十、存储系统

10.1 层次结构主存–辅存：实现虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题。

Cache–主存：解决了主存与CPU速度不匹配的问题。

10.2 分类

1、按位置分类：可分为内存和外存。

• 内存（主存）：用来存储当前运行所需的程序和数据，速度快，容量小。
• 外存（辅存）：用来存储当前不参与运行的数据，容量大但速度慢。

2、按材料分类，可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。

• 磁存储器：用磁性介质做成，如磁芯、磁炮、磁盘、磁带等。
• 半导体存储器：根据所用元件又可分为双极型和MOS型两类；根据是否需要刷新可分为静态和动态两类。
• 光存储器：由光学、电学和机械部件等组成，如光盘存储器。

3、按工作方式，可分为读/写存储器和只读存储器。

• 读/写存储器（RAM）它既指读取数据也能存入数据的存储器。
• 只读存储器（ROM）工作过程仅能读取的存储器。

根据数据的写入方式，有可细分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等类型。

1. 固定只读存储器（ROM）这种存储器实在厂家生产时就写好数据的，其内容只能读出，不能改变。一般用于存放系统程序BIOS和微程序控制。
2. 可编程的只读存储器（PROM）。其中的内容可以由用户一次性写入，写入后不能再修改。
3. 可擦除可编程的只读存储器（EPROM)。其中的内容即可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以修改，紫外线照射擦除信息。
4. 电擦除可编程的只读存储器（EEPROM)。与EPROM相似，EEPROM中的内容既可以读出，，也可以进行改写，电擦除的方法进行数据的改写。
5. 闪速存储器（Flash Memory).简称闪存，闪存的特性介于EPROM和EEPROM之间，类似与EEPROM，也可使用电信号进行信息的擦除操作，整块闪存可以在数秒内删除，速度远快于EPROM。

10.3 高速缓存Cache

高速缓存（Cache)是位于CPU和主存之间的高速存储系统。

采用高速缓存的主要目的：提高存储器的平均访问速度，使存储器的速度与CPU的速度相匹配。

Cache的存在对程序员是透明的。其地址变换和数据块的替换算法均由硬件实现。

通常Cache被集成CPU内，以提高访问速度，其主要特点是容量小、速度快、成本高。

Cache由两部分组成：

1. Cache存储器部分：用来存放主存的部分复制信息。
2. 控制部分的功能是：判断CPU要访问的信息是否在Cache存储器中，若在，即为命中，若不在则没有命中。

10.4 Cache 的三种地址映像

因为处理机都是按主存地址访问的，而Cache存储器中读写信息，因此就需要地址映像，即把主存中的地址映射成Cache存储器中的地址。地址映像方法有三种，

1、直接映像：就是主存的块与Cache中的块对应关系是固定的。主存中的块只能存放在Cache存储器的相同块号中。因此只要主存地址中的区号与Cache中的主存区号相同，则表明访问Cache命中。

