计算机组成原理（唐朔飞）教材笔记第四章存储器

待我称王封你为后i 2023-02-11 14:29 20阅读 0赞

1. 存储器的分类，通常以在计算机中的作用分类

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L01pbnQyeXg0_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

2. 存储器的速度、容量和价格这三个主要性能指标之间存在矛盾，据此分成两个层次，分别解决不同的矛盾

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L01pbnQyeXg0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

3. 静态RAM采用触发器工作原理存储信息，动态RAM利用电容存储电荷的原理存储信息；

4. 静态RAM由于其速度高、无需刷新等特点，被广泛用于高速缓冲存储器Cache；

动态RAM集成度高、功耗小价格便宜，被广泛用于计算机的主存；

5. RAM由于可读可写，一般用于存放用户程序；而ROM只读，一般用于存放系统程序；

6. 对于一定容量的存储器，按字节访问和按字访问的寻址范围是不同的；如一个容量为16MB的存储器，按字节寻址的范围是16M（16MB/1B=16M），正好对应24根地址线（2^24=16M）；如按字寻址，则寻址范围与字长有关，16MB容量的存储器，按16位长（2B）存储字寻址，寻址范围为8M（16MB/2B），在高位的23跟地址线寻址，最后一根表示字节范围；32位同理；

7. 储存芯片（主存）与CPU芯片相连时，特别要注意两者之间的地址线、数据线和控制线的连接，具体见习题集43页；

8. 片选有效信号与CPU的访存控制信号（MREQ，Memory REQuest，低电平有效）有关，这里是访问主存芯片；如果CPU访问I/O设备，则MREQ为高，表示不要求存储器工作；片选有效信号还和地址有关，因为CPU的地址线往往多于存储芯片的地址线，故那些未与存储芯片连上的高位地址必须和访存控制信号（MREQ）共同产生存储器的片选信号；

9. 缓存与主存地址映射方式：直接映射、全相联映射、组相联映射；

10. 缓存的工作原理；缓存和主存之间存在某种地址映射关系，因此CPU访存时需将主存地址转换成缓存地址，并迅速判断出欲访问的信息是否已调入缓存，已调入则可以进行读/写操作，未调入则需将新的主存块调入；

11. 主存-辅存层次主要用于解决存储器的容量问题，最常见的辅存是磁表面存储器，它的信息记录在磁道上，靠磁头进行读/写；

12. 例4.6求缓存-主存效率和平均访问时间的几个公式，课本见111页

缓存命中率=访问缓存次数#3800#/（访问缓存次数#3800#+访问主存次数#200#）
    
    平均访存时间= 访问缓存时间#50ns * 0.95# + 访问主存时间#250ns * (1-0.95)#   #0.95为缓存命中率
    
    缓存-主存系统效率 = 访问缓存的时间 / 平均访存时间

13. 例4.7访问磁盘所需的几个公式

平均访问一次磁盘的时间 = 寻道时间 + 平均等待时间 + 数据传送时间

14. 缓存-主存层次和主存-辅存层次的相同点和不同点

#相同点
    二者都是为了提高存储系统的性能价格比而构造的层次性存储体系，都尽量使存储系统的性能接近告诉存储器，而价格接近低速存储器
    
    #不同点
    1. 解决问题不一样，缓存-主存解决CPU与主存速度的差异问题， 主存-辅存解决储存容量问题；
    2. CPU访问权限不一样， CPU可访问缓存-主存的二者，但只能访问主存-辅存中的主存；
    3. 管理系统不一样，缓存-主存层次的管理由硬件完成， 主存-辅存层次的管理由硬件和操作系统共同完成
    4. 未命中时损失不同， 主存存取时间通常是缓存的5-10倍，辅存是主存的上千倍，故主存未命中时系统的性能损失远大于缓存未命中时的损失

15. 存取周期是指存储器进行连续读或写操作所允许的最短间隔时间；

16. 某RAM芯片，其容量为512x8位，除电源和接地端外，该芯片引出线的最少数目是19条（9+8+片选线+读写命令线），见教材75页中控制线的部分

17. 半导体RAM是易失性RAM，而静态RAM中的存储信息是不易失的；

18. EPROM是可改写的，但它不能作为随机存储器（RAM）；

19. 在磁盘和磁带两种磁表面存储器中，存取时间与存储单元的物理位置有关，按存储方式分，磁盘是部分串行存取，磁带是串行存取;

