存储器系统
本章在综合考试中的平均分数为6分，约总分的8%
考点归纳
1、数值的计算
各进制数相互间的转换、二进制的特点、原码、反码、补码、移码的特点、数值的表示范围
2、计算机系统的组成
计算机包含的部件、常见的寄存器及各寄存器的作用重点、计算机的性能和基本工作原理、计算机体系结构的分类、指令系统基础、寻址方式重点、CISC和RISC、流水线工作原理、流水线的计算重点、总线系统
3、存储系统
存储器的分类、主存-Cacher的工作原理、命中率计算、存储芯片容量计算重点、虚拟存储器重点、RAID类型和特点、主存、存储器地址编码
4、可靠性与性能评价
可靠性计算重点、系统性能评价
5、校验码
循环冗余校验码（CRC）、海明效验码、奇偶校验码的基本原理
6、输入输出
常见的I/O设备、I/O控制方式
一、主存储器
存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运 行结果和最终运行结果都保存在存储器中。
存储器分为：
寄存器
Cache（高速缓冲存储器）
主存储器
辅存储器
一、存储器的存取方式
二、存储器的性能
- 存取时间：对于随机存取而言，就是完成一次读／写所花的时 间；对非随机存取，就是将读／写装置移动到目的位置所花的 时间。
- 存储器带宽：每秒能访问的位数。通常存储器周期是纳秒级 (ns)。计算公式是：1／存储器周期×每周期可访问的字节数。
例如：存储器周期是200ns，每个周期可访问4B，则带宽 =1s/200ns×(4Bx8)=160Mbps。
- 数据传输率：每秒输入/输出的数据位数。 对于随机存取而言，传输率R=1/存储器周期。
例：地址编号从80000H到BFFFFH且按字节编址的内存容量为 ( B )KB，若用16K*4bit的存储芯片够成该内存，共需( C )片。
A.128 B.256 C.512 D.1024
A.8 B.16 C.32 D.64
三、主存储器
(1)主存储器的种类
-
1.RAM:随机存储器，可读／写，只能暂存数据，断电后数据丢失。
- SRAM:静态随机存储器，在不断电时信息能够一直保持，读 写速度快，生产成本高，多用于容量较小的高速缓冲存储器。
- DRAM:动态随机存储器，需要定时刷新以维持信息不丢失，读写速度较慢，集成度高，生产成本低，多用于容量较大的主存储器。
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2.ROM:只读存储器，出厂前用掩膜技术写入，常用于存放BIOS和微程序控制。
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3.PROM:可编程ROM，只能够一次写入，需用特殊电子设备进行写入。
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4.EPROM:可擦除的PROM，用某种方法可擦去信息，可写入多次。
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5.E2PROM:电可擦除EPROM，可以写入，但速度慢。
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6.闪速存储器(Flash Memory):其特性介于EPROM与E2PROM之间。但不能进行字节级别的删除操作。
-
7.CAM（相联存储器）：CAM是一种特殊的存储器，是一种基于数据内容进行访问的存储设备。其速度比基于地址进行读写的方式要快。
二、辅助存储器
一、磁带
磁带是一种顺序存取的设备。
特点：存储容量大，价格便宜。适合数据的备份存储。
二、磁盘
三、RAID（独立磁盘冗余阵列）
把多个相对便宜的磁盘组合起来，成为一个磁盘组，配合数据分散排列的设计，提升数据的安全性和整个磁盘系统效能。
- 利用多磁盘来提高数据传输率；
- 通过数据冗余与校验实现可靠性。
RAID应用的主要技术：分块技术、交叉技术和重聚技术。
(1) RAID 0级（无冗余和无校验的数据分块）
RAID 0原理是把连续的数据分散到多个磁盘上存取，数据请求被多个磁盘并行执行，每个磁盘执行属于自己的那部分数据请求。这种数据上的并行操作充分利用总线的带宽，显著提高磁盘整体存取性能。
- 优点：具有最高的I/O性能和最高的磁盘空间利用率，易管理。
- 缺点：不提供数据冗余，一旦数据损坏，损坏的数据将无法得到恢复。
RAID 0特别适用于对性能要求较高，对数据安全要求低的领域， 如图形工作站等。对于个人用户，也是提高硬盘存储性能的绝佳选择。
(2) RAID 1级（磁盘镜像阵列）
由磁盘对组成，每个工作盘都有其对应的镜像盘，上面保存着与工作盘完全相同的数据拷贝，具有最高的安全性，但磁盘空间利用率只有50%。RAID 1主要用于存放系统软件、数据及其他重要文件。
(3) RAID 2级（采用纠错海明码的磁盘阵列）
RAID 2采用海明码纠错技术，用户增加校验盘来提供纠错和验错功能，磁盘驱动器组中的第1个、第2个、第4个…第2n个磁盘驱动器是专门的校验盘，用于校验和纠错，其余的用于存放数据。 RAID2最少要三台磁盘驱动器方能运作。
(4) RAID 3级（采用带奇偶校验码的并行传送）
RAID 3把数据分成多个“块”，按照奇偶校验算法存放在N+1个 硬盘上，实际数据占用的有效空间为N个硬盘的空间总和，第N+1 个硬盘上存储的数据是校验容错信息。
当N+1个硬盘中的一个硬盘出现故障时，从其他N个硬盘中可以恢复原始数据。所以RAID 3，安全性可以得到保障。
RAID 3比较适合大文件类型且安全性要求较高的应用，如视频编辑、硬盘播放机和大型数据库等。
(5) RAID 4级（带奇偶校验码的独立磁盘结构）
RAID4和RAID3很像，不同的是，它对数据的访问是按数据块进行的(一个数据块是一个完整的数据集合，比如一个文件就是一个典型的数据块。一个数据块存储在一个磁盘上)，也就是按磁盘进行的，每次是一个盘。RAID 4使用一块磁盘作为奇偶校验盘，每次写操作都需要访问奇偶盘，这时奇偶校验盘成为写操作的瓶颈。
