计算机组成原理的学习笔记(7)-- 存储器·其二容量扩展/多模块存储系统/外存/Cache/虚拟存储器

学习笔记

前言

本文主要是对于b站尚硅谷的计算机组成原理的学习笔记，仅用于学习交流。

容量拓展

1. 字扩展

字扩展中，两个芯片的数据线是完全并联的，因此存储器的“字长”（即数据线的位数）不会增加。其逻辑如下：

地址线分配：
- 低位地址线（如 A0~A9）连接到每个芯片的地址引脚，用于访问单个芯片的存储单元。
- 高位地址线（如 A10）用于控制每个芯片的片选信号（CS）。
存储单元的扩展：
- 容量变为两倍。
- 数据宽度（字长）保持为4位，因为数据线没有增加。
逻辑控制：
- 系统根据高位地址信号，控制具体哪个芯片处于工作状态（每次只有一个芯片被选中）。

2. 位扩展

以两个1K×4的存储器通过位扩展组成一个1K×8的存储器为例：

地址线并联：
- 两个芯片的地址线完全相同，即系统的地址信号同时传递到每个芯片，所有芯片的地址空间是重叠的。
- 如果有10根地址线（A0~A9），每个芯片都响应这10根地址线。
数据线分配：
- 两个芯片的数据线不重叠，而是分别连接到系统数据总线的不同部分。
- 例如：
  - 第一个芯片的4条数据线（D0~D3）连接到系统数据总线的低4位。
  - 第二个芯片的4条数据线（D4~D7）连接到系统数据总线的高4位。
- 这样，每个地址单元的数据宽度从4位变为8位。
控制线共享：
- 两个芯片的读写控制信号（如 /WE 和 /OE）完全共享。系统对一个地址的读写操作会同时作用于所有芯片。

3. 位扩展与字扩展的对比

特性	字扩展	位扩展
数据位宽变化	不变	增加
地址空间变化	增加	不变
存储单元数量	增加	不变
数据线分配	全部并联	分别连接到不同的部分
地址线分配	低位地址线并联，高位地址线用于片选	完全并联
控制信号	片选信号区别不同芯片	所有芯片共享相同信号

多模块存储系统

多模块存储系统是一种并行存储体系结构，通过将数据分散到多个存储模块中并行访问，提高存储器的带宽和访问效率。
与单体存储器不同，多模块存储系统可以在一个存储周期内同时访问多个地址的数据。

1. 特点

存储器被划分为多个存储模块，每个模块可以独立访问数据。
多个模块之间协同工作，CPU可以同时读取或写入多个地址。
CPU无需等待单个存储模块完成数据访问，从而减少存储访问延迟。

2. 地址分配方式

为了实现并行访问，需要合理分配地址到多个存储模块。常见的分配方式有以下两种：

高位交叉：
- 地址空间按照模块编号顺序分配。
- 例如：
  - 存储模块1：地址 0~3
  - 存储模块2：地址 4~7
- 优点：逻辑简单。
- 缺点：可能导致并行性不足。例如，访问地址 0~3 会集中在存储模块1，其他模块闲置。
低位交叉分配（Interleaved Addressing）：
- 地址的低位决定存储模块编号，高位表示模块内地址。
- 例如：
  - 地址 0, 4, 8 分配到存储模块1。
  - 地址 1, 5, 9 分配到存储模块2。
  - 简单来说就是地址最后几位相同(地址取模)的分在一个模块中
- 优点：大大提高了访问的并行性。

3. 实例对比

假设CPU需要访问连续的8个存储地址：

单体存储器：
- 每次只能访问1个地址。
- 如果存储周期为1，则需要8个周期完成。
多模块并行存储器（4个存储模块）：
- 地址 0, 4, 8 分配到存储模块1，1, 5, 9 分配到存储模块2，依此类推。
- 在1个周期内可以并行访问4个地址。
- 总时间为 2个周期，效率理论上提高了4倍。

