第 1 章 計算機組成與體系結構 1.2存儲器系統

1.2 存儲器系統

 

存儲器是用來存放程序和數據的部件，它是一個記憶裝置，也是計算機可以實現「存儲程序控制」的基礎。在計算機系統中，規模較大的存儲器每每分紅若干級，稱爲存儲器系統。傳統的存儲器系統通常分爲高速緩衝存儲器（Cache）、主存、輔存三級。主存可由 CPU直接訪問，存取速度快，但容量較小，通常用來存放當前正在執行的程序和數據。輔存設置在主機外部，它的存儲容量大，價格較低，但存取速度較慢，通常用來存放暫時不參與運行的程序和數據，CPU 不能夠直接訪問輔存，輔存中的程序和數據在須要時才傳送到主存，所以它是主存的補充和後援。當 CPU 速度很高時，爲了使訪問存儲器的速度能與 CPU 的速度相匹配，又在主存和 CPU 間增設了一級 Cache。Cache 的存取速度比主存更快，但容量更小，用來存放當前最急需處理的程序和數據，以便快速地向 CPU 提供指令和數據。所以，計算機採用多級存儲器體系，確保可以得到儘量高的存取速率，同時保持較低的成本。多層級的存儲體系之因此能用低投入換來較高的存取速率，得益於局部性原理。局部性原理是指程序在執行時呈現出局部性規律，即在一較短的時間內，程序的執行僅侷限於某個部分。相應地，它所訪問的存儲空間也僅侷限於某個區域。程序局部性包括時間局部性和空間局部性，時間局部性是指程序中的某條指令一旦執行，不久之後該指令可能再次執行。產生時間局部性的典型緣由是因爲程序中存在着大量的循環操做；空間局部性是指一旦程序訪問了某個存儲單元，不久之後，其附近的存儲單元也將被訪問，即程序在一段時間內所訪問的地址可能集中在必定的範圍內，其典型狀況是程序順序執行。

存儲器中數據經常使用的存取方式有順序存取、直接存取、隨機存取和相聯存取四種。

 

（1） 順序存取：存儲器的數據以記錄的形式進行組織。對數據的訪問必須按特定的線性順序進行。磁帶存儲器採用順序存取的方式。

（2） 直接存取：與順序存取類似，直接存取也使用一個共享的讀寫裝置對全部的數據進行訪問。可是，每一個數據塊都擁有惟一的地址標識，讀寫裝置能夠直接移動到目的數據塊所在位置進行訪問。存取時間也是可變的。磁盤存儲器採用直接存取的方式。

（3） 隨機存取：存儲器的每個可尋址單元都具備本身惟一的地址和讀寫裝置，系統能夠在相同的時間內對任意一個存儲單元的數據進行訪問，而與先前的訪問序列無關。主存儲器採用隨機存取的方式。

（4） 相聯存取：相聯存取也是一種隨機存取的形式，可是選擇某一單元進行讀寫是取決於其內容而不是其地址。與普通的隨機存取方式同樣，每一個單元都有本身的讀寫裝置，讀

寫時間也是一個常數。使用相聯存取方式，能夠對全部的存儲單元的特定位進行比較，選擇符合條件的單元進行訪問。爲了提升地址映射的速度，Cache 採起相聯存取的方式。

 

1.2.1 主存儲器

 

主存用來存放計算機運行期間所須要的程序和數據，CPU 可直接隨機地進行讀/寫。主存具備必定容量，存取速度較高。因爲 CPU 要頻繁地訪問主存，因此主存的性能在很大程度上影響了整個計算機系統的性能。根據工藝和技術不一樣，主存可分爲隨機存取存儲器和只讀存儲器。

1. 隨機存取存儲器

 

隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）既能夠寫入也能夠讀出，但斷電後信息沒法保存，所以只能用於暫存數據。RAM 又可分爲 DRAM（Dynamic RAM，動態 RAM） 和 SRAM（Static RAM，靜態 RAM）兩種，DRAM 的信息會隨時間逐漸消失，所以須要定時對其進行刷新維持信息不丟失；SRAM 在不斷電的狀況下信息可以一直保持而不會丟失。DRAM  的密度大於 SRAM  且更加便宜，但 SRAM  速度快，電路簡單（不須要刷新電路），然而容量小，價格高。

1. 只讀存儲器

 

只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）能夠看做 RAM 的一種特殊形式，其特色是： 存儲器的內容只能隨機讀出而不能寫入。這類存儲器經常使用來存放那些不須要改變的信息。因爲信息一旦寫入存儲器就固定不變了，即便斷電，寫入的內容也不會丟失，因此又稱爲固定存儲器。ROM 通常用於存放系統程序 BIOS（Basic Input Output System，基本輸入輸出系統）。

1. 內存編址方法在計算機系統中，存儲器中每一個單元的位數是相同且固定的，稱爲存儲器編址單位。

不一樣的計算機，存儲器編址的方式不一樣，主要有字編址和字節編址。

 

內存通常以字節（8 位）爲單位，或者以字爲單位（字的長度可大可小，例如 16 位或者 32 位等，在這類試題中，通常會給出字的大小）。

例如，內存地址從 AC000H 到 C7FFFH，則共有 C7FFFFH-AC000H=1BFFFH 個地址單元

 

（轉換爲十進制後，爲 112KB）。若是該內存地址按字（16bit）編址，則共有 112KB*16  位。假設該內存由 28 片存儲器芯片構成，已知構成此內存的芯片每片有 16KB 個存儲單元， 則該芯片每一個存儲單元存儲（112KB*16）/（28*16KB）=4 位。

  

1.2.2 輔助存儲器 

1. 磁帶存儲器磁帶存儲器是一種順序存取的設備，其特色包括：存取時間較長，但存儲容量大，便於攜帶，價格便宜。磁帶應用的場景愈來愈少，目前主要用於資料的歸檔保存。
2. 硬盤存儲器在硬盤中，信息分佈呈如下層次：記錄面、圓柱面、磁道和扇區，如圖1-2 所示。

 

一臺硬盤驅動器中有多個磁盤片，每一個盤片有兩個記錄面，每一個記錄面對應一個磁頭， 因此記錄面號就是磁頭號，如圖 1-2（a）所示。全部的磁頭安裝在一個公用的傳動設備或支架上，磁頭一致地沿盤面徑向移動，單個磁頭不能單獨地移動。在記錄面上，一條條磁道造成一組同心圓，最外圈的磁道爲 0 號，往內則磁道號逐步增長，如圖 1-2（b）所示。在一個盤組中，各記錄面上相同編號（位置）的各磁道構成一個柱面，如圖 1-2（c）所示。

若每一個磁盤片有 m 個磁道，則該硬盤共有 m 個柱面。引入柱面的概念是爲了提升硬盤的存儲速度。當主機要存入一個較大的文件時，若一條磁道存不完，就須要存放在幾條磁道上。這時，應首先將一個文件儘量地存放在同一柱面中。若是仍存放不完，再存入相鄰的柱面內。

一般將一條磁道劃分爲若干個段，每一個段稱爲一個扇區或扇段，每一個扇區存放一個定長信息塊（例如，512  個字節），如圖 1-2（b）所示。一條磁道劃分多少扇區，每一個扇區可存放多少字節，通常由操做系統決定。磁道上的扇區編號從 1 開始，不像磁頭或柱面編號從 0 開始。

 

在磁盤上進行信息的讀寫時，首先須要定位到目標磁道，這個過程稱之爲尋道，尋道所消耗的時間稱爲尋道時間，定位到目標磁道後，須要定位到目標扇區，此過程經過旋轉盤片完成，平均旋轉半圈可到目標位置。故磁盤訪問時間爲：