20. 磁盘存储器的等待时间通常是指磁盘旋转半周所需的时间；

21. 活动头磁盘存储器的寻道时间通常是指最大寻道时间和最小寻道时间的平均值；

22. 活动头磁盘存储中，信息写入或读出磁盘是串并方式进行的；

23. 交叉编址的存储器实质是一种模块式存储器，它能并行执行多个独立的读/写操作；

24. 存储单元地址的分配中，按字寻址的字地址可以用高位字节的地址表示，也可以用低位字节的地址表示，见教材73页IBM370和PDP-11的例子；

25. 动态RAM与静态RAM的比较，动态RAM（一个晶体管transistor一个电容器capacitor）,静态RAM（多个晶体管transistor）

#DRAM 优势
    1. 同样大小的芯片中，DRAM集成度远高于静态RAM
    2. DRAM的行列地址按先后顺序输送，减少了芯片引脚，封装尺寸也减少
    3. 动态RAM的功耗比静态RAM小
    4. 动态RAM的价格比静态RAM便宜
    
    #DRAM 缺点
    1. 速度比静态RAM低
    2. DRAM需要再生，因为其实现原理（电容）导致其电容上的电荷只能维持2ms左右时间

26. 片选信号CS，读/写控制信号WE，字扩展是增加存储器字的数量，位扩展是是增加存储字长；

27. 汉明码（hamming code）纠错原理，[https://www.youtube.com/watch?v=373FUw-2U2k][https_www.youtube.com_watch_v_373FUw-2U2k]， 从p1开始，隔一位检测一位，p2开始，隔两位检测两位，p4开始，隔四位检测四位，与课本102页对应；

28. 提高访存速度的措施

#单体多字系统
    一次取出多条指令，要求指令和数据在主存内必须是连续存放的，一旦遇到转移指令，或者操作数不能连续存放，这种方法的效果就不明显
    
    #多体并行系统
    分顺序存储（高位交叉编址）和交叉存储（低位交叉编址）见104页，通常交叉存储实现的带宽比顺序存储要高
    
    #高性能存储芯片
    在DRAM上发展的SDRAM（Synchronous异步），RDRAM（Rambus）, CDRAM(Cache)

29. Cache基本结构，112页

# Cache存储体
    以块为单位与主存交换信息，为加速Cache与主存之间的调动，主存大多采用多体结构，且Cache访存优先级最高
    
    # 地址映射变换机构
    将CPU送来的主存地址转换为Cache地址； 若命中，直接访问Cache，若不命中，CPU在访问主存的同时将主存块一并调入Cache；如果Cache没装满，直接调入，如果Cache装满，采用替换机构
    
    # 替换机构
    当Cache内容已满，无法接受来自主存块的信息时，就由Cache内的替换机构按照一定的替换算法来确定应从Cache内移出哪个块返回主存；
    
    Cache对用户是透明的，用户编程时使用的地址是主存地址，不知道这些主存块是否已调入Cache内

30. Cache的读写操作，读操作比较好理解，按照命中的规则来；写操作有两种方法，分别是写直达法（Write-through）和写回法（Write-back）,具体描述见教材113页；

31. Cache的改进也有两种，一种是增加多级缓存，一种是分立缓存，详见114页介绍

32. Cache-主存映射方式

# 直接映射
    最容易理解，实现简单，缓存块号=主存块号 mod 缓存块数；
    缺点是不够灵活，每个主存块只能固定地对应某个缓存块，即使缓存内还空着许多位置也不能占用，使缓存的空间得不到充分的利用
    字块内地址位数a=字块容量位数， 缓存字块地址位数b=缓存容量位数-a，主存字块地址位数c=主存容量位数-b-a
    
    # 全相联映射
    允许主存中每一字块映射到Cache中任何一块位置上，灵活，命中率也更高，缩小了块冲突率；
    缺点是所需的逻辑电路甚多，成本较高；
    字块内地址位数a=字块容量位数， 缓存字块地址位数b=主存字块地址位数c=缓存容量位数-a
    
