第五章 存储系统.docx

1、第五章 存储系统第五章 存储系统一、存储器的分类1、按存储介质分类 半导体存储器（SemiConductor Memory，SCM） 体积小、功耗低、速度快 磁表面存储器（Magnetic Surface Memory，MSF） 非易失、价格低廉 光介质存储器（Ferro electric Memory，FeM） 记录密度大2、按访问周期是否均等分类 随机访问存储器（Random Access Memory，RAM） 访问时间与存储位置无关 顺序访问存储器（Serial Access Storage，SAS） 访问时间与存储所在位置有关3、按访问类型分类 可读/写存储器（亦称为RAM） 只读存

2、储器（Read Only Memory，ROM）4、按在计算机系统中的作用分类 主存（亦称为内存） 通常在计算机系统中的内部 辅存（亦称为外存） 通常在计算机系统中的外部，有时可以看作外部设备 高速缓冲存储器（Cache）* 计算机存储系统的层次结构* 局部性原理（1）时间局部性：现在正在访问的信息可能马上还会被访问到（2）空间局部性：现在正在访问的信息，与之相邻的信息可能马上也会被访问到二、半导体存储器1、基本结构地址线位数由地址空间决定，如空间大小1K（即210），则地址线10位数据线位数由存储单元决定，如存储单元字长为8，则数据线8位* 译码驱动方式（1）线性译码，亦称单译码，即只有一个

3、译码器 特点：控制简单、速度快、但地址空间较小（2）多重译码，即包含多个译码器，只有当全部译码器选中才工作 特点：控制复杂、地址空间大2、随机访问存储器RAM（1）静态RAM（Static RAM，SRAM） 特点：存储一位二进制数需要6个三极管（触发器工作原理） 速度快、控制简单、容量小（2）动态RAM（Dynamic RAM，DRAM） 特点：存储一位二进制数仅需要1个三极管（靠三极管的极间电容存储数据） 速度略慢、控制复杂、需要刷新和重写操作、容量大3、动态RAM的刷新* 原因：利用极间电容存储数据，电容会自放电* 周期：2ms，超过2ms不重新写入，原数据不可读* 方式：按行（或列）完

4、成，即一次刷新完一行（或一列）（1）集中式刷新集中一段时间逐行刷新完整个存储阵列（由于刷新时无法进行读写操作，此段时间亦称为死时间）特点：实现简单（定时电路按时触发）、存在死时间（2）分散式刷新扩展每个存储周期，读写操作后自动刷新一行（因此新的存储周期是原来的2倍）特点：对外无死时间、速度变慢、刷新操作过于频繁静态RAM与动态RAM的比较（1）动态RAM的优点（相对静态RAM来说）集成度高、容量大、地址可以分批写入、芯片引脚变少、功耗低、价格低（2）动态RAM的缺点（相对静态RAM来说）需要刷新操作、需要重写等辅助电路、速度慢应用范围：一般来说，主存广泛使用动态RAM，高速缓存采用静态RAM4

5、、只读存储器ROM（1）掩膜ROM（Masked ROM，MROM）生产厂家在生产芯片时，利用掩膜工艺，把需要的数据直接存入芯片内。芯片生产后，内部数据无法更改，典型意义的ROM（2）可编程ROM（Programmed ROM，PROM）内部由厂家设置熔丝，需要时可用特殊的写入电压把相应的熔丝熔断（该操作称为编程写入），熔丝熔断后无法再次设置，因此只可写一次（3）可擦除PROM（Erasable PROM，EPROM）内部的电子三极管栅极具有浮动栅，不设置浮动栅，正常的导通操作；设置浮动栅则阻碍导通。根据需要设置相应的浮动栅（由特定的写入电压完成），即写入相应的数据，如不需要用紫外线照射，电子

6、获得能量后浮动栅去除，所以可以多次写入擦除（4）电可擦除PROM（Electrically EPROM，EEPROM或E2PROM） 擦除操作不需要紫外线，直接用特定的电流完成，操作更简单* 闪存（Flash Memory）可以理解为一种快速的EEPROM，即闪速存储器三、主存储器* 由DRAM芯片（通常为多片）构成，主要考虑速度、容量和价格的平衡1、容量的扩展（1）扩位连接：扩展数据例：用芯片2114（1K4）组成1K8的存储器分析，2114有10根地址、4根数据，要组成的存储器需10根地址、8根数据，则从数量上看需要2片2114，共同构成8位数据，工作时一起操作。连接图见下图：（2）扩字连

7、接：扩展地址例：用芯片2114（1K4）组成2K4的存储器分析，2114有10根地址、4根数据，要组成的存储器需11根地址、4根数据，则从数量上看需要2片2114，共同构成2K个存储单元，工作时一次只一片操作，由高位地址片选控制。连接图见下图：（3）即扩字又扩位：即扩数据又扩地址，上述二者的结合方法同上，具体略例：设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ（低电平有效）作访存控制信号，R/W作读/写控制信号（高电平读、低电平写），现有8片8K8位的RAM芯片。完成下列要求：* 用74LS148译码器画出CPU与RAM的连接图。* 写出每片RAM的地址范围* 如果运行时发现无论往哪片RA

