ch4 存储子系统¶

1. 存储系统概述¶

【存储系统的层次结构】

主存（内存）：主要存放 CPU 当前使用的指令和数据。能随机访问，工作速度快，有足够的存储容量。
辅存（外存）：存放大量的后备程序和数据。速度较慢，容量较大。
高速缓冲存储器（Cache）：存放 CPU 在当前一小段时间内多次使用的程序和数据，以缓解 CPU 和主存的速度差异。速度非常快，容量却很小。

【物理存储器】物理形态上真实存在的存储器，简称为实存，其地址称为物理地址或实地址。

【虚拟存储器】虚拟存储器是一个逻辑模型，并非物理存在，基于物理存储器并靠硬件+操作系统的地址映射来实现。逻辑上能提供比物理存储器更大的虚拟存储空间，相关地址称为虚地址或逻辑地址。

【存储器的分类：按存储介质】

半导体存储器
- 静态存储器：利用双稳态触发器的两个稳态状态存储信息，信息易失。
- 动态存储器：依靠电容上的电荷暂存信息，主存。
磁表面存储器：利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息，容量大，非破坏性读出，长期保存信息，速度慢，外存。
光盘存储器：利用光斑的有无 / 晶相等变化表示信息，容量很大，非破坏性读出，长期保存信息，速度慢，外存。

【存储器的分类：按存取方式】

随机存取存储器：按地址访问存储器中的任一单元，访问时间与存储单元的地址无关。
顺序存取存储器：访问时读 / 写部件按顺序查找目标地址，访问时间与数据的存储位置有关。
直接存取存储器：访问时读 / 写部件先粗定位一个小区域，再在该区域内顺序查找。

【存储器的技术指标】

存取时间：从存储器收到读写命令，到存储器读出（写入）信息所需要的时间 \(T_A\)。
存取周期：存储器做连续访问操作过程中一次完整的存取操作所需的总时间 \(T_M\)，通常 \(T_M > T_A\)。
数据传输率 R：单位时间内存取信息的数据量，也叫带宽或频宽，等于【存储器的位宽 / 存取周期】\(\tt bps\)。

2. 半导体存储原理与芯片¶

【相关术语】

TTL：晶体管 - 晶体管逻辑
ECL：射极耦合逻辑
MOS：金属氧化物半导体，即场效应管
CMOS：互补对称金属氧化物半导体

【静态存储器】主要包括双极型、静态 MOS 型，依靠双稳态电路内部交叉反馈机制存储信息。功耗较大，速度快，常用作 Cache。

【动态存储器】主要包括动态 MOS 型等，依靠电容存储电荷的原理存储信息。功耗较小，容量大，速度较快，常用作主存。

【半导体 ROM 存储器】

MROM：掩模型的只读存储器，根据存储信息的二进制代码，设计相应的光刻掩模。存储的信息固定不变，不可改写。可应用于字符点阵存储器、微程序存储器等。
PROM：可编程型的只读存储器，芯片出厂时其存储的内容全为 \(0\)，用户可通过专用的写入器将信息自行写入。写入操作是不可逆的，用户只能写入一次，无法再次重写数据，常用于可编程逻辑阵列（PLA）等。
EPROM：擦除型可编程的只读存储器，写入器在 \(\tt 25\ V\) 下写入数据，在 \(\tt 5\ V\) 下读数据，通过紫外线照射擦除数据。工作环境下存储芯片为只读模式，可擦写次数有限，通常几十次，需专用擦写器，只能芯片级擦除。
EEPROM：电擦除型可编程只读存储器，采用了更方便的高电压擦除数据的方式，可只对特定存储单元加高压形成电子隧道擦除其数据，其它单元数据保持不变。工作环境下存储芯片为只读模式，比 EPROM 更方便，需要专用擦写器，可实现比特级擦除。
FLASH：闪存，是一种快速擦写型的 ROM，沿用了 EPROM 的简单结构和浮栅 / 热电子注入写入方式，可芯片级擦除，兼备 EEPROM 的比特级电擦除特性。掉电时信息不丢失，功耗低、存储密度高。芯片级 + 比特级数据擦除方式，读写速度很快，可在计算机内实现擦写，不需要专用擦写器。典型应用如 U 盘、SSD 固态硬盘等。

3. 半导体存储器的组织逻辑¶

【存储器的设计原则】

接口协议的匹配：物理特性、功能规范、电平特性、时序逻辑等。
存储芯片（颗粒）选择：失电后保存信息（SRAM 或 ROM）；运行期存储信息（DRAM）。
存储器的地址分配与地址译码：芯片内部地址、芯片选择信号。
芯片的布局和排线：地址线、数据线、片选、R/W 控制线等。

【主存与 CPU 的连接】

模块式直连：CPU 与存储器直接相连；存储容量小，SRAM；CPU - 存储器，两者集成在一块插卡上，作为一个单独的计算模块来使用。
部件式总线挂接：存储器通过总线与 CPU 相连；存储器独立、容量大，DRAM；会与总线上的其它部件争夺总线控制权。
专用存储总线：存储器与 CPU 之间增设了专用的高速存储总线；存储器独立、容量大，DRAM；存储器独享存储总线的带宽。

4. 磁存储原理与磁盘¶

【基体与磁层】存储介质：磁层材料；读 / 写部件：磁头。

数据写入：磁头线圈中加磁化电流（写入电流），磁层移动，形成连续的小段磁化区（位单元区）。
读出数据：线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的转变区经过磁头下方时，线圈两端会产生感应电势 \(e\)。

