计算机组成原理学习笔记3

计算机组成原理学习笔记3

存储系统

​ 一个完整的存储系统应该包括主存储器、高速缓冲存储器（Cache）和辅助存储器

存储器的分类

按存储介质分类

​ 存储器主要分为半导体存储器，磁表面存储器，磁心存储器和光盘存储器。

按存取方式分类

​ 存储器可分为随机存取存储器，只读存储器、顺序存取存储器和直接存取存储器

​ 随机存取存储器（RAM）：在随机存取存储器中存取信息，存取时间和存储位置没有关系，其优点是读写方便，使用灵活，缺点是断电信息丢失。RAM分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM），静态RAM常用作高速缓冲存储器，动态RAM常用做主存

​ 只读存储器（ROM）：只读存储器的内容只能随机读出而不能写入，并且其内容断电后可以保存，所以一般存放固定不变的程序，只读存储器与随机存取存储器一起构成了主存，注意ROM不能叫做随机存取存储器是因为它只能随机取而不能随机存。

​ 串行访问存储器

​ 串行访问存储器对存储单元进行读/写操作时，需要按照物理位置的先后顺序依次访问，主要包括顺序存取存储器（磁带）和直接存取存储器（磁盘）

按在计算机中的作用分类

​ 可分为主存储器（主存）、辅助存储器（辅存）、缓冲存储器。

​

存储器的性能指标

存储容量：

​ 存储容量=存储字数x字长。存储字数表示存储器的地址空间大小，即存储器的存储单元数目，字长即存储字长，表示一次存取操作的数据量

单位成本：

​ 每位价格=总成本/总容量

存储速度：

​ 数据传输率=数据的宽度/存储周期。存储周期又称为读写周期或访问周期，指的是连续两次独立地访问存储器操作之间所需的最小时间间隔

存储器的层次化结构

​

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​ 缓存-主存层次主要解决CPU和主机速度不匹配的问题。主存和缓存之间的数据交换是由硬件自动完成的，对程序员是透明的

​ 主存-辅存层次主要解决存储系统的容量问题。主存和辅存之间的数据交换是由硬件和操作系统共同完成的

cache高速缓冲处理器

​ cache具有速度快容量小的特点，因为主存处理数据的速度远远赶不上CPU处理数据的速度，所以需要cache高速缓冲处理器来帮忙存放数据

存入cache的数据的两个条件

​ （1）时间局部性：同一份数据在短时间内往往会被多次重复使用。比如说如果我们打开了一个文件，那么接下来一段时间我们很有可能会不断访问这个文件，此时就可将此文件存入cache

​ （2）空间局部性：如果我们访问了某个数据，那么我们往往也需要访问它附近的数据。比如说如果我们访问了一个数组里的某一个元素，往往也会随之访问这个数组里的其它元素，此时就可将这个数组放入cache

​ 当CPU要访问的数据不在cache高速缓冲处理器中时称为不命中

cache的结构

​ cache的存储单位和主存一样是块，且块中也存在块号和块内地址，同时cache内还多了个标记，标记用于存储对应主存中的地址的高位部分，当CPU要查数据时，就看能不能在cache标记内找到想要的地址，找到了就可以直接从cache中读取，没找到再去主存中找

​

cache的读写

​ 读数据：CPU读数据时会先从cache高速缓冲处理器中寻找，如果没找到再去主存中找，同时将数据写入cache内，如果cache满了，则需要将cache内的数据替换为新写进的数据

​ 替换方式可以按先后顺序替换-FIFO，即把最旧的数据换出去，也可以按使用频率替换-LRU，即把用的最少的数据换出去

​ 写数据：CPU向主存写入数据时会先在cache内寻找是否有写入主存的目标地址所对应的标记，如果没有，则先将主存的目标数据块的地址加载到cache中在写入

​ 写入有两种方法：

​ （1）写直达：数据同时写入cache和主存

​ （2）写回：数据先写入cache中，并标记为“脏”（“脏”表示数据在cache内发生改变与主存中对应数据不一致），等被替换出去时再写入主存