4-存储器
【README】
1.本文總結自B站 《計算機組成原理（哈工大劉宏偉）》的視頻講解，非常棒，墻裂推薦；
【1】概述
【1.1】存儲器分類
1）按存儲介質分類
- 1，?? ?半導體存儲器，分為 TTL， MOS 兩種； （易失）
- 2，?? ?磁表面存儲器，非易失；
- 3，?? ?磁芯存儲器，非易失；
- 4，?? ?光盤存儲器，非易失；
2）按存取方式分類
3）按在計算機的作用分類?
- Flash memory ：閃存，閃速存儲器(斷電時不丟失數據);；
- 高速緩沖存儲器-cache： 使用靜態ram做的，速度比主存快； 放在cpu 與 主存之間的；
【1.2】 存儲器層次結構
【1.2.1】存儲器的3個主要特性關系
特性包括： 速度，容量，價格/位；??
寄存器：不僅僅是CPU中有寄存器，IO端口中也有寄存器；
用戶需求： 高速度，大容量，低價格；
【1.2.2】緩存-主存層次 與 主存-輔存層次
采用軟硬件，相結合的方法，把主存與輔存構成一個整體；
- 緩存主要解決主存低速度的問題；
- 輔存主要解決主存的容量小的問題；
【2】 主存儲器
【2.1】 主存儲器概述
【2.1.1】主存的基本組成
讀寫控制電路：
- 如果是寫入，則把MDR的數據寫入到存儲體中MAR指定地址上；
- 如果是讀出，則把存儲體上MAR地址的數據讀出到MDR寄存器；
【2.1.2】主存和cpu的聯系
控制信號，由控制器發出； 是讀還是寫？
CPU與主存之間的通信， 主要有3種信號；
- 信號1，數據信號；
- 信號2，地址信號；
- 信號3，控制信號；
【2.1.3】主存中存儲單元地址的分配
24根地址線，字節尋址是 2^24=16M字節；
- 字長為16位，即1字=2字節；則按照機器字尋址 8M字（Word）
- 字長為32位，即1字=4字節；則按照機器字尋址 4M字（Word）
【2.1.4】主存技術指標
存取時間 = 存入或取出數據所需時間；
【2.2】 半導體存儲芯片簡介
【2.2.1】半導體存儲芯片的基本結構?
存儲矩陣： 存儲了0 1 信號（信息）； 有多個存儲單元；
步驟如下：
- 第1步：地址線傳送地址信號給存儲器；
- 第2步：譯碼驅動程序 翻譯地址并選擇存儲單元；完成讀寫操作；
- 第3步：把數據傳給讀寫電路，讀寫電路傳給數據線；
其他設備：
- 片選線： 表示給定地址在哪幾個存儲器中可以尋址；
- 讀寫控制線：給出讀信號，還是寫信號；
地址線 10條 數據線4條， 芯片容量 1K*4 ；
- 地址線10條表示可以尋址1k 個存儲單元；
- 數據線4條表示每個存儲單元存儲4個bit；
1.2）片選信號線
?片選線信號： CS（chip select） 或? CE （chip enable）
片選信號線的作用：
一片 16K * 1bit 的存儲芯片的含義： 該芯片有16K個存儲單元，每個單元1個bit；把8個芯片組合（縱向擴展）為1個大芯片，那大芯片的每個單元存儲空間為8個bit，即1個字節；
存儲芯片擴展方式：
- 縱向擴展：8片 16K*1位的存儲芯片可以擴展到 16K*8bit 的 存儲芯片2 ；
- 橫向擴展：32片 16K*1位的存儲芯片，可以組成 4片 16K*8bit的存儲芯片3；
片選信號線作用：
