计算机组成原理【CO】Ch3 存储系统

文章目录

  • 考纲
    • 3.1 存储系统概述
    • 3.2 主存储器
    • 3.3 主存储器与CPU的连接
    • 3.4 外部存储器
    • 3.5 高速缓冲存储器
    • 3.6 虚拟存储器
  • 【※】存储系统总体流程图
  • 【※】各个部件的存储位置
    • 计算机存储相关硬件与数据结构说明
      • 进程控制块(PCB)
      • 页表
      • 页表始址
      • 页表始址寄存器(PTR)
      • MMU(内存管理单元)
      • TLB(Translation Lookaside Buffer,快表)
      • Cache
      • PS:
  • 【※】DRAM芯片计算引脚的数目
    • 计算芯片引脚的数目
  • 【※】多模块存储器
    • 双端口RAM
    • 多模块存储器
      • 高位交叉编址
      • 低位交叉编址
      • 计算主存的带宽
        • 微观角度:
        • 宏观角度:
  • 【※】磁盘存储器
    • 磁盘的设备组成
    • 磁盘的性能指标
    • 磁盘地址
    • 磁盘阵列RAID
  • 【※】固态硬盘SSD
    • 原理
    • 组成
    • 读写性能特性
    • 与机械硬盘相比的特点
    • 磨损均衡技术
  • 【※】Cache性能分析
    • Cahce性能分析
    • 技巧【计算Cache的命中率】:
    • Cache的命中率与:
    • 如何区分Cache与主存的数据块对应关系?
    • Cache很小,主存很大。如果 Cache 满了怎么办?
    • CPU 修改了 Cache 中的数据副本,如何确保主存中数据母本的一致性?
  • 【※】主存地址与Cache的映射关系、地址结构
  • 【※】Cache总位数/总容量
  • 存储器概述
    • 存储器性能指标
  • SRAM和DRAM的比较
  • 存储器与CPU的连接

考纲

本章是重点里的重点,大题小题的考频都很高。本章常结合操作系统一起考察,是408里跨学科考察最多的一章。王道书3.1~3.4主要考小题;3.5、3.6经常考大题,要深入理解和学习。

3.1 存储系统概述

  • 比较简单的一个小节,概念较多,重点记忆“存储器的性能指标”如何计算。
  • 本节两个大题建议做一做,是很有代表性的考法。

3.2 主存储器

  • SRAM、DRAM芯片的底层硬件原理不用过度深究,只需要了解它们之间有什么特性区别即可。王道书“3.2.1_3.DRAM芯片的读写周期” 部分过于底层,讲了电气特性,简单了解即可,计组课程里不用深究。
  • 只读存储器ROM事实上已经从大纲里删除,今年大家只需要简要了解即可,不用花时间记忆。王道书里依然坚持讲ROM是因为固态硬盘SSD、Flash存储器本质上也是一种ROM,因此也决定了固态硬盘和Flash存储器“读快写慢”的重要特性。
  • 要理解主存储器的基本组成,需要知道每个寄存器作用,主存内部各个基本部件之间是如何相互协调工作的,以及CPU是如何与主存交互的。
  • 视频3.2.4 中介绍了双端口RAM、多模块存储器。前者(双端口RAM)已从408大纲删除,自命题考生仍需学习,408考生简单了解即可。

3.3 主存储器与CPU的连接

  • 本节内容通常考察小题,目前408未出现过大题。
  • 截至目前,408历年真题中还没有考过让你把主存和CPU“画图连线”的大题。通常只会在选择题中考察“字扩展、位扩展、字位扩展”相关的小题,做题难度不大。

3.4 外部存储器

  • “磁盘存储器”是操作系统和计组都会讲的考点,相对来说操作系统讲的会更详细深入。因此,如果在计组这边第一次学习磁盘存储器,感觉理解不透也没关系,学完操作系统再回来看会容易很多。
  • “固态硬盘”是2022年大纲新增的考点,个人认为近几年极有可能考选择题,重点注意固态硬盘的读写特性(读快写慢、随机读写、写前需擦除、擦除寿命有限)以及负载均衡技术。大家只要能理解课件内那张思维导图,做选择题一定没问题。

3.5 高速缓冲存储器

  • 大题高频考点,常与操作系统第三章结合考察,综合性较高,但大题题型套路相对固定。
  • 强化阶段会用一个例子帮助大家串联操作系统第三章与Cache的相关知识。
  • 适合在第一轮做的大题已在学习进度打卡表中说明,未写进打卡表的题目中含有后序章节内容,不建议在第一轮做。

