存储系统：引言：

本文介绍了计算机组成原理中存储系统 的整体框架和具体细节，可以结合目录一起学习，更容易理解。

重要：

我们已经知道

计算机组成的基本构成；数据在计算机中以什么形式存储的；数据在计算机中是怎样运算的。

以上三点了解即可，不是面试的重点；那么问题来了，存储这些数据的物件--存储器有哪些，具体有什么区别？下面先给出存储系统要学习的总体知识，这是一个全局观，应该有一个路线，往下学习才会显得游刃有余。

存储系统要学习什么？

存储系统的层次结构；存储器的分类；存储器的性能指标；

到这里，已经有一个整体的认识，然后再从主存、外存、cache、虚拟存储系统具体讲一讲各个细节，让你彻底搞懂计算机组成原理的存储系统；

一、存储器的层次结构：

从下到上，速度越来越快，容量越来越小，价格越来越高，越靠近CPU；

下面相连的表示可以直接进行数据交换，显然，缓存和主存可以直接和CPU进数据交换，而辅存只能先将数据调入内存才能被CPU访问；

另外：

二、存储器的分类：

1）按层次结构分类：

2）按存储介质分类：

3）按存取方式分类：

4）按信息的可更改性分类：

5）按信息的可保存性分类：

三、存储器的性能指标：存储容量：由MAR、MDR的位数反映；单位成本：总成本/总容量；存储速度：数据传输率=存储字长/存储周期。（存储周期包括存取时间和恢复时间）四、主存：1、主存的基本组成：

主存由存储体，MAR，MDR组成；其中存储体中的存储元件是半导体元件；但是，现在的计算机经常将MAR、MDR集成到CPU中（但MAR、MDR逻辑上还是归为主存的一部分）；

a）MAR、MDR：

关于MAR、MDR只根据其位数确定地址线，数据线，引脚即可（不是面试的重点）；

b）存储体（RAM，ROM）RAM：

是一种半导体存储器，RAM分为动态随机存储器DRAM（主存） 和 静态随机存储器SRAM（cache）

1）动态随机存储器DRAM：（刷新，地址复用）：

DRAM有以下特点

关于刷新：

为什么要刷新：栅极电容里的电荷即使不被读出，也只能维持2ms左右。多久刷新一次：2ms怎么刷新：以行为单位，每次刷新存储体中的一行，每次刷新占用一个读写周期；什么时候刷新：

注意：

1、刷新是存储器自己完成的，不是cpu控制的，与cpu无关；

2、刷新不等于再生：刷新是以行为单位，对全部数据进行恢复；再生仅对需要恢复的那些单元进行恢复；

3、DRAM现在已经过时了，现在用的是SDRAM；DRAM采用的异步方式（cpu发出控制命令后经过一段时间才能读出或写入，在这段时间内不允许干其他事情），SDRAM采用的是同步方式（cpu发出控制命令后，在操作系统的时钟控制下，支持突发传送，在传送等其他不需要用到cpu等时候，可将cpu脱离出，干其他事情，提高cpu利用率）

4、DRAM采用地址复用技术：DRAM芯片的容量较大，地址位数较多，为了减少地址引脚的数量，采用地址引脚复用技术，将存储单元的地址划分为行地址和列地址，分两次输入才能确定某个存储单元。