【磁化方式】水平磁化；垂直磁化。

【磁记录的编码方式】

不归零 - \(1\) 制：写 \(0\)：电流不变；写 \(1\)：电流翻转
调相制：写 \(0\)：在中间位置让写入电流负跳变；写 \(1\)：在中间位置让写入电流正跳变
调频制：每位的起始处写入电流跳变 \(1\) 次，以作为同步信号，在中间位置：写 \(0\) 则不变、写 \(1\) 则跳变

【磁盘系统】包括盘片、磁盘驱动器、磁盘控制器与接口，以及硬盘驱动程序。

信息分布
- 盘组：多个盘片，双面记录。
- 圆柱面：各记录面上相同序号的磁道构成一个圆柱面。
- 数据块：扇区（定长记录格式）、记录块（不定长记录格式）。
寻址方式：驱动器号 \(\to\) 圆柱面号 \(\to\) 磁头号 \(\to\) 扇区号 \(\to\) 字节序号。
技术指标
- 记录密度：磁道密度（盘面上单位径向长度内的磁道数），位密度（磁道上单位长度可记录的比特数量）。
- 存储容量：格式化容量（通过扇区来计算），非格式化容量（通过位密度来计算）。
- 速度指标：平均存取时间（寻道 + 旋转），数据传输率（带宽）。

5. 光存储原理与光盘¶

【光存储原理】用激光照射存储介质，使其发生某种物理化学的特性变化，据此记录信息。

【存储介质特性】包括形变型、相变型、磁光型。

【光道特征】每个光道也划分成若干扇区，由内向外的螺旋线，与蚊香的结构相似。

【光盘分类】

按读写特性：分为只读型光盘、读写型光盘。
按激光种类：CD 光盘、DVD 光盘、BD 光盘。

【工作原理】光 - 电转换，读写光盘数据。

【性能指标】

读盘模式：包括恒定线速度、恒定角速度、区域恒定角速度。
读盘速度：包括平均寻道时间、倍速指标。
数据缓存容量

6. 计算机三级存储管理体系¶

【三级存储体系】

外存：确保计算机具有足够大的存储容量；确保数据能脱机保存。
内存：存储运行期指令 / 数据，确保 CPU 能够快速读取。
Cache：强化 CPU 快速读取指令和数据的速度。

【Cache 与主存映射】

直接映射：Cache 只分块，不分组；主存既分块，也分组。主存的每一个数据块，只能映射到与其组内序号相同的 Cache 数据块位置。
全相联映射：Cache 只分块，不分组；主存只分块，不分组。主存任何一个块都可以映射到 Cache 的任何一个数据块位置上。Cache 标记太长，判断时间太长；硬件复杂，成本高，实现相对困难。
组相联映射：Cache 既分块，也分组；主存既分块，也分组，组内块数与 Cache 组数相等。主存数据块，映射到与自己组内块序号相同的 Cache 分组，可占据 Cache 分组中的任意数据块位置。定位 Cache 的分组用直接映射；定位 Cache 数据块用全相联映射。这是直接映射和全相联映射的折中，速度快、硬件简单、成本低、易实现。

【常用的替换算法】

最不经常使用（LFU）：将一段时间内被访问次数最少的那块从 Cache 中置换出去。
最久被使用（LRU）：将近期内最久末被访问过的 Cache 块置换出去。
随机替换：随机确定将哪块从 Cache 中替换出去。

【Cache 的写操作】

通写：Cache 单元和主存单元同时写，使 Cache 和主存保持一致。
回写：只修改 Cache 单元，并用标志将该块加以注明，直到该块从 Cache 中替换出来时才一次性写入主存。

【Cache 的读操作】

旁路式读：CPU 向 Cache 和主存同时发读命令和地址。Cache 命中，则 Cache 回送数据并中断读主存命令；Cache 未命中，则直接访问主存读取数据。
通过式读：CPU 首先向 Cache 发读命令和地址。Cache 命中，则从 Cache 中读出数据；Cache 未命中，再将读命令和地址传给主存并读主存。

【内存与外存的映射】

虚拟存储：在内存和外存之间，由操作系统存储管理模块及相关硬件实现的一种存储映射技术。逻辑上能提供比物理存储器更大的虚拟存储空间，相关地址称为虚拟地址或逻辑地址。
页式虚拟存储管理：主存和外存统一分页后进行管理。页表记录虚地址页号与实地址页号的对应关系，即虚页面调入主存时被安排在主存中的位置（实页号）。可以把活跃的页表项用高速存储器单独存储，访问速度更快，称为快表。
段式虚拟存储器管理：虚存中的程序分段管理（代码段、数据段、共享段）。为了将虚拟地址变换成主存实地址，操作系统创建 \(1\) 个段表。每段在段表中都占有一登记项，内容包括：段号、段起点、段长、装入位等。
段页式虚拟存储管理：每个程序按逻辑模块分段，每段再分页，页面大小与内存页面相同；由操作系统创建两表：段表、页表。虚地址格式：段号 + 页号 + 页内地址；实地址格式：页号 + 页内地址。

7. 其它高性能存储系统介绍¶

【双端口存储器】同一个存储器具有两组独立的读写控制线路，两个端口分别具有各自的地址线、数据线和控制线，可进行独立的存取操作。

【磁盘冗余阵列】把多块独立硬盘组合成硬盘组，就可以把相同数据存到不同硬盘，实现多个硬盘的并行读写。三种形态：阵列柜；阵列卡；软件配置式。

【相联存储器】根据存储单元所存内容的一部分作为检索项（即关键字项），去检索存储器，并对存储器中与该检索项符合的存储单元内容进行读出或写入。