3.6 虚拟存储器

  • 本节内容和操作系统第三章高度重合。计组这边建议先快速看看书,有个大概的了解即可,等学完操作系统第三章,第二轮复习时再回来仔细研究。

【※】存储系统总体流程图

在这里插入图片描述

【※】各个部件的存储位置

在这里插入图片描述

计算机存储相关硬件与数据结构说明

进程控制块(PCB)

  • 存放在主存的系统区(内核区)中,是一个数据结构,用于存储进程的各种信息。

页表

  • 存放在 PCB 中,用于描述每个进程的虚拟空间与物理内存的映射关系。每个进程的低地址部分或高地址部分可能映射到同一片内核空间。

页表始址

  • 存放在 PCB 中的 unsigned int 变量,指示页表的起始地址。

页表始址寄存器(PTR)

  • 存放在 MMU 中,系统运行进程前(切换进程)CPU 将会把页表始址复制到页表始址寄存器中,每个进程的页表始址不同。

MMU(内存管理单元)

  • 集成在 CPU 中,负责虚拟地址到物理地址的转换。

TLB(Translation Lookaside Buffer,快表)

  • 高速存储器,通常由相联存储器或 SRAM 组成,包含于 MMU 中,属于 CPU。存放当前进程的页表项的副本数据,用于加速地址转换。
  • 缺失处理由硬件自动实现。

Cache

  • 高速存储器,由 SRAM 组成,包含于 CPU,但不属于 MMU 的一部分。
  • 切换进程时,Cache 进程不作废,不同进程可能共享同一页框。
  • 缺失处理由硬件自动实现。

PS:

  • TLB 和 Cache 在底层硬件原理上相同(SRAM),但作用不同。
    • TLB(快表)存放着当前进程的页表项的副本数据,用于加速地址转换。
    • Cache 存放着内存块的副本数据,用于加速数据访问。

• 在进程被调度,开始运行之前,CPU 会将其页表始址存放到页表始址寄存器中,每切换一个进程,页表始址寄存器内容改变,也就是切换了一张页表。

• 若新进程上处理机运行时,TLB 的副本数据则全部作废,有效位全部变成 0。而 Cache 中的内容不需要全部作废。当刚开始运行新进程时,会经常发生 Cache 未命中的情况。

即:当 A 进程切换到 B 进程时:
① 页表始址寄存器更新
② TLB 副本数据全部作废,Cache 不需要全部作废

【※】DRAM芯片计算引脚的数目

• ABC 位:行数=A,列数=B,一个超元=C 位。
• 访问内存时,DRAM 芯片的读取过程:

  • 从地址线获取内存地址,进行行、列译码。
    • 先行:将对应行的整行数据放入行缓冲中。行缓冲是一整行的超元。
    • 后列:将行缓冲中对应的超元读到数据线。

计算芯片引脚的数目

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【※】多模块存储器

双端口RAM

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  • 支持两个 CPU 同时访问 RAM。
  • 可同时读/写不同的存储单元。
  • 可同时读同一个存储单元。
  • 不能同时写(或者一读一写)同一个单元。
  • 若发生“冲突”,则发出“BUSY”信号,其中一个 CPU 的访问端口暂时关闭。

多模块存储器

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高位交叉编址

  • 理论上多个存储体可以被并行访问,但是由于通常会连续访问,因此实际效果相当于单纯的扩容。

低位交叉编址

  • 每个存储周期内可读写地址连续的 m 个存储字。
  • 每个体的存储字 = 总线的宽度。
  • 微观上,m 个模块被串行访问;
  • 宏观上,每个存取周期内所有模块被并行访问。
  • 连续取 n 个存储字耗时: T + ( n − 1 ) r 。 T + (n−1)r。 T+(n1)r
  • 存储体周期为 T,总线传输周期为 r,为了使流水线不间断,应保证模块数: m ≥ T / r m ≥ T/r mT/r

计算主存的带宽

  • 模块数:m、存储周期:T、字长:W、数据总线宽度:W、总线传输周期:r、连续存取 n 个字。
  • r = T / m r = T/m r=T/m
微观角度:
  • 连续取 n 个存储字耗时: T + ( n − 1 ) r T + (n−1)r T+(n1)r
  • 连续取 n 个字大小: n ∗ W n∗W nW
  • 主存的最大带宽 = ( n ∗ W ) / ( T + ( n − 1 ) r ) (n∗W) / (T + (n−1)r) (nW)/(T+(n1)r)
  • PS:当 n 较大时,带宽 → W/r,相当于 m 个存储体并行工作
宏观角度:
  • 一个存储周期内,低位交叉存储器可以提供的数据量为单个模块的 m 倍
  • 单个存储体的带宽 = W / T 单个存储体的带宽 = W/T 单个存储体的带宽=W/T
  • 主存的最大带宽 = m ∗ W / T 主存的最大带宽 = m∗W/T 主存的最大带宽=mW/T

