
   <td>读写</td> 
   <td>易失</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>只读存储器ROM</td> 
   <td>一次编程，只读</td> 
   <td>不能擦除，非易失</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>可编程PROM</td> 
   <td>一次编程，只读</td> 
   <td>不能擦除，非易失</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>光擦可编程EPROM</td> 
   <td>多次编程，只读</td> 
   <td>紫外线擦除 非易失</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>电擦可编程EEPROM</td> 
   <td>多次编程，只读</td> 
   <td>电擦除 非易失</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>闪速存储器</td> 
   <td>多次编程，只读</td> 
   <td>电擦除 非易失</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**存储器的分级**

计算机系统中通常采用多级存储器体系结构：高速缓冲存储器cache，主存储器（是计算机系统的主要存储器，负责存放计算机运行期间的大量程序和数据，能和cache进行信息的交互）和外存储器（大容量的辅助存储器，用来存放系统程序和文件，如硬盘）。

*  CPU内，寄存器cache
 *  主板内，主存储器
 *  主板外，磁盘 光盘
 *  离线，磁带

**主存器的技术指标**

存放一个机器字的存储器单元称为字存储单元，字地址；存放一个字节的存储单元称为字节存储单元，字节地址。

计算机中可编址的最小单位是一个字存储单元称为按字寻址计算机，同理称为按字节寻址计算机。

主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽；其中存取时间、存储周期和存储器带宽反映了主存的速度指标。

存储容量：一个存储器中所能容纳存储单元的个数。

存取时间：一次读操作命令从发出到该命令完成将数据读出所经历的时间。

存储周期：是指连续启动两次读操作所需的最小间隔时间。

存储器带宽：单位时间内存储器所能存取信息的容量。

#### 3.2 SRAM ####

SRAM称为静态读写存储器，DRAM称为动态读写存储器。SRAM的优点是存取速度快，但是存储容量不如DRAM大。

SRAM的特征是用一个锁存器（触发器）作为存储元，只要断电，存储的数据0/1就会丢失。

SRAM由三组信号线与外部进行交互

*  地址线：指定了存储器的容量，如6条线就是2^6=64个存储单元
 *  数据线：指定了存储器的字长位数，如4条线就是4位，存储位元就是64\*4=256
 *  控制线：指定了对存储器是进行读写操作的哪一个。

SRAM采用双译码方式，以便组织更大的存储容量。双译码：采用二级译码，即将地址分为行向和列向两种，第一级进行行译码和列译码的独立译码，第二级是在存储阵列中完成第二级的交叉译码。

#### 3.3 DRAM ####

DRAM容量大，通常用作计算机的主存，SRAM的存储元是一个触发器，DRAM的存储元是由一个MOS晶体管和电容器组成的记忆电路。当电容器充满电荷时代表存储了1否则代表存储了0.

刷新周期:DRAM存储位元是基于电容器上的电荷量存储，电荷量随着温度和时间而减少，因此需要定时进行刷新。

刷新操作拥有两种刷新方式：集中式刷新和分散式刷新。

集中式刷新：DRAM的所有行在每一个刷新周期中都被刷新。此时所有的读写操作都停止，直至刷新完成方可恢复。

分散式刷新：每一行的刷新插入到正常的读写周期中。每隔 刷新时间/行数 的时间来刷新一次，一次刷新一行。

**存储器容易的扩展**

*  字长位数扩展：给定芯片字长过短，不能满足设计要求，需要用多片给定芯片进行扩展字长位数。
 *  字存储量扩展：给定芯片容量过短，不能满足设计要求，需要用多片给定芯片进行扩展容量。
 *  存储器模块条：内存条。

> SRAM和DRAM的区别

*  SRAM的存储元是触发器,DRAM的存储元是MOS晶体管和电容器
 *  SRAM的存取速度快,DRAM的容量大
 *  DRAM相比较于SRAM增加了行地址锁存器和列地址锁存器,还增加了刷新计数器以及相应的控制电路。DRAM读出后必须刷新。
 *  寻址方式的不同。

#### 3.4 并行存储器 ####

由于CPU和主存储器在速度上是不匹配的，为了缓解这种矛盾，提高CPU和主存储器之间的数据传输率，除了采用更高速的技术来缩短存读出时间外，还可以采用并行技术的存储器。