8、M写入数据时，以A000H为起始地址的存储芯片都有与其相同的数据，分析其原因。连接图见下图：各片RAM地址范围如下：0片：0000H1FFFH1片：2000H3FFFH2片：4000H5FFFH3片：6000H7FFFH4片：8000H9FFFH5片：A000HBFFFH6片：C000HDFFFH7片：E000HFFFFH以A000H为起始地址的存储芯片为第5片，片选信号为Y5，当无论往哪片RAM写入数据时，其都有相同的数据写入，说明其片选一直有效，如不考虑其他，可能Y5接地。2、几个主要的技术指标（1）存储容量存储单元个数存储字长 * 为了便于相互比较，现在习惯上把存储字长转换为Byte（8

9、位）的倍数。（2）速度 * 存取时间：启动一次操作到完成该操作的时间（仅与器件本身有关） * 存储周期：在系统中，存储器进行两次连续独立操作的最小间隔时间（与所在系统有关），通常存储周期的值要大于存取时间（3）带宽：单位时间内存储器完成的最大数据传输位数 * 是一个速率值，单位时间通常取1s * 是理论上的最大值（即峰值），在实际中一般很少出现例：若某存储器一次读写操作最大可以传输16位，存储周期为500ns（10-9s），求该存储器的存储带宽。分析，一次操作16位，即2Byte；一秒内最多可以完成1s/500ns2106次存储操作；则存储带宽（2106）2Byte4MB/s注意：在数值计算时

10、，因210=1024，近似为1000（即103），所以103有时可缩写为1K，同理106可缩写为1M，看清前后上下文。3、主存储器的地址分配（1）字节地址和字地址* 主存的编址原则：按字节编址（一个8位数据对应一个物理地址） 即不论机器的具体组织结构，一个地址就对应1Byte（8位二进制数）* 存储字：主存为了提高工作速度，实际一次访存数据要大于8位（通常为Byte的整数倍数），对应存储器的具体组织结构，一般称一次实际访存所对应的组织结构为存储单元（亦称存储字），该单元内存放的二进制数的位数值为存储字长。示例如下图：上图一个存储单元内含4个字节，对应字节地址值为方框内数据，每个存储单元前的数据

11、为字地址值。字节地址和字地址变换关系见下表（字节地址字长取8位）：十进制地址值字节地址值（字节地址去掉2位后即变为字地址）字地址值位置值000000000100000001200000010300000011400000100500000101600000110700000111800001000 上表每4行一组（对应示例图中的4个字节构成一个存储字），则每组内前6位相同（正好对应为存储单元的字地址），后两位依次变化，对应为每个存储字内的不同位置值。如每个存储单元由8个字节组成，则字节地址后三位为位置值，去掉三位剩下的为字地址。（2）大端（Big endian）存储和小端存储（Little e

12、ndian）* 小端：地址按从小到大排列，最低有效地址在前面（代表机型Intel系列） 即8086汇编语言所说的：高高低低原则* 大端：地址按从小到大排列，最低有效地址在后面（代表机型IBM370系列）例：十六进制数12345678H存放在地址100H处，示例图如下：注意：无论大端存储还是小端存储，在高级语言编程中不可见；仅在底层数据传输时需考虑此问题。4、提高访存速度的措施（1）多端口RAM 两套或多套独立的读写逻辑，可并行操作（2）单体多字 一次访存，同时读出或写入多个存储字（提高了访存带宽） 如连续操作相邻的地址单元，则效果明显，如连续操作跳跃的地址单元，效果不明显（3）多体并行 多个存

13、储体操作，并行效率高，但控制复杂 分为高位地址交叉和低位地址交叉两种模式访存优先级原则：* 易发生代码丢失的优先级高 （一般来说I/O操作CPU操作）* 严重影响CPU工作的优先级高 （一般来说写操作读操作，不是绝对的，看具体情况）四、高速缓冲存储器Cache * 问题的提出：CPU和主存的速度不匹配 * 基于的理论：局部性原理（即某一时间段，被访问的主存地址分布集中在某一区域）1、相关的基本原理（1）基本逻辑关系图 * 主存、Cache均划分为大小相同的块，操作时以块为单位（不同于主存以字为单位） * 块的大小要适中，一般为几个字至十几个字块太小，影响命中率；块太大，一次调入调出的时间开销大

14、 * 地址分为块号（高位）和块内地址（低位）两部分如果一个块大小为8个字，则块内地址为3位，其余情况依次类推 * Cache的每个块均会设置相应的标志状态（包含多位），用来判断是否命中注意：Cache容量越大，则命中率越高，但价格越昂贵（2）Cache组成结构分类 * 旁视式Cache结构特点：处理器即可访问Cache，又可访问主存；假设访问Cache的时间为T1，访问主存的时间为T2，则Cache命中时，系统操作时间为T1，Cache不命中时，系统操作时间为T2（主存与Cache同时启动）；每次操作均需占用系统总线，总线负荷大。 * 透过式Cache结构特点：处理器不可直接访问主存；假设访问