【※】磁盘存储器

磁盘的设备组成

  • 磁头数:即记录面数,表示硬盘总共有多少个磁头。磁头用于读取/写入盘片上记录面的信息,一个记录面对应一个磁头。
  • 柱面数:表示硬盘每一面盘片上有多少条磁道。在一个盘组中,不同记录面的相同编号(位置)的诸磁道构成一个圆柱面。
  • 扇区数:表示每一条磁道上有多少个扇区。
    在这里插入图片描述

磁盘的性能指标

  • 容量:格式化与非格式化【更大】
  • 记录密度:道密度、位密度、面密度
  • 平均存取时间
    • 寻道时间(磁头移动到目的磁道)
    • 旋转延迟时间(磁头定位到所在扇区,即磁盘旋转半圈需要的时间)
    • 传输时间(传输数据所花费的时间)
  • 数据传输率:假设磁盘转数为 r(转/秒),每条磁道容量为 N 个字节,则数据传输率为 D r = r N D_r=rN Dr=rN

磁盘地址

  • 驱动器号 ∣ 柱面 ( 磁道 ) 号 ∣ 盘面号(磁头号) ∣ 扇区号 驱动器号|柱面(磁道)号|盘面号(磁头号)|扇区号 驱动器号柱面(磁道)盘面号(磁头号)扇区号
  • 柱面号 = ⌊ 簇号 / 每个柱面的簇数 ⌋ 柱面号 = ⌊ 簇号 / 每个柱面的簇数 ⌋ 柱面号=簇号/每个柱面的簇数
  • 磁头号 = ⌊( 簇号%每个柱面的簇数)/每个磁道的簇数 ⌋
  • 扇区号 = 扇区地址 % 每个磁道的扇区数

磁盘阵列RAID

  • 思想:利用磁盘廉价的特点提高存储性能、可靠性和安全性
  • RAID0:条带化,提高存取速度,没有容错能力【把连续的数据分割成相同大小的数据块,把每段数据分别写入到阵列中不同磁盘上的方法】
  • RAID1:镜像磁盘互为备份
  • RAID2~5:通过数据校验提高容错能力

【※】固态硬盘SSD

原理

  • 基于闪存技术 Flash Memory,属于电可擦除 ROM,即 EEPROM。
  • 是一种半导体存储器。
  • 是一种非易失性存储器。
  • 采用随机访问方式,可以代替计算机外部存储器。

组成

  • 闪存翻译层:负责翻译逻辑块号,找到对应页(Page)。
  • 存储介质:多个闪存芯片(Flash Chip)。每个芯片包含多个块(Block),每个块包含多个页(Page)。
    在这里插入图片描述

读写性能特性

  • 以页(Page)为单位读/写,相当于磁盘的“扇区”。
  • 以块(Block)为单位进行“擦除”,擦干净的块中的每页都可以写入一次,读取无限次。
  • 支持随机访问,系统给定一个逻辑地址,闪存翻译层可以通过电路迅速定位到对应的物理地址。
  • 读取速度快、写入速度慢。如果要写入的页有数据,则不能直接写入,需要将块内其他页全部复制到一个新的(擦除过的)块中,再写入新的页。

与机械硬盘相比的特点

  • SSD 读写速度快,随机访问性能高,通过电路控制访问位置;
  • 机械硬盘通过移动磁臂旋转磁盘控制访问位置,有寻道时间和旋转延迟;
  • SSD 安静无噪音、耐摔抗震、能耗低、造价更贵;
  • SSD 的一个“块”被擦除次数过多(重复写同一个块)可能会损坏,而机械硬盘的扇区不会因为写入次数太多而损坏。

磨损均衡技术

  • 思想:将“擦除”平均分布在各个块上,以提升使用寿命。
  • 动态磨损均衡:在写入数据时做出决策,优先选择累计擦除次数少的新闪存块。
  • 静态磨损均衡:SSD 空闲时,将数据按读写特性进行迁移。SSD 监测并自动进行数据分配、迁移,让老旧的闪存块承担以读为主的存储任务,让较新的闪存块承担更多的写任务。

