存储系统

存储系统

层次化存储结构

从上到下速度越来越慢，容量越来越大
^   CPU 寄存器，单位是bit，32位、64位
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|   Cache  按内容存取，单位是M
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|   内存  单位是G，4G、8G、16G
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|   外存(辅存)  如硬盘、光盘、U盘等，512G、1T
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v
虚拟存储器 = 内存+外存
三级存储体系 = Cache+内存+外存

局部性原理是层次化存储结构的支撑

• 时间局部性 刚被访问的内容，立即又被访问(如循环体)
• 空间局部性 刚被访问的内容，临近的内容很快会被访问(顺序执行)

存取方式

• 按内容存取

  相联存储器(如Cache)

• 按地址存取

  随机存取存储器(如内存)

  顺序存取存储器(如磁带)

  直接存取存储器(如磁盘)

工作方式

• 随机存取存储器RAM，掉电会丢失，如内存RAM

  内存中用的是DRAM，

  DRAM集成率相对较高，功耗高，需要动态刷新

  SRAM集成率相对较低，功耗低，不需要动态刷新

• 只读存储器，掉电不会丢失，如BIOS

  EEPROM在断电情况下仍能保持所存储的数据信息，数据删除以字节为单位

  闪存是电子可擦除只读存储器(EEPROM)的变种，数据删除是以固定区块为单位的，比一般的EEPROM更新速度更快，通常被用来保存设置信息

内存

内存指的是计算机的主存储器，简称主存，主存通过控制芯片等与CPU相连，主要负责存储指令和数据。

分为两类

• 随机存储器 RAM
• 只读存储器 ROM

高速缓存Cache

由于CPU和内存之间的速度相差较大，两者之间还有一个高速缓存。

高速缓存地址映像方式

地址映像是将主存和cache的存储空间划分为若干大小相同的页或者块。

如 主存容量为1G，划分为2048页，每页512K，Cache容量为8M，划分为16页，每页512K

• 直接相联映像 硬件电路较简单，但冲突率最高。也就是在将主存划为2048/16 = 128个区域，每个区域为16页，主存的块与Cache块的对应关系是固定的

  

• 全相联映像 电路难于设计和实现，只适用于小容量的cache，冲突率较低。允许主存的任一块可以放到Cache任意页的位置，冲突率低

  

• 组相联映像 直接相联和全相联的折中，在直接相联的区的基础上又加入了组，组内可以全相联，组之间直接映射，降低了冲突率

主存和cache之间的地址映射由硬件直接完成

高速缓存的替换策略

• 随机算法
• 先进先出算法FIFO（使用队列）
• 最不经常使用算法LFU (需要额外空间记录使用频率)
• 最近最少使用算法LRU（一般使用双向链表实现）