15、Cache的时间为T1，访问主存的时间为T2，则Cache命中时，系统操作时间为T1，Cache不命中时，系统操作时间为T1T2（主存与Cache不同时启动）；总线负荷降低。（3）完整的读数过程（以旁视式Cache结构为例，透过式Cache结构略有不同）* 地址映像变换机构：把主存地址进行变换，判断是否能生成Cache地址 能映像（即可以变换，称为命中），生成相应的Cache地址，访问Cache 不能映像（即无法变换，称为失效），无法访问Cache，只能访问主存* 块替换机构：当Cache装满时，再需装入新块，要替换哪个块* 多字宽数据总线：Cache体系所特有的结构，块不是一字一字写入的，而

16、是一次直接写入的（主要考虑减小延迟、减小失效开销，硬件开销增大）注意：透过式Cache结构操作上的几点不同* 透过式结构仅在映像地址失效后，才启动主存（主存启动次数少，主存利用效率高）* CPU无法直接访问主存，必须调入Cache后，CPU才能访问到相应的数据（失效开销大）* 多核系统比较常见此种结构（每个核对应一个Cache，主存安全性较高）2、地址映像方式（Address Mapping）（1）直接映像（相当于对号入座）* 主存的块号直接决定映射Cache的位置* 硬件实现简单，主存的后几位地址即为Cache地址，只需一个比较器即可判断命中* Cache的利用率相对较低，即使有空的槽位，依

17、旧替换（2）全相联（相当于随便入座）* 主存的块可以对应Cache的任意位置，没任何限制* Cache的利用率相对较高，只要有空的槽位，即可装入* 硬件代价高，需要一个庞大的相联比较器，实际上无法实现（3）组相联（上述二者的折中）* Cache分若干组，组内全相联映射，各组之间直接映像* 硬件代价不是很高，实际上最多8路相联* 各组内编号相同的块可以组成一个逻辑结构，称为路，8路即组内有8个块具体映像逻辑图如下：（1）直接映像（2）全相联映像（3）组相联映像（以4路组相联为例）3、替换算法（1）先进先出（FIFO）：最先进入的块最先替换例：假设Cache只有4个块，采用全相联映射，初始为空状态

18、，块号调入次序为：1、2、4、6、1、3、1，示意图如下：* 实现简单，只需一个循环移位器，循环指示要替换的位置即可* 命中率相对较低，会出现颠簸现象（2）近期最少使用（LRU，Least Recently Used）上例示意图如下：* 命中率相对较好，不会出现颠簸现象* 硬件实现复杂（3）随机法* 随机选中一个块作为替换块* 硬件代价最小* 模拟实现表明，命中率差的不多，所以在实际中也经常被采用4、写入策略* 读数操作（不改变原内容），即Cache与主存可以保持一致* 写数操作（改变相应内容），如何保持Cache与主存的数据一致，实际上写入策略主要考虑的就是数据一致性。（1）写命中时写数的地

19、址可以映像到Cache中，当然主存中肯定有（即主存和Cache同时存在），实现时有下面两种方法： * 写穿法（Write_Through，有时亦称写直达法）主存和Cache同时一起写，写入时间按慢速设备为基准（即主存的时间），所以速度慢；但可以保证数据时刻一致，安全性高。* 写回法（Write_Back）操作时，只写Cache，在相应块设置标志位（习惯上称脏位，Dirty Bit），在该块替换时回写主存，所以速度较快；但某时间段，主存和Cache数据不一致，安全性较差。（2）写失效时写数的地址无法映像到Cache中，此时数据只在主存中（即Cache里不存在），因此只需操作主存（速度也只能以主存

20、为基准），需要考虑是否把该块调入Cache（根据局部性原理，下一个操作数据也可能在此块中，但写数操作不同于读数操作，即写数操作随机性较大，所以下一个数据也可能不在此块中），具体分配方法有下面两种：* 按写分配写主存的同时，相应块调入Cache，因此命中率相对较高，但通信开销大。* 不按写分配只写主存，相应块不调入Cache，通信开销小，但命中率相对较低。5、Cache体系的性能评价（1）命中率 HRCR其中RC代表命中的次数，R代表总的访存次数（2）平均访问时间在Cache体系中包含Cache和主存两个部件，它们的访问时间分别为：TC和TM则： TaHTC（1H）TM （旁视式） TaHTC（1H）（TCTM） （透过式）（3）加速比 SPTMTa表示采用Cache后，系统的性能比没采用Cache时性能提升的倍数（4）效率 ETCTa因为不管命中率提升到多高，Cache体系总会包含访问主存的时间，此参数表示Cache体系的性能和单纯访问Cache的时间的接近程度。