存储系统（层次结构）

核心：在存储层次中，层次越高，越靠近CPU，则存储介质的访问速度越快，容量越小，其价格也就越高。

CPU在存储系统中指的是它里面所包含的一些通用寄存器，其速度是最快的，一般要求在半个 CPU 时钟周期内完成读写，然后才是高速缓存Cache，Cache中还有L1 Cache,L2 Cache,L3 Cache，集成在CPU内部，同理，L1 Cache最靠近CPU，所以在三层Cache中L1 Cache访问速度最快，容量最小，价格最高，L1 Cache的访问速度几乎和寄存器一样快，通常只需要2~4个时钟周期，而大小在几十KB到几百KB不等。其次是L2 Cache和L3 Cache。L2 Cache 离CPU核心更远，它的大小比L1 Cache更大，通常在几百KB到几MB不等，访问速度更慢，速度在10~20个时钟周期。而L3 Cache通常是多个CPU核心共用的，位置更远，大小更大，通常在几MB到几十MB不等，访问速度更慢，在20_{60个时钟周期。Cache之后是内存，内存速度大概在200}300个时钟周期之间。内存之后是硬盘，分为固体硬盘和机械硬盘。固体硬盘（SSD）结构和内存相似，但是它相比内存的优点是断电后数据还是存在的，而内存、寄存器、高速缓存断电后数据都会丢失。内存的读写速度比SSD大概快10~1000倍。机械硬盘（HDD）是通过物理读写的方式来访问数据，访问速度非常慢，它的速度比内存慢10w倍左右。由于SSD的价格快接近机械硬盘了，因此机械硬盘已经逐渐被SSD替代了。

存储系统有两套层次结构，分别是主存—辅存和Cache—主存。
主存—辅存：实现虚拟存储系统，解决了容量不够的问题
Cache—主存：解决了主存与CPU速度不匹配的问题

Cache相当于主存部分数据的一个复制，平衡主存和CPU中间速度不匹配的问题。

存储系统分类

①按位置分类

• 内存（主存）
  用来存储当前运行需要的程序和数据，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
• 磁存储器
  用磁性介质做成。如磁芯、磁泡、磁盘、磁带等
• 半导体存储器
  根据所用的元件可分为双极型和MOS型两类；根据是否需要刷新又可以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按工作方式分类
• 读写存储器(RAM)
  即可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
  根据数据的写入方法，又可细分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等类型

分类	说明
固定只读存储器（ROM）	这种存储器是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和用于微程序控制
可编程的只读存储器(PROM)	其中的内容可以由用户一次性的写入，写入后不能再修改
可擦除可编程的只读存储器(EPROM)	其中的内容既可以读出，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
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
闪速存储器(Flash Memory)	简称闪存，闪存的特性介于EPROM和EEPROM之间，类似于EEPROM，也可以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。

高速缓存Cache

Cache是位于CPU和主存之间的高速存储子系统

采用高速缓存的目的：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被集成到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组成

Cache由两部分组成。
1.Cache存储部分：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要访问的底层信息是否在Cache中。若在，则命中，若不在则没有命中。

Cache的三种地址映像

因为处理机都是按主存地址访问，而应从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。

• 直接映像
  直接映像就是主存的块与Cache中块的对应关系是固定的。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主存区号与Cache的主存区号相同，则表明访问Cache命中。
  优点：地址变换简单，由于映射关系固定，地址变换过程可以非常迅速。
  缺点：灵活性较差，当程序频繁访问两个相互冲突（即映射到同一缓存块）的主存块时，即使缓存中有其他空闲块，也会因为固定的映射关系而无法使用，导致缓存命中率下降
• 全相连映像
  全相连映像就是允许主存任一块可以调入Cache的任一块空间。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，若相同则命中。
  优点：主存的块调入Cache的位置不受限制，十分灵活，缓存空间可以被充分利用，因为每个缓存块都可以存储来自主存的任何块，冲突的概率相对较低
  缺点：无法从主存块号中直接获得Cache块号，需要一种机制来快速查找主存块在缓存中的位置，这通常需要一个专门的查找表或算法，变换比较复杂，速度比较慢
• 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连映像方式。

