计算机体系架构（4）存储器_三级存储系统-优快云博客

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本文深入探讨了计算机存储体系的三级架构——外存、内存和Cache，详细阐述了各自的特点和作用。内存包括DRAM和SRAM，Cache用于缓解CPU与内存速度差异。此外，介绍了存储器的分类，如半导体存储器和磁表面存储器，以及随机存取、只读和顺序存取存储器。动态存储器的刷新和重写机制也被提及。最后，文章讨论了虚拟存储技术如何连接内存和外存，并分析了内存与Cache之间的地址映射策略。

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正文

存储系统的层次架构（三级存储体系）：

外存（辅存）：如硬盘，主要存放大量的后备程序和数据，速度慢，容量大；
内存（主存）：如 DDR 内存条，主要存放 CPU 当前使用得指令和数据，速度中，容量中（相比之下）；
缓存（Cache）：全称高速缓冲存储器 Cache，如 SRAM，主要存放 CPU 在当前一小段时间内多次使用的程序和数据，以缓解 CPU 和主存之间的速度差异（比如你 CPU 工作频率很高，但是存储器的读写速度很慢，导致 CPU 数据的存取速度也很慢，那么，CPU 的性能再高也没用的，现如今，存储器的性能才是决定了你的速度，例如，通过更换机械硬盘为固态硬盘，可以极大地给电脑加速，就是这个原理）；速度极快，容量小。

存储器的分类：

按照存储介质：

半导体存储器：静态存储器（双稳态触发器，功耗较大、速度极快，如 SRAM，Cache）、动态存储器（电容存储电荷，功耗较小、速度快，DDR）；
磁表面存储器：磁层磁化，如 IDE，SATA；
光盘存储器：光斑晶相，如 CD；

按照存取方式：

随机存取存储器：
RAM：可读可写；如 SDR，DDR；
ROM：只读；如固化 ROM（用户不能写入数据）、PROM（芯片出厂时存储的内容全为零，用户可写入一次数据）、EPROM（有限的多次编程，紫外线擦除，芯片级擦除）、EEPROM（可多次写入，电擦除，比特级擦除）、Flash 闪存（如 U 盘，SSD 固态硬盘）；
顺序存取存储器：磁带机、电影胶片；
直接存取存储器：硬盘。

单管单元电路：

这是动态 MOS 存储单元与芯片（如下）：

综上，通过 Z 线控制 MOS 管的导通与否（即 $V_{GS}$ 是否大于 $V_{TH}$ ，导通的时候就有 $I_{DS}$ 电流通过，不懂的请参考拉扎维的模拟 CMOS 集成电路设计），然后写入数据的话就是通过 W 线的高（1）低（0）电平为电容充电（1）放电（0），读出数据的话就是通过电容的充电（1）放电（0）改变 W 线的电平的高（1）低（0）。

存储器的设计：

关于存储器数据传输率：单位时间内存取信息的数据量，也叫带宽或频宽；例如：双通道 DDR4 内存传输频率为 3200MHz，位宽为 64Bits，其有效带宽为：64*3200/8*2 = 51.2GBps。
设计存储器考虑的因素：考虑接口协议的匹配如物理特性、功能规范、电平特性、时序逻辑等等；考虑存储器的指标如地址空间、数据位宽、工作频率等等；考虑芯片的布局和布线如地址线、数据线、片选、读写控制线等等。
存储器地址码组成元素：存储器的地址码片选地址加上片内地址，低位地址分配给片内逻辑，高位地址形成片选逻辑（下面是 1K X 4 SRAM芯片组成容量为 4K X 8 的存储器的控制信号和电路线路设计）。

动态存储器的刷新：

刷新：定期向电容补充电荷（会泄露的），以保持原来的存储信息。
重写：破坏性读出之后的自动操作，以恢复原来的存储信息。
最大刷新间隔：以封装后的一个存储芯片为单位，如 DDR 64ms 内必须对所有片内存储单元刷新一遍。
逐行刷新：是动态存储器的刷新方法，刷新一行所用的时间即为刷新周期 Tref；刷新周期的安排可以是在 64ms 内集中安排所有的刷新周期，也可以是各个刷新周期分散安排在存取周期中，也可以是每隔一段时间刷新一行。
CPU 访存：由 CPU 通过地址总线提供行列地址，进行随机访问。
SDRAM：即同步动态随机存取存储器。
DDR SDRAM：即双倍数据速率、同步动态、随机存取存储器，采用差分时钟，在时钟的上升沿和下降沿各触发一次存储读写操作。

三级存储体系：

三级存储体系：外存、内存、Cache。
设置 Cache 的原因：为解决 CPU 和内存速度不匹配而采用的一项技术，使访问主存的平均速度接近于访问 Cache 的速度。
Cache 的前提条件：CPU 从主存中取指令、数据，在一定时间内地址范围，常局限于内存的某个小区域，因此可以将正在使用的部分（热点区指令和数据），提前预取并存储到一个高速的、小容量的 Cache 中；使得 CPU 访存 “等价于” CPU 访问 Cache。（只能说这些前辈们是真的优秀啊，tql）
内存与 Cache 之间的地址映射：内存与 Cache 之间是通过以固定大小的数据块为单位进行整体调度的（交换），映射的方式有直接映射、全相连映射、组相连映射。
直接映射实例讲解：假设存储器按字节编址（即一个地址对应 1B），数据块大小为 512B，Cache 容量为 8KB，那么 Cache 就可以分为 16 块，内存容量大小为 1MB 的话，就可以分为 2048 块；那么在直接映射中，Cache 只分块不分组，内存既分块也分组（每组的块数等于 Cache 总块数），映射规则为内存的每一个数据块，只能映射到与其组内序号相同的 Cache 数据块位置（如下）。
内存与外存的关联：通过虚拟存储技术（页式、段式、段页式）。
虚拟存储技术：在内存与外存之间，由操作系统存储管理模块及相关硬件（存储管理部件）实现的一种存储映射技术。