磁盤訪問時間（存取時間） = 尋道時間+旋轉延遲時間

 

1.2.3 Cache 存儲器

 

Cache 的功能是提升 CPU 數據輸入輸出的速率，突破所謂的「馮•諾依曼瓶頸」，即 CPU 與存儲系統間數據傳送帶寬限制。高速存儲器能以極高的速率進行數據訪問，但因其價格高昂，若是計算機的內存徹底由這種高速存儲器組成，則會大大增長計算機的成本。一般在CPU 和內存之間設置小容量的 Cache。Cache 容量小但速度快，內存速度較低但容量大， 經過優化調度算法，系統的性能會大大改善，彷彿其存儲系統容量與內存至關而訪問速度近似 Cache 。

Cache  一般採用相聯存儲器（ContentAddressable Memory，CAM）。CAM  是一種基於數據內容進行訪問的存儲設備。當對其寫入數據時，CAM 可以自動選擇一個未用的空單元進行存儲；當要讀出數據時，不是給出其存儲單元的地址，而是直接給出該數據或者該數據的一部份內容，CAM 對全部存儲單元中的數據同時進行比較，並標記符合條件的全部數據以供讀取。因爲比較是同時、並行進行的，因此，這種基於數據內容進行讀寫的機制，其速度比基於地址進行讀寫的方式要快不少。

 

1．Cache 基本原理

 使用 Cache 改善系統性能的依據是程序的局部性原理。根據程序的局部性原理，最近的、將來要用的指令和數據大多侷限於正在用的指令和數據，或是存放在與這些指令和數據位置上鄰近的單元中。這樣，就能夠把目前經常使用或將要用到的信息預先放在 Cache 中。當CPU 須要讀取數據時，首先在 Cache 中查找是否有所需內容，若是有，則直接從 Cache 中讀取；若沒有，再從內存中讀取該數據，而後同時送往 CPU 和 Cache。若是 CPU 須要訪問的內容大多都能在 Cache  中找到（稱爲訪問命中），則能夠大大提升系統性能。

若是以 h  表明對 Cache  的訪問命中率（「1-h」稱爲失效率，或者稱爲未命中率），t1  表示 cache 的週期時間，t2 表示內存的週期時間，以讀操做爲例，使用「Cache+主存儲器」 的系統的平均週期爲 t3。則：

t3 =t1′h+t2′(1-h)

 

系統的平均存儲週期與命中率有很密切的關係，命中率的提升即便很小也能致使性能上的較大改善。

例如，設某計算機主存的讀/寫時間爲 l00ns，有一個指令和數據合一的 Cache，已知該Cache 的讀/寫時間爲 10ns，取指令的命中率爲 98%，取數的命中率爲 95%。在執行某類程序時，約有 1/5 指令須要存/取一個操做數。假設指令流水線在任什麼時候候都不阻塞，則設置 Cache 後，每條指令的平均訪存時間約爲：

(2%′100ns+98%′10ns)+1/5′(5%′100ns+95%′10ns)=14.7ns

 

2．映射機制

當 CPU 發出訪存請求後，存儲器地址先被送到 Cache 控制器以肯定所需數據是否已在 Cache 中，若命中則直接對 Cache 進行訪問。這個過程稱爲 Cache 的地址映射（映像）。在 Cache 的地址映射中，主存和 Cache 將均分紅容量相同的塊（頁）。常見的映射方法有直接映射、全相聯映射和組相聯映射。

 

 

（1）直接映像

 

直接映像方式以隨機存取存儲器做爲 Cache 存儲器，硬件電路較簡單。在進行映像時， 主存地址被分紅三個部分，從高到低依次爲：區號、頁號以及頁內地址，如圖 1-3 所示。

 

