计算机组成原理:大而快—

计算机组成原理:大而快——层次化存储

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引言

关于两种局部性

时间局部性：如果某个数据被访问，那么在不久的将来它可能再次被访问
空间局部性：如果某个数据项被访问，与它相邻的数据项可能也将被访问

存储系统

根据局部性原理，构建计算机的存储系统，也称为存储层次结构

存储层次结构包括不同速度和容量的多级存储，存储速度越快，价格越昂贵，容量越小。

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Tips:

同样的数据也有相似的层次性：靠近处理器那一层中的数据时那些较远层次中数据的子集

层次化存储可以由不同的层次组成，但是数据只能在两个相邻层次之间复制。在相邻两层之间信息交换的最小单元称为块（block）。

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Tips:

如果处理器所需的数据在本层的存储中找到，称为命中（hit),否则为失效(miss)。

存储技术

主要有四种：

主存采用动态随机存储（DRAM）；靠近处理器的存储层次使用静态随机访问（SRAM）；第三种为闪存；第四种为磁盘（disk)

DRAM

在SRAM中，只要提供电源，数值会被一直保存。而在 DRAM 中，使用电容保存电荷的方式来存储数据。采用单个晶体管来访问存储的电荷，或者读取它，或者改写它。DRAM的每个比特仅使用单个晶体管来存储数据，它比SRAM的密度更高，每比特价格更低廉由于DRAM在单个晶体管上存储电荷，因此不能长久保持数据，必须进行周期性的刷新与SRAM相比，这也是该结构被称为动态的原因。

闪存

闪存是一种电可擦除的可编程只读存储器（EEPROM）内含耗损均衡技术的控制器，将写操作尽量分散

Cache基础

理解图示：

工作原理介绍

在cache中为每个存储中的数据进行位置分配的最简单方式，就是基于它在存储中的地址来分配cache中的位置，这称为直接映射

找对应数据块

(块地址) mod (cache中的数据块数量)

（图示映射）

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cache中要添加标签

这些标签（tag)保存了所需的地址信息，用来确定请求字是否在cache中

cache中添加有效位

用来标识该表现中是否保存着有效数据

cache还可以利用时间局部性，使用最近访问的数据替换不常访问的数据

Cache进一步
- 64 位地址。
- 直接映射 cache。
- cache大小为2"数据块，因此索引字段为n位。
- 数据块大小为2”个单字(2"m+2字节)，因此在单个数据块中使用m位来索引单字，使用地址的最低2位来索引字节。

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例题加深理解:

关于cache容量

该直接映射的cache总容量:

2^n * (单个block大小 + tag位数 + 有效位一位)

处理cache失效

定义:由于所需的数据不在cache之中，对cache发送的数据请求不能被响应

处理步骤:

1.将PC的原始值(当前PC-4)发送到内存。
2.对主存进行读操作，等待主存完成本次访问
3.写cache 表项，将从内存获得的数据写人到该表项的数据部分，将地址的高位(来自于ALU)写入标签字段，并将有效位置为有效。
4.重启指令执行。这将会重新取指，本次取指将在指令 cache 中命中。与上述相比，数据访问的 cache 控制本质上是相同的。一旦失效，简单地暂停处理器，直到内存返回数据。