存储系统

思维导图：

存储器概述

存储器的分类

• 按在计算机中的作用(层次)分类

  • 主存储器，简称主存(内存)

    存放计算机运行期间所需的程序和数据，CPU可以直接对其进行访问。

  • 辅助存储器，简称辅存(外存)

    辅存的内容需要调入主存后才能被CPU访问。

  • 高速缓冲存储器，简称Cache(位于主存和CPU之间)

    用来存放当前CPU经常使用的指令和数据，以便CPU能够高速地访问他们。

• 按存储介质分类

  • 磁表面存储器(磁盘、磁带)
  • 磁芯存储器、半导体存储器(MOS型存储器、双极型存储器)
  • 光存储器(光盘)

• 按存储方式分类

  • 随机存储器（RAM）Random Access Memory，也就是内存

    存储器的任何一个存储单元都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。
    它与 ROM 的最大区别是数据的易失性，即一旦断电所存储的数据将随之丢失。
    RAM又分为静态RAM和动态RAM。

  • 只读存储器（ROM）Read-Only Memory

    存储器的内容只能随机读出而不能写入。
    断电不会丢失

  • 串行访问存储器

• 按信息的可保存性分类

  • 断电易失，如RAM
  • 断电不丢失，ROM，磁盘，光盘
  • 破环性读，如DRAM
  • 非破坏性读，如SRAM，磁盘等

存储器的性能指标

• 存储容量

  • 存储容量＝存储字长＊字长(如1M*8位)

    存储字数表示存储器的地址空间大小；
    字长表示一次存取操作的数据量。

• 单位成本

  • 每位价格=总成本/存储周期

• 存储速度

  • 数据传输率=数据的宽度/存储周期

    存取时间（Ta）：存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和读入时间。
    存取周期（Tm）：存取周期又称读写周期或访问周期。它是指存储器进行一次完整的读写操作所需要的全部时间，即连续两次独立访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔。
    主存带宽（Bm）：主存带宽又称数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字/秒、字节/秒(B/s) 或 位/秒(b/s)。

多级层次的存储系统

• 寄存器

• Cache

  • L1 Cache
  • L2 Cache
  • L3 Cache

• 主存/内存

• SSD/HDD硬盘

• 磁带、磁盘

主存储器

SRAM(Cache)和DRAM(主存)

• SRAM芯片的工作原理

  通常把存放一个二进制位的物理器件称为存储元，它是存储器的最基本的构建。地址码相同的多个存储元构成一个存储单元。若干存储单元的集合构成存储体。
  特点：SRAM的存取速度快，但集成度低，功耗较大，价格昂贵，一般用于高速缓冲器。

• DRAM的工作原理

  动态随机存储器（DRAM）是利用存储元电路中栅极电容上的电荷来存储信息的，DRAM的基本存储单元通常只使用一个晶体管，所以它的密度要比SRAM的密度要高很多。

  • 常用的刷新方式(3种)

    • 集中刷新
    • 分散刷新
    • 异步刷新

只读存储器

• 只读存储器(ROM)特点

  ROM和RAM 都是支持随机存取的存储器，其中 SRAM 和 DRAM 均为易失性半导体存储器。而 ROM 中一旦有了信息，即使断电也不丢失。
  ROM 器件有两个显著的优点：
  1）结构简单，所以位密度比可读写存储器的高
  2）具有非易失性，所以可靠性高。

• ROM类型

  • 掩模式只读存储器(MROM)
  • 一次可编程只读存储器(PROM)
  • 可擦除可编程只读存储器(EPROM)
  • Flash存储器
  • 固态硬盘(SSD)

主存储器与CPU的连接

连接原理

主存容量的扩展

• 位扩展法
• 字扩展法
• 字位同时扩展法

存储芯片的地址分配和片选

存储器与CPU的连接

外部存储器

磁盘存储器

• 磁盘存储器
• 磁盘阵列

固态硬盘

高速缓冲存储器

程序访问的局部性原理

Cache的基本工作原理

Cache和主存的映射方式

• 直接映射
• 全相联映射
• 组相联映射

Cache中主存块的替换算法

Cache写策略

虚拟存储器

基本概念

页式虚拟存储器

• 页表
• 快表
• 具有TLB和Cache的多级存储系统

段式虚拟存储器

段页式虚拟存储器

虚拟存储器与Cache的比较

• 相同之处
• 不同之处