【重學計算機】機組D4章：存儲系統

1. 存儲系統層次結構

主存速度緩慢的緣由：主存增速與CPU不一樣步，執行指令期間屢次訪問主存

主存容量不足的緣由：

• 存在制約主存容量的技術因素：如由CPU、主板等相關技術指標規定了主存容量
• 應用對主存容量需求不斷擴大：window98 -- 8M，windows 8 -- 1G

   -----> 存儲體系結構化層次：  CPU -- Cache1 -- Cache2（解決速度） -- 主存 -- 輔存（解決容量）

存儲體系結構化層次理論基礎：

• 時間局部性：程序體現爲循環結構
• 空間局部性：程序體現爲順序結構

2. 主存中的數據組織

存儲字長：主存的一個存儲單元所包含的二進制位數，目前大多數計算機主存按字節編址，主要由32爲和64位

數據存儲與邊界的關係：

• 按邊界對齊的數據存儲，未按邊界對齊的數據存儲
• 邊界對齊與存儲地址的關係：（32位爲例）

1. 雙字長邊界對齊：起始地址最末三位爲000（8字節整數倍）
2. 單字長邊界對齊：起始地址最末二位爲00（4字節整數倍）
3. 半字長邊界對齊：起始地址最末一位爲0（2字節整數倍）

大端與小端存儲方式：

• 大端：最高字節地址是數據地址（0123存成0123）
• 小端：最低字節地址是數據地址（0123存成3210）

3. 存儲器分類

• SRAM存儲器：存取速度快，但集成度低，功耗大，作緩存
• DRAM存儲器：存取速度慢，但集成度高，功耗低，作主存

　　　　DRAM刷新方式：集中刷新、分散刷新、異步刷新

4. 主存容量的擴展

• 位擴展法：8K * 8位 --> 8K * 32位
• 字擴展法：8K * 8位 --> 32K * 8位
• 字位同時擴展法：8K * 8位 --> 32K * 32位

5. Cache的基本原理

• cache的工做過程
  • 數據：cpu與cache交換字，cache與內存交換塊
  • 讀：命中，不命中
  • 寫：寫穿策略，寫回策略
• 寫策略
  • 寫穿策略（write through）：同時寫緩存和內存，好像穿過緩存同樣。若不命中，先寫到主存中，並選擇性地同時分配到緩存中（寫分配/非寫分配）
  • 寫回策略（write back）：寫到緩存後無論了，只有當緩存的內容替換回主存時再管，需有髒位。好像隔段時間後再寫回到主存中同樣
• 地址映射機制
  • 相聯存儲器：地址自己包含着位置啊可比較的信息啊等內容信息，可根據區分地址內容進行尋址
  • 主存地址 = 塊地址 + 塊內偏移地址 = （Tag + Index） + 塊內偏移地址
  • cache結構
    • 好多行，每行與主存塊大小相等
    • 每行 = tag + data + valid + dirty
  • 三種映射方式
    • 全相聯：cache行號 = random（內存塊號）
    • 直接相聯：cache行號 = 內存塊號 % cache行數
    • 組相聯：二者結合。8行1路組相聯就是全相聯，8行8路組相聯就是直接相聯
• 替換算法
• 先進先出法-FIFO
• 最近最不常用法-LFU
• 近期最少使用法-LRU
• 隨機替換法

6. 虛擬存儲器

• 解決問題：主存容量不足。但願向程序員提供更大（比主存大）的編程空間
• 分類：頁式，段式，段頁式
• 頁式實現方式：MMU（Memory Management Unit） + 頁表 + TLB（Transaction Lookaside Buffer：地址轉換後備緩衝器）
• 頁式轉換過程：虛擬地址 = 虛擬頁號 + 頁內偏移 ==> 物理頁號 + 頁內偏移

7. RAID

• 概念：獨立磁盤構成的具備冗餘能力的陣列（Redundant Arrays Independent Disks）
• 核心技術：使用異或運算恢復數據 （x⊕y = z  --> x = y⊕z）
• 分類：
  • RAID0：條帶均勻分佈

    磁盤0	磁盤1	磁盤2	磁盤3
    D0	D1	D2	D3
    D4	D5	D6	D7
    D8	D9	D10	D11

  • RAID1：以鏡像爲冗餘方式

    磁盤0	磁盤1
    D0	D0
    D1	D1
    D2	D2

  • RAID3/4：有校驗盤

    磁盤0	磁盤1	磁盤2	校驗磁盤
    D0	D1	D2	P0
    D3	D4	D5	P1
    D6	D7	D8	P2

  • RAID5：校驗信息分佈式
    

    磁盤0	磁盤1	磁盤2	磁盤3
    D0	D1	D2	P0
    D3	D4	P1	P5
    D6	P2	D7	D8
    P3	D9	D10	D11

  • RAID10/01：10是先鏡像再條帶化，01是先條帶化再鏡像
  • RAID50：先RAID5，再條帶化