2）静态随机存储器SRAM：

SRAM有以下特点：

3）DRAM和SRAM等对比DRAMSRAM

使用栅极电容

使用双稳态触发器

是破坏性读出

不是破坏性读出

易失性（区别于ROM）

易失性

结构简单，集成度高，成本低，运行速度慢，发热量小

结构复杂，集成度小，成本高，运行速度快，发热量大

需要重写，需要刷新

不需要重写，不需要刷新

地址复用

不采用地址复用

ROM：

ROM：只读存储器，不是易失性的，断电后数据不丢失，这是区别于RAM的本质。

常见的ROM：

1）MROM：掩模式只读存储器>

只能厂家生产时写入一次数据；

特点：可靠性高，灵活性差，生产周期长，只适合批量定制

2）PROM：可编程只读存储器>

用户可用专门的PROM写入器写入信息，写入一次之后就不能更改；

3）EPROM：可擦除可编程只读存储器>

用户可通过特殊手段多次重写：

4）闪存Flash：

读操作时直接读，写操作时需要先擦除再写入，所以读的书读比写的速度快很多；

5）SSD固态硬盘：

由Flash芯片（控制单元+存储单元）构成；与闪存的核心区别在于控制单元不一样，但存储介质都类似（都是半导体）

特点：速度快，功耗低，价格高，目前多取代机械硬盘；

6）BIOS：

虽然集成在主板上，但逻辑上还是属于主存，存储的是操作系统的“自举装入程序”

由此可见：

虽然ROM叫只读存储器，但不一定只能读；同时很多ROM也有“随机存取”的特性，因此ROM和RAM在概念上并没有明显的区分；区分RAM和ROM的本质上是否为易失性的。

至此，我们对主存储器的构成已经有全面的学习！！！！！！！！！！！

补充：

在传统的RAM中会存在以下的问题：

多核CPU对单个内存访问时，出现等待现象；---解决：双端口RAM即便是单核CPU，CPU的访问速度比主存快得多，而主存恢复时间太长，如何解决两者速度不匹配的问题？---解决：多模块存储器、引入cache主存容量太小应该如何解决？----芯片扩展

1、双端口RAM：

对同一块地址，多个处理器可以同时读，但不能同时写；

2、多模块存储器：

多模块存储器分为单体多字存储器和多体并行存储器；

1）单体多字存储器：

对存储体中的存储单元的大小进行调整，让一个存储单元包含更多的字，这样CPU执行一条指令读取出一个存储单元中含有更多的字。 显然，存储体的总字数是不变的，主存容量也没有得到增加；

2）多体并行存储器：

由于主存中的数据被读取后需要有恢复时间，这段时间内CPU是无法访问该主存的，所以可以引入多个内存条，采用某种编址方式，在cpu无法访问某个主存时访问别等主存，只要设计得当，相当于提升了主存的速度。

同时启动：数据总线的宽度必须大于等于一次读写所有模块时的总位数；

轮流启动：在某个模块进入恢复时间时，启动另外一个模块，这样，数据总线的宽度与一个模块的存储字长相等即可。

当每个模块的存取周期为T，存取时间为r时，为保证流水线不间断，必须使模块数>=T/r######

3）芯片拓展：

因为主存是与cpu直接相连的，这会存在两个问题：

1、cpu的数据总线宽度可能大于主存的存储字长，这使得一个传输给cpu的比特数比cpu能处理的最大位数小，发挥不了cpu的最大功能；---位拓展

2、单块存储器的存储字长有限，如何扩展---字扩展

线选法：cpu的高位地址线连接的是一组芯片，没有使用译码器，其地址线的信号为0时，表示选中该芯片；这样造成了各芯片的地址不连续，不能充分利用系统的存储空间，造成地址资源的浪费；

片选法：cpu多余的地址线连接译码器，译码器再连接各组芯片，通过译码器的译码来选择具体哪一片芯片工作。这样解决了线选法地址不连续的问题；字位扩展法：对位扩展和字扩展的综合使用；一般使用片选法。