【※】Cache性能分析

Cahce性能分析

  • t c t_c tc 是访问一次 Cache 所需要的时间, t m t_m tm 是访问一次主存需要的时间
    • 命中率 H:CPU 欲访问的信息已经在 Cache 中的比率, H = 总命中次数 / 总的 C a c h e 访问次数 H = 总命中次数 / 总的 Cache 访问次数 H=总命中次数/总的Cache访问次数
    • 缺失率 M = 1 − H M = 1 − H M=1H
    • Cache-主存系统的平均访问时间 t 为:
      • 先访问 Cache,若 Cache 未命中,再访问主存: t = H × t c + ( 1 − H ) × ( t c + t m ) t = H×t_c + (1 − H) × (t_c + t_m) t=H×tc+(1H)×(tc+tm)
      • 同时访问 Cache 和主存,若 Cache 命中,则立即停止访问主存: t = H × t c + ( 1 − H ) × t m t = H×t_c + (1 − H) × t_m t=H×tc+(1H)×tm
    • C a c h e − 主存系统的性能效率 = 访问 C a c h e 的时间 / 系统平均访问时间 = t c / t Cache-主存系统的性能效率 = 访问 Cache 的时间 / 系统平均访问时间 = t_c / t Cache主存系统的性能效率=访问Cache的时间/系统平均访问时间=tc/t

技巧【计算Cache的命中率】:

  • 如果每一行的 Cache 缺失情况一样,则可以只讨论一行的缺失情况。
  • 互换行列的访问顺序后,Cache 命中率要么猜同上,要么猜 0。

Cache的命中率与:

  • Cache 的容量、块的大小、地址映像方式和替换算法有关。
  • 每次被访问的主存块,一定会被立即调入 Cache。

如何区分Cache与主存的数据块对应关系?

  • Cache 和主存的映射方式。

Cache很小,主存很大。如果 Cache 满了怎么办?

  • 替换算法。

CPU 修改了 Cache 中的数据副本,如何确保主存中数据母本的一致性?

  • Cache 写策略。

PS:

  • 比较器的个数就是分组中的 Cache 行数。
  • 比较器的位数就是 Tag 标记位数 20。

【※】主存地址与Cache的映射关系、地址结构

  • 主存容量 / C a c h e 容量 = 2 标记位( t a g ) 主存容量 / Cache 容量 = 2^{标记位(tag)} 主存容量/Cache容量=2标记位(tag
  • 做题时要看清题目给出的是主存地址还是主存块号。
    • 主存块号 = 主存地址 / 块的大小 主存块号 = 主存地址 / 块的大小 主存块号=主存地址/块的大小
      在这里插入图片描述

【※】Cache总位数/总容量

  • 数据区【Cache块的大小】+标记区【存储容量+标记阵列容量】

  • 标记阵列:
    在这里插入图片描述

  • 数据区【Cache块的大小】+标记区【存储容量+标记阵列容量】

  • 标记阵列:
    -

  • 数据区 = Cache块的大小(B)* 8,因为一般都是问Cache总位数,注意题目条件

存储器概述

随机存储器【RAM】

  • 读写方便,使用灵活

  • RAM分为静态RAM和动态RAM

  • RAM主要为用户编程设置的

  • 存储器的任何一个存储单元都可以随机存取

  • 存取时间与存储单元的物理位置无关

  • 主要用于做主存(DRAM)或高速缓冲存储器(SRAM)

只读存储器【ROM】

  • ROM与RAM一起统一构成主存的地址域

  • ROM和RAM的存取方式均为随机存取

  • 操作系统的内存储器既有RAM也有ROM

  • 广义上的ROM现在可通过电擦除进行写入

  • ROM存放系统程序,标准子程序和各类常数

  • 存储器的内容只能随机读出而不能写入

  • 信息一旦写入就不变,断电后也不消失

  • 通常用于存放固定不变的程序,常数和汉字字库

串行访问存储器

顺序存取存储器【磁带】

  • 存取速度慢
  • 只能按某种顺序存取

直接存取存储器【磁盘,光盘】

  • 既不是随机存取也不是按顺序存取

存储器性能指标

  • 存储容量 = 存储字数 × 字长
  • 单位成本(每位价格) = 总成本 / 总容量。
  • 数据传输率(主存带宽) = 数据的宽度 / 存储周期。
  • 存储周期 = 存取时间 + 恢复时间

SRAM和DRAM的比较

属性SRAM【Static Random Access Memory】DRAM【Dynamic Random Access Memory】
主要用途Cache主存
存储信息触发器,双稳态电路电容
破坏性读出
需要刷新不需要需要【由存储器独立完成,不需要CPU的控制】
送行列地址同时送分两次送 【地址线复用技术,导致地址线、地址引脚减半】
运行速度
集成度
存储成本
是否易失

存储器与CPU的连接

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