Cache的性能分析

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t_a为：

$$ta=Htc+(1-H)tm$$
使用Cache比不使用Cache的CPU访问存储器的速度提高的倍数r可以用以下公式求得：
$$r=tm/ta$$
知识点：
①Cache的设置不会扩大主存容量
②Cache命中率并不随器容量的增大线性提高，而是当上升到一定程度到达临界点后就会下降
③Cache与主存之间的地址映射由硬件自己完成

主存的扩展

位扩展和字扩展

主存的扩展主要涉及到位扩展和字扩展这两个方式。这两种扩展方式都是为了提高存储器的容量，以适应不同应用场景的需求。

位扩展：位扩展是指在不增加存储单元数量的情况下，通过增加每个存储单元的位数来扩展存储容量。需要将多个相同容量的存储器芯片并联起来，以实现位数的增加。这种方式主要用于提高数据总线的宽度，即CPU一次能够读取或写入的二进制位数。

字扩展：字扩展是指通过增加存储单元的数量来扩展存储容量，而每个存储单元的位数保持不变。需要将多个相同位数但容量不同的存储器芯片串联起来，以实现存储单元数量的增加。这种方式主要用于增加存储器的总存储单元数，以存储更多的数据。

现在有一个8*4位的存储器，分别进行位扩展和字扩展，如下图：

主存的编址

例题：内存地址从AC000H到C7FFFH,共有①____个地址单元，如果该内存地址按字(16bit)编址，由28片存储芯片构成。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地址单元：
要计算两个地址单元之间的长度，需要由末尾地址减去首地址，然后再加1
类比于种树问题，计算从第二棵树到第五棵树之间总共有几棵树，涉及到端点的问题，两端都有树的话，则种树的棵数应比要分的段数多1，即：棵数=间隔数+1。


C7FFFH-AC000H+1=1C000H

所以有112个地址单元。
②计算内存大小有两个方法
已知计算出共有112K个地址单元，一个字是16bit，所以内存大小共有：112K × 16bit；同时题目中告诉你是有28个存储芯片，每片有16K个存储单元，则内存大小共有：28 × 16K × 每个单元存储多少位，即可得出：

计算得出：每个单元存储46位

虚拟存储器

虚拟存储器是由主存、辅存、存储管理单元及操作系统中的存储管理软件组成的存储系统。程序员使用该存储系统时，可以使用的内存空间可远远大于主存的物理空间，但实际上并不存在那么大的主存，故称为虚拟存储器。

虚拟存储器使存储系统既具有相当于外存的容量，又具有接近于主存的访问速度。

工作原理：
虚拟存储器基于局部性原理工作，即应用程序在运行前，仅需将当前要运行的少数页面或段先装入内存，其余部分暂留磁盘上。当要执行的指令不在内存时，系统会自动将它们从外存调入内存。若内存空间不足，系统会选择部分内存空间的内容交换到磁盘上，并释放这些内存空间供其他进程使用。

特点：

• 逻辑容量远大于物理主存容量，扩大了程序可访问的存储空间，使得大型程序或多任务运行成为可能
• 虚拟存储器支持多任务多环境，每个人物都有独立的虚拟地址空间，便于实施多任务的保护和隔离
• 通过虚拟存储器的管理，操作系统可以更灵活地分配和回收内存资源，便于操作系统实现内存管理，提高内存使用效率
• 逻辑容量受限于计算机的地址结构和可用磁盘容量
• 管理方式有段式、页式和段页式三种

磁盘存储器

磁盘存储器是一种以磁盘为存储介质的存储器。它通过磁头在旋转的磁盘盘片表面进行数据的读写操作，是计算机系统中常用的外部存储设备，用于长期保存大量的数据信息。

存取时间 = 寻道时间 + 等待时间（平均定位时间+转动延迟）

寻道时间是指磁头移动到磁道所需时间；等待时间为等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间