这种方式的优点：地址变换简单，缺点：灵活性差。

2、全相联映像：允许主存的任一块可以调入Cache的任一块空间。在地址变换时，将主存地址高位表示的主存块号与Cache中的主存块号进行比较，若相同则为命中。

这种方式的优点:主存的块调入Cache的位置不受限制，十分灵活。缺点：无法从主存块号中直接获得Cache的块号，变换复杂，速度比较慢。

3、组相联映像：这种方式是前面两种方式的折中。具体方法是将Cache先分成组再分为块。

组相联映像就是组间采用直接映像方式，而组内的块采用全相联映像方式。

10.4 Cache的性能分析

Cache的性能分类：：

若H为Cache的命中率，$t_c$为Cache的存取时间，$t_m$为主存的访问时间，则Cache的等效访问时间为

$t_a=H{t}_c+(1-H)t_m$

使用Cache比不使用Cache的CPU访问存储器的速度提高的倍数r可以使用下式求得

$r=\frac{t_m}{t_a}$

试题12（2017年上半年上午试题6）

以下关于Cache（高速缓冲存储器)的叙述中,不正确的是（ ）

A. Cache的设置扩大了主存的容量

B.Cache的内容是主存部分内容的拷贝

C.Cache的命中率并不随其容量增大线性地提高

D.Cache位于主存与CPU之间

试题17（2016年上半年上午试题6）

以下关于Cache与主存间地址映射的叙述中，正确的是

A.操作系统负责管理Cache与主存之间的地址映射

B.程序员需要通过编程来处理Cache 与主存之间的地址映射

C.应用软件对Cache与主存之间的地址映射进行调度

D.由硬件自动完成Cache与主存之间的地址映射

试题19（2016年上半年上午试题2）

主存与Cache的地址映射方式中，( ) 方式可以实现主存的任意一块装入Cache中任意位置，只有装满才需要替换。

A.全相联 B.直接映射 C.组相联 D.串并联

答案：ADA

10.5 主存的扩展

10.6 主存的编址

内存地址从AC000H到C7FFFH，共有_（1）_K个地址单元，如果该内存地址按字（16bit） 编址，由28片存储器芯片构成。已知构成此内存的芯片每片有16K个存储单元，则该芯片每个存储单元存储(2)____位。

(1) A.96 B.112 C.132 D.156

(2 A.4 B.8 C.16 D.24

10.7 磁盘存储器

存取时间= 寻道时间+等待时间（平均定位时间+转动延迟）

注意：寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间；

等待时间为等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间。

11 、总线系统

1、片内总线（内部总线）

片内总线是芯片内部的总线。它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。

2、系统总线

系统总线是计算机系统内供各功能部件（CPU、主存、I/O接口）之间相互连接的总线。按系统总线传输信息内容的不同，有可分为3类：数据总线、地址总线、控制总线。

3、通信总线（外部总线）

用于设备一级的互连，计算机可通过该总线和其他设备进行信息与数据交换。

12、磁盘阵列技术（RAID）

磁盘阵列由多台磁盘存储器组成，是快速、大容量且高可靠 的外存子系统。现在常见的独立冗余磁盘阵列（RAID）就死一种由多块独立磁盘构成的冗余阵列。RAID技术分为几种不同的等级，分别可以提供不同的速度、安全和性价比。

RAID级	说明
RAID-0	RAID-0是一种不具备容错能力的磁盘阵列
RAID-1	RAID-1是采用镜像容错技术改善可靠性的一种磁盘阵列
RAID-2	RAID-2是采用海明码进行错误检测的一种磁盘阵列
RAID-3	RAID-3减少了用于检验的磁盘存储器的台数，从而提高了磁盘阵列的有效容量，一般只有一个检验盘
RAID-4	RAID-4是一种可以独立地对组内各磁盘进行读写的磁盘阵列，该阵列也只用一个检验盘
RAID-5	RAID-5是对RAID-4的一种改进，它不设置专门的检验盘，同一台磁盘上既记录数据，也记录检验信息，这就解决了前面多台磁盘机真用一台检验盘的问题。
RAID-6	RAID-6磁盘阵列采用两级数据冗余和新的数据编码以解决数据恢复问题，在两个磁盘出现故障时仍然能够正常工作。在进行写操作时，RAID-6分别进行两个独立的校验运算，形成两个独立的冗余数据，并写入两个不同的磁盘。

13、计算机可靠性

计算机系统的可靠性是指从它开始运行（t=0 )到某个时刻 t 这段时间正常运行的概率，用R(t)表示。

某系统由下图所示的余部件构成。若每个部件的千小时可靠度都为R，则该系统的
千小时可靠度为（4）

A.(1-R²)(1-R²) B.(1-(1-R))(1-(1-R))

C.(1-R²)+(1-R²) D.(1-(1-R)²+(1-(1-R)²)

串联部件的可靠度=各部件的可靠度的乘积

并联部件的可靠度=1-部件失效率的乘积

第一节到此结束（下次见~~）