2）主存与CPU之间的连接

主存通过数据总线、地址总线、控制总线与CPU连接；综合上述，要设计一个高速度，大内存的主存系统，需要合理的利用cpu的数据总线，地址总线。

五.外存：

外部存储器（外存）主要有磁盘存储器（磁盘）和固态硬盘（SSD）；

1、磁盘存储器：

磁盘存储器是以磁盘为存储介质的存储器，我们需要知道磁盘的组成，工作过程，优缺点，性能指标；

1、组成：

1）存储区域（盘片）：

2）磁盘驱动器、磁盘控制器

2、工作过程（磁盘地址）：

引入磁盘地址：由柱面号+盘面号+扇区号组成；

计算机在进行读取数据的过程：

1、先通过磁盘地址找到数据所在的扇区：由磁盘地址，先确定数据在哪条道，哪个面，哪个扇区；找到对应扇区

2、进行顺序的读取的：找到扇区后以扇区为单位进行读写；

注意：读写一定是串行的，如果cpu传来的信号是并行信号，那么要通过并-串变换电路转为串行信号才能接收；同样，读取的数据要通过串-并变换电路才能传给cpu；

3、优点：4、缺点5、性能指标：

磁盘容量：格式化和非格式化下的磁盘容量是不一样的，非格式化下的容量要大于格式化下的容量；

记录密度：

平均存取时间：=磁盘控制器的时间+寻道时间+旋转磁盘时间+传输时间；

数据传输率：=转速✖️每条道n个字节=1圈的数据/有效时间；

6、补充-磁盘阵列：

磁盘阵列，也叫廉价磁盘阵列；由于存储在磁盘中的数据只有一份，没有容错能力（出现差错没办法恢复），所以引入磁盘阵列，使用多个磁盘对数据进行存储；

存储方案有：RAID0、RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5

2、固态硬盘SSD：

固态硬盘是一种基于闪存的存储器，与U盘没有本质区别，只是容量更大，存取性能更好；

1、组成：由闪存翻译层和闪存芯片组构成；

闪存芯片代替了传统磁盘的机械驱动器；

闪存翻译层代替了传统磁盘的机械控制器；

注意：由于闪存翻译层是通过电路迅速定位到页的地址的，所以SSD是支持随机访问的；

2、SSD的读写：SSD的读写是以闪存芯片中一个页为单位的；但是擦除是一以块为单位的；

1）导致SSD中的数据地址会发生改变，闪存翻译层必须对其重新映射，显然，写操作速度比读慢得多；

2）一个SSD块被擦除次数过多，会使得整个SSD坏掉；-----磨损均衡策略；

3、磨损均衡策略：

3、Cache：1、cache产生原因：

由于cpu对主存的访问速度相对来说还是很慢的，通过多模块存储的方式，可以改进其整体速度，但单存依靠主存自身来提升是有限的，所以引入cache（高速缓存），cache（由DRAM组成）拥有比主存更快的速度，可以将主存的数据备份到cache中，之后要取数据直接从cache中取；

2、Cache的原理——局部性原理：

计算机正是将这些被认为是符合局部性原理的数据调入cache，以提高整体的速度；

3、如何界定“周围”的数据：

将主存和cache的存储空间分块，主存的块和cache的块大小相同，两者之间的数据交换是以块为单位的；

4、cache的工作过程：当cpu发出读请求时：**当cpu发出写请求时：**

注意：

4、性能指标：

注意：计算这些性能指标是默认是先从cache找，然后再从主存找的顺序；

5、cache和主存的地址映射：

cache的地址：

主存地址：由于主存的块号比cache多得多，所以主存地址的位数足以表示其在cache中的位置，不同的映射方式将主存地址逻辑上划分为不同的意义；

注意：主存地址的标记=cache地址等标记位；

映射的方式有：

1）直接映射：固定位置存放

主存块在cache 中的位置：主存块号%cache总块数；

映射过程：直接映射：主存物理地址=标记➕cache行号➕块内地址；

确定哪一个cache行：通过主存地址的caceh行号确定其在cache的哪一行；比较主存的标志和cache标记位：找到对应的cache行，比较其标志位和主存地址的高位（标记）是否相同，如果相同且cache行的有效位为1，则说明命中。找到对应的字节：根据主存中的块内地址，找到其在cache行中的具体偏移量（哪个字节），读取数据；

显然，对于具体的主存地址，其在cache的哪一行是确定的，所以只需要一个比较器来判断该cache行数据是否为该主存地址的数据即可；

2）全相联映射：随意放

映射过程：全相联映射：主存物理地址=标记➕块内地址；

确定哪一个cache行： cache中的每一行的标记位通过比较器与主存的高位（标记位）比较；找到对应的字节： 若匹配且有效位为1，则匹配成功，根据主存地址的块内地址找到具体的字节进行读取；