- 由上文知，存儲器（主存或內存）不是由一個芯片構成的，它是由多個小芯片組合（擴展）而成的；
- 正因為存儲器是把多個小芯片組合起來構成的；在存取時，我們需要用片選信號選擇參與芯片擴展的一組或一簇小芯片，如選中某組8個，則讀取這8個小芯片的bit位才能構成一個字節，多選或漏選一個小芯片，讀取的數據都是不正確的；
?【2.2.2】半導體存儲芯片的譯碼驅動方式
1）線選法：
地址線4條，可以尋址16個存儲單元；
數據線8條，每個存儲單元存儲8個bit；
存儲容量是 16*8 bit ；
那如果有20根地址線，則容量是1M*8bit，要尋址1M個單元，用單個譯碼器，則存儲器中地址譯碼器的線就有1M=100w條；（可以理解為單個地址譯碼器是一維空間尋址）
線選法缺點：成本非常高，不適用；
2）重合法
地址譯碼器有2個，分為行地址譯碼器X，列地址譯碼器Y；
那如果有20根地址線，則容量是1M*8，那么存儲器中有2個譯碼器，分為行譯碼器1k條線，列譯碼器1k條線；共計2k條線；（相比于線選法，重合法更加高效，因為使用線選法的地址譯碼器需要1M根線）；
可以理解為重合法是二維空間尋址；
如 存儲存儲的設計結構是 32 * 32 個；
則x，y軸地址譯碼器分別用 32根和32根線就可以定位二維空間中的某個存儲單元了；
而如果是一維線選法的話，地址譯碼器需要 32*32 根線；
【2.3】 隨機存取存儲器-RAM-random access memory
【2.3.1】 靜態RAM-SRAM
2）靜態ram舉例：
10個地址線，可以尋址1k個存儲單元；
4個數據線，每個存儲單元可以存儲4個bit；
補充：如何實現選一次四列？
行地址0，則選中第0行；
列地址0，則選中4組中每組的第0列上的bit輸出；即（黃色部分）；
?【2.3.2】動態RAM-DRAM
0）保存0和1的原理：
- 電容當中有電荷，則為1，否則為0；
- 采用電容進行表示；
1）動態ram基本電路
動態ram 4116芯片讀原理：
?
豎方向是行， 橫方向是列；
在讀放大器的左側那一行， 電容有電表示0，沒有電表示1；
讀放大器的右側正好相反；
讀放大器是一個蹺蹺板電路，左邊與右邊的電平相反；
4）動態刷新ram
為啥要刷新？
電容非常小，很容易漏電；
在一段時間內，如果不對電容充電，則長時間，電容就會漏電，信息丟失；
動態ram刷新有3種方式：（集中刷新，分散刷新，異步刷新）
?
4.1） 集中刷新； 2ms內，對128行地址線進行刷新；
2ms內有4000個存取周期， 前面 3872個周期可以共cpu操作，后面128個周期需要用于刷新電容；也就是說? 0.5us*128=64us； 64個微秒內，動態ram是不能使用的；
?
?4.2）分散刷新
一半時間用于存取或讀寫數據，另一半時間用來刷新 動態ram；
4.3）異步刷新（集中刷新與分散刷新相結合）
【2.3.3】動態ram與靜態ram的比較（重要*）
?單元電路：
- 動態ram 每個單元電路，包括1個晶體管，1個電容； 簡單；
- 靜態ram每個單元電路，包括6個晶體管； 復雜；
作用：
- 動態ram 主要用于主存（速度稍慢，慢于靜態ram）；
- 靜態ram 主要用于緩存（速度快）；
?【2.4】只讀存儲器rom（了解）
【2.5】 存儲器與cpu的連接（本章重點內容*）
【2.5.1】存儲器容量擴展?