在本例中，內存容量爲 1GB，Cache 容量爲 8MB，頁面的大小爲 512KB。直接映像中， 先分區，再分頁。一個區的大小就是 Cache 容量的大小，因此一共分：1GB/8MB=128 個區， 區號 7 位。每一個區分：8MB/512KB=16 個頁，因此頁號爲 4 位。

在直接映像方式中，每一個主存頁只能複製到某一固定的 Cache 頁中，如圖 1-4 所示。直接映像方式的映像規律是：主存中每一個區的第 0 頁，只能進入到 Cache 的第 0 頁。即： 若當前時刻 Cache 中 0  號頁已被佔據，而 1-15  號頁空閒，如今要將 1  區第 0  頁（即內存的 16 頁）調入 Cache 是會發生衝突的。因此直接映像的塊衝突率很是高。

在 Cache 中，爲每個頁設立一個 Cache  標記，該標記用於識別當前的 Cache  塊來自於哪一個內存頁。直接映像中，因爲每一個區的 N 號頁，都必須進入到 Cache 的 N 號頁，

因此只須要記錄區號便可。因此此時標記位的長度是 7 位。

 

直接映像方式的優勢是比較容易實現，缺點是不夠靈活，有可能使 Cache 的存儲空間得不到充分利用。

 

 

（2）全相聯映像

 

全相聯映像使用相聯存儲器組成的 Cache 存儲器。在全相聯映像方式中，主存的每一頁能夠映像到 Cache 的任一頁。若是淘汰 Cache 中某一頁的內容，則可調入任一主存頁的內容，於是較直接映像方式靈活。

在全相聯映像方式中，主存地址分爲兩個部分，分別爲地址部分（主存頁標記）和數據部分（頁內地址）。數據部分用於存放數據，而地址部分則存放該數據的存儲器地址。如圖 1-5 所示。

  

 

 

全相聯映像方式的 Cache 組織如圖 1-6 所示。

  

當進行映像時，在咱們給定的例子中，當程序訪存時，則高 11 位給出主存頁號，低19 位給出頁內地址。由於每一個 Cache 頁可映像到 2048 個主存頁中的任一頁，因此每頁的Cache 標記也須要 11 位，以代表它如今所映像的主存頁號。所以，Cache 標記信息位數增長，比較邏輯成本隨之增長。

在全相聯映像方式中，主存地址不能直接提取 Cache 頁號，而是須要將主存頁標記與Cache 各頁的標記逐個比較，直到找到標記符合的頁（訪問 Cache 命中），或者所有比較完後仍無符合的標記（訪問 Cache 失敗）。所以這種映像方式速度很慢，失掉了高速緩存的做用，這是全相聯映像方式的最大缺點。若是讓主存頁標記與各 Cache 標記同時比較，則成本又過高。全相聯映像方式因比較器電路難於設計和實現，只適用於小容量 Cache。

（3）組相聯映像

 組相聯映像（頁組映像）介於直接映像和全相聯映像之間，是這兩種映像的一種折衷方案。全相聯映像方式以頁爲單位，可自由映像，沒有固定的對應關係。直接映像方式中，主存分組，主存組內的各頁與 Cache 的頁之間採起的是固定的映像關係，但各組都可映像到Cache 中。在組相聯映像方式中，主存與 Cache 都分組，主存中一個組內的頁數與 Cache 的分組數相同，如圖 1-7 所示。

 

在圖 1-7 給出的例子中，主存分 128 個區，每一個區 8 個組，每一個組 2 個頁。組相聯映像

 

方式的主存地址組織如圖 1-8 所示。

 

組相聯映像的規則是：主存中的組與 Cache 的組造成直接映像關係，而每一個組內的頁是全相聯映像關係。如主存 1 區 0 頁，他在 0 組中，因此只能進入 Cache 的 0 組中，至於

進入到 Cache 的 0 組 0 頁，仍是 0 組 1 頁，並沒有強制要求，可任意放置。

 