4. 其他值得注意的点

当模块分时启动的时间间隔 <= 总线传输周期，此时可以取得的存储器带宽最大(我姑且先理解为效率最大了)
SDRAM可以实现在CPU需要等待存储器读取操作的时候让CPU去干其他的，待读取操作完毕，直接得到数据就行。

外部存储器

定义：与计算机系统分开的存储设备，用于扩展存储容量或备份数据。
性能指标：道密度/位密度/存储容量/平均寻址时间/数据传输率
常见外部存储器：
- 移动硬盘
- U盘
- SD卡
- 光盘(CD/DVD)
- 网络存储（NAS）

RAID和SSD

定义：将多个SSD组合以实现数据冗余和性能提升的技术。
常见RAID级别：
- RAID 0：数据条带化，提供高性能，但没有冗余，任何一块硬盘故障都将导致数据丢失。
- RAID 1：数据镜像，每块硬盘均保存相同的数据，提供冗余，能够在一块硬盘故障的情况下继续工作，但存储效率较低（可用容量为总容量的一半）。
- RAID 2：利用汉明码实现错误检测和修正，实际应用较少，通常不被广泛使用。
- RAID 3：数据条带化且使用一块专用的奇偶校验盘，适合大型文件的存储。
- RAID 4：类似于 RAID 3，但数据条带化是基于块而非字节，使用专用奇偶校验盘。
- RAID 5：数据分布在多个硬盘上，并且每个硬盘上都有奇偶校验信息，能够承受一块硬盘故障，兼具高性能和冗余。
- RAID 6：类似于 RAID 5，但提供双重奇偶校验，能够承受两块硬盘同时故障，更高的安全性。
- RAID 10（RAID 1+0）：结合 RAID 1 和 RAID 0，提供高性能和冗余，但需要至少四块硬盘。

高速缓冲存储器(Cache)

性质：缓存是位于主存与CPU之间的存储器，速度比主存更快，但容量通常较小。
功能：缓存通过存储近期使用的数据或即将使用的数据，加快数据访问，使系统能够更高效地工作。
命中率

1. 缓存管理

直接映射：每个主存地址映射到缓存的特定位置。
全相联映射：主存的任意块可存放在缓存的任意位置，提高灵活性。
组相联映射：前两者相结合, 缓存分为多个组，每组可以存放多个块, 减少冲突。

2. 替换算法

最少使用（LRU）：根据最近最少使用原则替换数据。
先进先出（FIFO）：最早进入缓存的数据最先被移除。
最不常用（LFU）：基于访问频率进行替换。
随机替换(RAND)：随机选择缓存中的一项进行替换。

3. 写策略

写直达（Write-Through）：
- 数据同时写入缓存和主存，确保数据一致性。
- 优点：数据一致性高，适合对数据安全性要求高的场景。
- 缺点：性能较低。
写回（Write-Back）：
- 数据写入缓存，只有在替换时才写入主存。
- 优点：提高性能，适合频繁写入的数据场景。
- 缺点：数据可能丢失，需处理数据一致性问题。

虚拟存储器

定义：虚拟存储器是一种内存管理技术，允许计算机系统使用硬盘或其他外存作为扩展内存，从而实现比实际物理内存更大的有效内存容量。
工作原理：
- 将程序的逻辑地址空间划分为逻辑段和页。
- 使用段表和页表进行地址转换。

1. 快表

定义：快表是一种用于管理缓存存储的数据结构，记录缓存的状态以提高数据访问的效率(相当于慢表的cache)。
结构组成：
- 索引：定位缓存条目的关键字段。
- 标签（Tag）：缓存条目的标识，帮助区分不同数据。
- 状态位：指示缓存条目的有效性、脏数据状态等

2. 段页式虚拟存储器

基本概念：
- 段：程序的逻辑地址空间被划分为多个段，每个段可能具有不同的大小（例如，代码段、数据段、堆栈段）。
- 页：段内部进一步被划分为固定大小的页。
地址转换机制：
- 逻辑地址：由段号、页号和页内偏移组成。
- 段表：记录每个段的基础地址和长度。
- 页表：每个段都有对应的页表，用于映射段内虚拟页到物理页框。