- bit位擴展；（存儲單元的存儲容量擴展）
- 存儲字擴展；（存儲單元的數量擴展）
- bit位，存儲字同時擴展；
問題： 存儲器10根地址線，共計1k個存儲單元；每個單元存儲4個bit位（4位數據）；如何構成 1k*8位 的存儲器？
解決方法： 用2個 1k*4bit 的芯片；
1）bit位擴展（增加單個存儲單元的存儲容量）：
解決方法：把2個小芯片組合為1個大芯片來用； 同時做讀寫操作；2個小芯片同時工作；
2）字擴展（增加存儲字或存儲單元的數量）
?2個芯片不能同時工作；
11條地址線；如果第11根A10等于0 選擇第1個芯片；如果A10等于1選擇第2個芯片；（高位bit A10 作為片選信號）
3）字，位同時擴展
存儲空間分配到4個存儲器當中，每個存儲器兩個芯片（2個芯片為一組），共計8個芯片；
- 000000000000~001111111111? = 1k個地址； 給第1組芯片；
- 010000000000~011111111111 =? 1k個地址；給第2組芯片；
- 100000000000~101111111111 =? 1k個地址；給第3組芯片；
- 110000000000~111111111111 =? 1k個地址；給第4組芯片；
A11A10 作為片選信號； 取值為 00， 01， 10， 11 ；
片選信號作用（經過片選譯碼器譯碼）：選擇一組或一簇小芯片進行尋址；
【2.5.2】存儲器與cpu的連接
1）地址線的連接：把低位bit作為地址信號；高位bit作為片選信號；
4）片選線的連接：對存儲器的訪問信號要在片選線進行體現； 每個存儲器芯片，都有一個地址范圍；（是訪問存儲器還是IO設備，根據地址范圍來判斷）
5）合理選擇存儲芯片；
- 是選擇 rom 還是ram？ Rom存儲系統程序；ram存儲用戶程序；
- 是選擇2個1k*4還是1個1k*8；
- 芯片數量竟可能少，片選邏輯盡可能簡單；
【例】cpu與存儲器的連接圖
MREQ（低電平有效）信號線一定要用（不要忘記，非常重要）；
只有當 MREQ是低電平時，訪問的地址才在存儲器范圍中；否則訪問的是IO設備；
ROM的數據線是單向的； RAM的數據線是雙向的；（上圖是重點）
【2.6】主存儲器校驗（跳過）
【2.7】提高訪存速度的措施
Cpu訪問速度從1985到2002年，每年提升 52%；
但內存每10年訪問速度提高50%；
Cpu再快，cpu執行的指令來自于內存；數據來自于內存；結果需要保存到內存中；
如果cpu再快，但內存慢，計算機整體運行速度也提不上來；
提高訪存速度的方法有：
- 單體多字系統；
- 多體并行系統；
【2.7.1】單體多字系統 （方法1）
增加存儲器的帶寬，即每次存取多個存儲單元（增加了單次存取的bit數）；
CPU一次能夠處理的bit（機器字長）為16bit；但存儲器字長可以設置為64位；
Cpu 可以一次性取出64位放入數據寄存器以便cpu處理；
問題是： 如果需要的數據不是連續存儲在64位數據； 則以上方案不很好；
?【2.7.2】多體并行系統（方法2）
多體并行系統：包括4個存儲體； 前2位（高位）作為存儲器選擇信號；后4位是存儲體內部地址編碼；
有兩種方式：
- 高位交叉：體號在前，體內地址在后（在每個存儲器內部編址）；
- 低位交叉： 編碼方式不一樣； 體內地址在前，體號在后（使用所有存儲器進行編址）；
1） 高位交叉 ：各個體并行工作
高位交叉的問題： 程序指令是連續存儲的；如果那樣的話，就只能對某一個存儲器進行訪問，無法對其他3個存儲器進行訪問（因為高位交叉編址不連續，是跳躍的）； 造成某一個存儲體非常繁忙，其他閑；
適合存儲器容量擴展，但不適合提高存儲器帶寬；
2）低位交叉： 各個體輪流編址
?2.1）低位交叉特點：（在不改變存取周期的情況下，增加存儲器帶寬）
存取周期為T； 總線周期為t（濤）；把存取周期與總線周期區別開；
高位交叉用于存儲器容量擴展；
低位交叉用于存儲器帶寬擴展；
【2.7.3】高性能存儲芯片
【3】高速緩沖存儲器（高速緩存） 單獨一篇文章；
?為啥引入緩存？
因為cpu的速度再快，但存儲器速度跟不上，那cpu整體速度也起不來，因為cpu需要和存儲器或內存交互；所以需要在 cpu 和 主存之間添加一種速度比主存快，與寄存器接近的存儲介質，即高速緩沖存儲器；
計算機中高速緩存的訪問時間如下圖：
計算機中高速緩存的物理位置如下圖：
【3.1】概述
【3.1.1】問題提出
引入高速緩存可以提高cpu執行速度的理論依據是局部性原理：