    # 组相联映射
    是对直接映射和全相联映射的一种折中
    字块内地址位数a=字块容量位数， 缓存字块地址位数b=(缓存容量/组数)位数-a， 主存字块地址位数c=主存容量位数-b-a

33. 替换策略，三种

# 先进先出（FIFO）算法
    选择最早调入Cache的字块进行替换，不需要记录各字块的使用情况，比较容易实现，但是不能提高Cache的命中率，因为没有利用访存的局部性原理
    
    # 近期最少使用（Least Recently Used, LRU）算法
    比较好的利用了局部性原理，替换出近期使用最少的字块，需要随时记录Cache中各字块的使用情况，以便确定哪个字块是近期最少使用的字块，平均命中率比FIFO高
    
    # 随机法
    随机确定被替换的块，比较简单，也不能提高命中率

34. 磁表面存储器的主要技术指标

#记录密度
    指单位长度内所存储的二进制信息量；磁盘沿半径反向单位长度的磁道数为道密度，单位是tpi(track per inch)或tpm(track per milimeter); 单位长度磁道能记录的二进制信息的位数，称为位密度或线密度，单位是bpi(bits per inch)或bpm
    在磁盘各磁道上所记录的信息量是相同的，而位密度不同
    
    #存储容量
    指外存所能存储的二进制信息总数量，一般以位或字节为单位
    
    #平均寻址时间
    磁盘采取直接存取方式，寻址时间分为两个部分，一是磁头寻找目标磁道的找道时间ts, 二是找到磁道后，磁头等待欲读/写的磁道区段旋转到磁头下方所需要的等待时间tw；由于不同情况下ts和tw不等，因此取其平均值称为平均寻址时间Ta,它是平均找道时间tsa和平均等待时间twa之和；
    硬磁盘的平均寻址时间比软磁盘短，所以硬磁盘存储器比软磁盘快
    磁带存储器采取顺序存取方式，磁头不懂，磁带移动，不需要寻找磁道；
    
    #数据传输率
    
    #误码率
    是衡量磁表面存储器出错概率的参数，等于从辅存读出时，出错信息位数和读出信息的总位数之比，为减少出错率，磁表面存储器通常采用循环冗余码来发现并纠正错误

35. 硬磁盘存储器的发展动向

# 半导体盘
    用半导体材料制成的“盘”，既没有盘，也没有其他运动部件，以半导体芯片为核心，加上接口电路和其他控制电路，在功能上模拟硬盘，即按硬盘的工作方式存取数据；
    
    # 提高磁盘记录密度
    采用高密度记录磁头等6种方法，详见课本134页
    
    # 提高磁盘的数据传输率和缩短平均存取时间
    两个措施，1提高主轴转速，2采用超高速缓冲器Cache芯片作为读/写操作控制电路
    
    # 采用磁盘阵列RAID
    Redundant Array of Independent Disks，将并行处理技术引入到磁盘系统，用多台小型温盘构成同步化的磁盘阵列，将数据展开分放在多台盘上，而这些盘又能像一台盘那样操作；

36. 循环冗余校验码（cyclic redundancy check, CRC）可以发现并纠正信息在存储或传送过程中连续出现的多位错误代码；关键词，模2除，生成多项式G（x）作为被除数，增加k位全0信息位，求余数，具体过程见课本145页；

37. 光盘存储器与其他辅助存储器的比较

#光盘是非接触式读/写信息，光学头与盘面的距离几乎比磁盘的磁头与盘面的间隙大1万倍；
    
    #光盘可靠性高，对使用环境要求不高
    
    #光盘是靠直径小于1um的激光束写入每位信息，因此记录密度高，约为磁盘的10~100倍
    
    #光盘记录头分量重、体积大，使寻道时间长约30~100ms，写入速度低，约为0.2s,平均存取时间为100~500ms,与主机交换信息速度不匹配，因此它不能代替硬盘，只能作为硬盘的后备存储器
    
    #光盘的介质互换性好，存储容量大，目前价格较贵，不能替代磁带机
    
    #硬磁盘存储器容量大，数据传输率高，等待时间短，作为主存的后备存储器
    
    #软磁盘存储器（floppy disk）容量小，传输率低，平均寻道时间长，而且是接触式存取，容易磨损或误码，已逐渐淘汰
    
    #磁带存储器的历史比磁盘就，到20世纪60年代后期逐渐被磁盘取代
    
    以上所有相关的辅存种类搭配YouTube视频理解更佳

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L01pbnQyeXg0_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200524085116375.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L01pbnQyeXg0,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L01pbnQyeXg0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200524085949610.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L01pbnQyeXg0,size_16,color_FFFFFF,t_70
[https_www.youtube.com_watch_v_373FUw-2U2k]: https://www.youtube.com/watch?v=373FUw-2U2k