(6) RAID 5级（无独立校验盘的奇偶校验码磁盘阵列）
RAID 5把数据和奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上。
当RAID5的一个磁盘数据损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。
RAID5磁盘空间利用率较高：（N-1）/N
RAID4和RAID5使用了独立存取技术，阵列中每一个磁盘都相互独立地操作，所以I/O请求可以并行处理。该技术非常适合于I/O请求率高的应用，不太适用于要求高数据传输率的应用。
(7) RAID 6级（具有独立的数据硬盘与两个独立的分布式校验方案）
RAID6技术是在RAID 5基础上，为了进一步加强数据保护而设计的一 种RAID方式，是一种扩展RAID 5等级。
与RAID 5的不同之处：除了每个硬盘上都有同级数据XOR校验区外， 还有一个针对每个数据块的XOR校验区。当前盘数据块的校验数据不是存在当前盘而是交错存储的，每个数据块有了两个校验保护， 所以RAID 6的数据冗余性能相当好。
但是，由于增加了一个校验，所以写入的效率较RAID 5还差，而且控制系统的设计也更为复杂，第二块的校验区也减少了有效存储空间。
(8) RAID 10级
把RAID0和RAID1技术结合起来，即RAID0+1 是磁盘分段及镜像的结合，结合了RAID0及RAID1的优点。
它采用两组RAID0的磁盘阵列互为镜像，也就是它们之间又成为 一个RAID1阵列。
三、Cache 存储器
Cache(高速缓冲存储器)
高速缓冲存储器是位于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于 CPU的速度。但其成本更高，因此Cache的容量要比内存小得多。
Cache存储了频繁访问内存的数据。
(1) Cache原理、命中率、失效率
使用Cache改善系统性能的主要依据是程序的局部性原理。
命中率、失效率
Cache的访问命中率为h（通常1-h就是Cache的失效率），Cache的 访问周期时间是t1，主存储器的访问周期时间是t2，则整个系统的平均访存时间就是：t3=h x t1+（1-h）x t2
(2) Cache存储器的映射机制
分配给Cache的地址存放在一个相联存储器（CAM）中。CPU发生 访存请求时，会先让CAM判断所要访问的数据是否在Cache中， 如果命中就直接使用。这个判断的过程就是Cache地址映射，这 个速度应该尽可能快。
常见的映射方法有：
- 直接映射
- 全相联映射
- 组相联映射
1、直接映射
是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能够复制到Cache的一个特定位置上去。
Cache的行号 i和主存的块号 j 有函数关系：
i = j % m（其中m为Cache总行数）
例：某Cache容量为16KB（可用14位表示），每行的大小为16B （即可用4位表示），则说明其可分为1024行（可用10位表示）。 主存地址的低4位为Cache的行内地址，中间10位为Cache行号。 如果内存地址为1234E8F8H，那么最后4位就是1000（对应十六进 制数的最后一位），而中间10位，则应从E8F(1110 1000 1111)中 获取，得到10 1000 1111 。内存地址为1234E8F8H的单元装入的 Cache地址为10 1000 1111 1000。
2、全相联映射
将主存中任一主存块能映射到Cache中任意行（主存块的容量等 于Cache行容量）。
根据主存地址不能直接提取Cache页号，而是需要将主存块标记与Cache各页的标记逐个比较，直到找到标记符合的页（访问Cache命中），或者全部比较完后仍无符合的标记（访问Cache失 败）。
主存块标记与Cache各页的标记逐个比较，所以这种映射方式 速度很慢，失掉了高速缓存的作用，这是全相联映射方式的 最大缺点。如果让主页标记与各Cache标记同时比较，则成本太高。
3、组相联映射
是前两种方式的折中方案。它将Cache中的块再分成组，各组之间是直接映像，而组内各块之间则是全相联映像。
主存地址=区号+组号+组内块号+块内地址号
例：容量为64块的Cache采用组相联方式映射，字块大小为128个 字，每4块为一组。若主存容量为4096块，且以字编址，那么主 存地址应该为多少位？主存区号为多少位？
首先根据主存块与Cache块的容量必须一致，得出内存块大小也 是128个字，因此共有128x4096个字，即219 (27x212)个字，因此需 19位主存地址；其中：块内地址号为7位，以表示128个字。一组 为4块，则组内块号用2位表示。Cache容量为64块，共分16组, 故组号需要4位地址表示。剩余的即为区号，为6位。
(3) Cache淘汰算法
当Cache数据已满，并且出现未命中情况时，就要淘汰一些老的数据，更新一些新的数据进入Cache 。选择淘汰哪些数据的方法就是淘汰算法。
常见的方法有三种：
- 随机淘汰算法
- 先进先出淘汰算法( FIFO）
- 最近最少使用淘汰算法(LRU)
其中平均命中率最高的是LRU算法。
(4) Cache存储器的写操作
在使用Cache时，需要保证其数据与主存一致，因此在写Cache时 就要考虑与主存间的同步问题，通常使用以下三种方法：
- 写直达：当Cache写命中时，Cache与主存同时发生写修改。
- 写回：当CPU对Cache写命中时，只修改Cache的内容而不立即写入主存，当此行被换出才写回主存
- 标记法：数据进入Cache后,有效位置1;当CPU对该数据修改时， 数据只写入主存并将该有效位置0。当要从Cache中读取数据时 要测试其有效位，若为1则直接从Cache中取数，否则从主存中 取数。