并行存储器分为双端口存储器（空间并行技术）和多体交叉存储器（时间并行技术）。

> 双端口存储器

双端口存储器：同一个存储器具有两组相互独立的读写控制电路而得名。两个端口都独立拥有各自的地址线数据线和控制线。

当两个端口同时存取同一存储单元时，会发生读写冲突，此时增加一个BUSY标志，由片上的判断逻辑来决定由哪一个端口优先进行读写操作。当端口的BUSY标志位为低电平时就暂时关闭这个端口。

> 多模块交叉存储器

在常规存储器中，访问地址采用顺序方式，按照模块进行数据的存取，每一个模块中的地址都是连续的，即当一个模块进行工作时，其他模块不工作，当一个模块出现故障时不会影响到其他模块的运行，扩展方便。但是顺序方式中模块是串行工作的，存储器的带宽受到了限制。

交叉方式寻址的存储器中，地址连续的分布在相邻的两个模块内，同一个模块中的地址都是不连续的，可以实现多模块流水式并行存取，大大提高了存储器的带宽。CPU的速度比主存快，但同时从主存上取出多条数据，更好的缓解它们之间速度不匹配的矛盾。

计算： 设存储周期为T，总线传送周期为t，存储器的交叉模块数为m；

顺序存储： t1 = mT

交叉式存储: 交叉存取度为m=T/t ，t2=T+（m-1）t

#例题5
    设存储器的容量为32字，字长64位，模块m=4，分别用顺序存储和交叉式存储进行组织，存储周期T=200ns，数据总线宽度64位，总线传送周期t=50ns，若连续读出4个字，求顺序存储器和交叉存储器的带宽是多少?
    #带宽 w =q/t 算出二者信息总量和时间 
    #首先计算信息总量
    q = 64b *4 =256b
    #计算读出四个字所需时间 
    连续存储：t1 = mT  = 4*200ns = 800ns
    交叉存储： t2= T + （m-1）t = 200ns + 3*50ns = 350ns
    #求带宽 w = q/t
    w1 = q/t1 = 256b / 8*10^-7 s = 320 Mb/s
    w1 = q/t1 = 256b / 3.5*10^-7 s = 730 Mb/s

#### 3.5 Cache存储器（重点） ####

cache是一种高速缓冲寄存器，主要为了缓解Cpu和存储器速度不匹配的矛盾，cache的原理主要是基于程序运行的时间局部性 和空间局部性特征。全部由硬件实现，对程序员是透明的。cache除了包含SRAM外还需要逻辑控制。

CPU和cache之间的信息交换是以字为单位，而cache和主存之间的信息交换是以块为单位，块由若干字组成是定长的。

执行过程：当CPU读取主存中的一个字时，便发出这个字的内存地址到cache和主存，依据这个地址判断这个字是否在cache中，若是则直接将字传送给CPU，若不是，则从主存中读取这个字，送到CPU中，同时将包含这个字的整个块读出送到cache中。

> cache的命中率

命中率 = cache完成存取的总次数 / （cache完成存取的总次数+主存完成存取的总次数）

平均访问时间=命中率\*cache的访问时间 + （1-命中率） \*主存访问时间

命中率越高越好。

cpu执行一段程序时，cache完成存取的次数为1900，主存完成的存取次数为100，一直cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns，求平均访问时间。
    #首先计算命中率，然后根据公式计算时间
    h = 1900/1900+100 = 0.95
    t = h * 50ns + （1-h）*250ns = 60ns

**主存与cache的映射关系**

cache的容量很小，只能保存主存的一个子集，二者的数据交换是以块为单位。为了把主存放到块中，必须采取某种办法将主存定位到cache中，这就是地址映射。

地址映射的三种方式：全相联方式、直接方式和组相联。

全相联方式：将主存中一个块的块号和块的内容一起存于cache的行中，块号存在于cache的标记部分中，这种带全部块号一起保存的方法，可使主存的一个块直接拷贝到cache中的**任意一行**，但是适合于小容量的cache。

内存地址：块号 + 字

直接方式：也是一种多对一的映射方式，但是一个主存块只能拷贝到cache**一个特定行**的位置上。如cache有m行，cache的第0行只能由主存的第1块、第m+1块、2m+1….映射。

内存地址：标记 + 行号 + 字

组相联：将cache分为u组，每组v行，主存块存放到哪个组是固定的，但是在相应组的行位置是任意的。

内存地址：标记 + 组号 + 字

cache的替换策略：LFU最不经常使用算法、LRU近期最少使用算法、随机替换。