在組相聯映像中，Cache 中每一頁的標記位長度爲 8 位，由於此時除了要記錄區號，還得記錄組號，即區號 7 位加組號 1 位等於 8 位。

容易看出，若是 Cache 中每組只有一頁，則組相聯映像方式就變成了直接映像方式。若是 Cache 中每組頁數爲 16 頁（即 Cache 只分一組），則就是全相聯映像。所以，在具體設計組相聯映像時，能夠根據設計目標選取某一折衷值。

在組相聯映像中，因爲 Cache 中每組有若干可供選擇的頁，於是它在映像定位方面較直接映像方式靈活；每組頁數有限，所以付出的代價不是很大，能夠根據設計目標選擇組內頁數。

希賽教育專家提示：爲保障性能，內存與 Cache 之間的映射每每採用硬件完成，因此Cache 對於程序員而言是透明的，程序員編程時，徹底不用考慮 Cache。

 

3．替換算法

當 Cache 產生了一次訪問未命中以後，相應的數據應同時讀入 CPU 和 Cache。可是當Cache 已存滿數據後，新數據必須替換（淘汰）Cache 中的某些舊數據。最經常使用的替換算法有如下三種：

（1） 隨機算法。這是最簡單的替換算法。隨機法徹底無論 Cache  塊過去、如今及未來的使用狀況，簡單地根據一個隨機數，選擇一塊替換掉。

（2） 先進先出（First In and First Out，FIFO）算法。按調入 Cache 的前後決定淘汰的順序，即在須要更新時，將最早進入 Cache 的塊做爲被替換的塊。這種方法要求爲每塊作一記錄，記下它們進入 Cache 的前後次序。這種方法容易實現，並且系統開銷小。其缺點是可能會把一些須要常用的程序塊（如循環程序）替換掉。

（3） 近期最少使用（Least Recently Used，LRU）算法。LRU 算法是把 CPU 近期最少使用的塊做爲被替換的塊。這種替換方法須要隨時記錄 Cache 中各塊的使用狀況，以便肯定哪一個塊是近期最少使用的塊。LRU 算法相對合理，但實現起來比較複雜，系統開銷較大。一般須要對每一塊設置一個稱爲「年齡計數器」的硬件或軟件計數器，用以記錄其被使用的狀況。

 

4．寫操做 

由於須要保證緩存在 Cache  中的數據與內存中的內容一致，相對讀操做而言，Cache  的寫操做比較複雜，經常使用的有如下幾種方法。

（1） 寫直達（write through）。當要寫 Cache  時，數據同時寫回內存，有時也稱爲寫通。當某一塊須要替換時，也沒必要把這一塊寫回到主存中去，新調入的塊能夠當即把這一塊覆蓋掉。這種方法實現簡單，並且能隨時保持主存數據的正確性，但可能增長屢次沒必要要的主存寫入，會下降存取速度。

（2） 寫回（write back）。CPU  修改 Cache  的某一塊後，相應的數據並不當即寫入內存單元，而是當該塊從 cache 中被淘汰時，才把數據寫回到內存中。在採用這種更新策略的cache  塊表中，通常有一個標誌位，當一塊中的任何一個單元被修改時，標誌位被置「1」。在須要替換掉這一塊時，若是標誌位爲「1」，則必須先把這一塊寫回到主存中去以後，才能再調入新的塊；若是標誌位爲「0」，則這一塊沒必要寫回主存，只要用新調入的塊覆蓋掉這一塊便可。這種方法的優勢是操做速度快，缺點是因主存中的字塊未隨時修改而有可能出錯。

（3） 標記法。對 Cache 中的每個數據設置一個有效位。當數據進入 Cache 後，有效位置「1」；而當 CPU  要對該數據進行修改時，數據只需寫入內存並同時將該有效位置「0」。當要從 Cache 中讀取數據時須要測試其有效位，若爲「l」則直接從 Cache 中取數，不然， 從內存中取數。