- 時間局部性，當前正在使用的指令和數據，還將來還會被使用到；
- 空間局部性： 當前正在使用的指令和數據，其相鄰地址的指令和數據也可能會被使用到；
【3.1.2】cache工作原理
主存有M塊； 緩存有C塊； M遠遠大于C；
緩存中：標記存儲的是主存塊號；
命中率與cache容量和塊長有關：
塊太小，則cpu從某緩存塊中沒有取幾條指令，則又會去訪問內存；
塊長：在一個存取周期中從主存調出的信息長度； 如1個塊=4個存儲字，存儲字=存儲單元；
效率e的最大值為100%，全部訪問緩存；
效率e的最小值為 tc/tm ；
【3.1.3】cache基本結構
【3.1.4】cache讀寫操作（非常重要，涉及數據一致性問題）
1.有些操作只在cache寫，沒有在主存寫； 所以寫操作一定要注意cache與主存的數據一致性問題（進一步的，我們可以擴展到 jvm的內存可見性問題）；
2.Cache寫操作：
- 2.1寫直達法： 寫操作的數據，既要寫入cache也要寫入主存；
- 2.2 寫回法： 寫操作的數據，只寫入cache，不寫入主存； 當cache數據被替換時才寫回主存；（cache與主存的數據一致性問題）
如果多個cpu，對同一個內存塊都有自己的cache副本，那多個cache副本就存在數據一致性問題； 這是并行計算機體系結構中一個主要問題；
【3.1.5】cache改進
離cpu比較近的cache，直接就把cache做在cpu中，作為集成cache（片內cache）；
Cpu有多個核，每個核都有cache，多個核有共享cache；
統一緩存和分立緩存：
- 統一緩存： 指令和數據放在同一個cache；
- 分立緩存： 指令和數據放在不同的cache；
【3.2】cache與主存地址映射
Cache與主存的地址映射指的是： 主存當中的任意一塊，如果要加載到cache的話， 可以加載到cache當中的那些塊；根據映射方法不同，有3種映射，如下：
- 直接映射；
- 全相聯映射；
- 組相聯映射；
【3.2.1】直接映射
?
主存儲器的第0塊（或第2^c塊），只能放到cache的第0塊；
主存儲器的第1塊，只能放到cache的第1塊； … …? 這種方法就稱為直接映射；
問題： cache的利用率不高；
【3.2.2】全相聯映射
任何一個塊要從主存儲器調入cache，只要cache還有空閑塊，就可以調入；
則主存塊被調用 cache，那它可以被調入cache的任意一個塊中；
優點：
- cache利用率高了；
缺點：
- 這會造成判斷是否cache命中的電路或邏輯非常復雜，因為需要一個一個去比較；
【3.2.3】組相聯映射（推薦*）
先把cache分為塊； 多個塊被分為一個組；如2個塊一個組；
把主存儲器分為塊；多個塊被分為一個組；如2個塊一個區；
cache組的個數，與主存儲器區的個數，是相同的；
cache存放規則： 主存中0區的任意一塊，可以放入cache0組的任意一塊；
主存1區，對應cache1組；
……
某一主存塊J按模Q（cache組的個數）映射到緩存的第i組的任意一塊；
【小結1】cache與主存映射的優缺點
- 直接相聯：不靈活，cache利用率低，但速度快；
- 全相聯： 成本高，速度慢，但cache利用率比較高；
- 組相聯： 速度較快，利用率較高；
【小結2】cache與主存映射的3種方式應用場景
- 靠近cpu的cache采用直接相聯；
- 中間層次的cache采用組相聯；
- 距離cpu最遠的cache采用全相聯方式；
【3.2.3】替換算法
【問題】
- 當cache不夠用了， 選擇哪一個cache塊從cache退出；
?
【4】輔助存儲器 （了解）
【4.1】概述
?
1.?? ?記錄密度
- 道密度 Dt：硬盤單位長度有多少個磁道；
- 位密度：Db，單位長度的磁盤保存了多少二進制信息；
2.存儲容量 = n*k*s ；盤面 * 每個盤面磁道數 * 每個磁道的二進制信息； 磁盤每個磁道是一個同心圓，越往外，位密度越低；
3.平均尋址時間=尋道時間+等待時間；
- 尋道時間：讀寫頭在硬盤表面進行移動找到指定磁道的時間；
- 等待時間： 找到磁道以后，讀寫頭停止，磁盤旋轉，等待給定扇區旋轉到磁頭下面的時間；
【4.2】 磁記錄原理與記錄方式
【4.3】 硬磁盤存儲器
?【4.3.1】磁盤驅動器
【4.3.2】磁盤控制器
【4.4】 軟盤
?
【4.5】 光盤存儲器
?
總結
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