显然，有个cache行就需要几个比较器；

3）组相联映射：

映射过程：组相联映射：主存物理地址=标记➕组号➕块内地址（4路组相关是指cache中一组有4个cache行）；映射过程：

确定在cache中的哪一组： 根据主存地址的组号确定其在cache中的组号；比较该组中所有的cache行；找到对应的字节；

显然，n路组相关就需要n个比较器；

6、替换算法：

在全相联映射中或组相联映射中，当主存块向cache中传送一个块时，可能遇到cache行已满，这时就需要使用替换算法，而在直接映射中遇到这种情况是直接强制替换的，无需考虑替换算法；

替换算法：

1）随机算法RAND：

若cache已满，则随机选择一块替换；

优点：实现简单；

缺点：没考虑局部性原理，命中率低，实际效果不稳定；

2）先进先出算法FIFO：

先进入cache的块先被替换；

优点：实现简单；

缺点：没考虑局部性原理，有“抖动”现象；（刚刚被替换的块又很快被调入）

3）近期最少使用算法LRU：

为cache分配一个计数器，记录每个cache多久没有被访问了，替换时选择计数器最大的cache块；

计数器工作过程：

当访问命中cache时，该cache的计数器清0，比他小的都➕1；（这里保证当cache有2的n次方时，计数器只需要n位即可保证计数器的值不重复）当访问未命中cache且cache行有空行：装入该块，并置其计数器为0，其他计数器➕1；当访问未命中cache且cache行没有空行：替换计数器最大的cache块并置0，其余都➕1；

优点：考虑了局部性原理，实际运行效果优秀；

缺点：有抖动现象；

4）最近不经常使用LFU：

与LRU相似，只是计数器记录的是cache块被访问的次数，每次替换时选择计数器最小的cache块替换，当计数器的值相等时，可选用FIFO算法选择替换；

缺点：1、没有考虑局部性原理；2、有抖动现象；3、计数器的值可能很大，这对计数器的位数要求很高；

7、Cache的写策略

解决数据一致性问题；因为cache中保存的是主存块的副本，当cache块内容更新时，就需要使用写策略来保证主存和cache的数据一致性；

1、写命中时：a）全写法（直写法）：

当写命中时，同时写入主存和cache，这样随时可保证主存和cache的数据一致性；

缺点：增加了访存次数，降低cache的效率；所以引入写缓冲，先将数据写入写缓冲，之后慢慢的写入主存，不占用cpu资源，但是，可能造成写缓冲饱和溢出；

b）写回法（回写法）：

当写命中时只对cache进行修改，之后该cache块被替换时才写回主存；所以引入脏位，当脏位为1时表示该cache块被修改过，替换时必须写回主存；

2、写不命中时：写分配法：

当写未命中cache时，只写入cache，之后该cache块被替换时写回主存；

非写分配法：

当写未命中cache时，只写入主存，而不把主存的数据调入cache；

通常，全写法与非写分配法搭配使用；写回法和写分配法搭配使用；

8、虚拟存储系统：1、虚拟存储系统解决了什么问题：

上面提到，主存内存很小，当一个程序比内存还大时，没办法将整个程序都调入主存再运行，即使一个程序比内存小，假设就小一点，如果全部转入主存，那么主存能利用的空间就会变得很少，cpu在这段时间也只能访问该程序，无法处理其他的事情（因为数据要在内存中才能被cpu访问）。

所以采用虚拟存储系统，借用辅存的大空间，将程序先放入辅存，只将其必不可少的部分调入主存（补充：程序在运行过程，其实很多时候都是只有少部分代码发挥了作用，大部分是不需要运行的）

总结：虚拟存储系统解决了主存容量太小的问题；

2、虚拟存储器的分类：

按基本单位来分，有页式存储器，段式存储器，段页式存储器；

关于虚拟存储器是操作系统的重点，这里仅做一个简单的介绍，机组在存储系统中的重点是cache。

最后

到此，我们学习了计算机组成原理的存储系统全部知识（重点是cache），希望能对你的面试有帮助，如果还想学习计算机基础，如计网，进我主页，后面还会更新操作系统的内容！！！！