一、 存储器

• ROM：数据读取快、存储时间长、耗电低。用于BIOS、CD-ROM、闪存
• RAM：可以随机读写、需要通电。多用于主存

二、存储器层次化结构

由于不同类型的存储器访问速度、存储成本不同，需要合理规划、分配适合的存储器。一般来说，访问速度越快的存储器价格越高、存储空间越小，性能与成本成正比。而计算机在访问数据的时候会优先使用访问速度快的存储器

Ⅰ、层次化结构的性能

对于每一层存储结构，用以下指标衡量其查询数据的性能：

• 命中(hit)：需要的信息存储在该层结构内
  命中率(hit rate)：命中次数/总查询次数
  命中时间(hit time)：查一次的时间
• 失效(miss)：需要的信息没有存储在该层结构内
  失效率(miss rate)：失效查询/总查询
  失效惩罚(miss penalty)：处理一次失效的总时间花销，包括去下一层查询然后传回当前层的时间
• 平均访问时间(AAT)：命中率x命中时间+失效率x惩罚
• 有效访问时间(EAT, Effective Access Time)：通常采用EAT描述层次化存储系统的性能

其中：命中率+失效率=1、惩罚=下层访问时间+当前层数据更新时间

有效访问时间(EAT)

有效访问时间是指层次化存储系统中，数据查找的期望时间。它的决定因素有：

• 存储层的性能，主要由物理结构决定
• 查找方法：并行访问（多个不同层次同时访问）、顺序访问（按层先后访问）

假设有两级层次化存储系统，其中第一级访问时间10ns，第二级100ns，第一级命中率90%，以下列出两种访问类型的EAT：

并行：EAT=90%x10ns+10%x100ns=19ns
顺序：EAT=90%x10ns+10%x(10ns+100ns)=20ns

假设一个三级层次化存储系统，其中第一级访问速度为1ns，命中率为80%，第二级访问速度为10ns，命中率为90%，第三级访问速度为100ns，命中率为99%，采用并行访问方式进行访问的有效访问时间是___________ns，采用顺序访问方式进行访问的有效访问时间是_________ns。

并行：EAT=80%x1ns+20%x(90%x10ns+10%x100ns)=4.6ns
顺序：EAT=80%x1ns+20%x{1ns+[90%x10ns+10%x(10ns+110ns)]}=5.0ns

可以先计算后几层的再计算第一层的时间

Ⅱ、数据局部性

当发生一次数据失效时，层次化存储器会把失效数据附近的数据快一起拷贝并存储，这就是利用数据局部性提高命中率

数据局部性体现为以下形式：

• 时间局部性(temporal locality)：最近访问的数据在不远的将来会再次访问
• 空间局部性(spatial locality)：即将要访问的数据在最近访问过的数据附近
• 顺序局部性(sequential locality)：数据会按照顺序访问

Ⅲ、典型的层次化存储

现代计算机中，最典型的层次化存储系统是由高速缓存、主存储器、虚拟内存构成的，高速缓存提高了内存访问速度、虚拟内存扩大了内存访问的空间，各结构依据自身物理结构不同，合理分配工作

三、SRAM和DRAM

RAM分为以下两类：

• 静态随机访问存储器(Static Random Access Memory, SRAM)：类似于D触发器的结构。多用于高速缓存
• 动态随机访问存储器(Dynamic Random Access Memory, DRAM)：采用电容实现，需要充电。多用于主存储器

由于结构不同，它们的性能也不同，以下是性能比较：

• 访问速度：静态>动态
• 能耗：静态<动态
• 电路复杂度：静态>动态
• 密度：静态<动态
• 成本造价：静态>动态

四、高速缓存

利用数据局部性，用较小的高速访问存储器来提高内存性能。现代计算机使用三级缓存，位置在CPU内。

高速缓存中的寻址根据存储的内容，也被称为按内容寻址寄存器(Content Addressable Memory, CAM)。 寻址将主存储器地址映射为缓存地址，因此也被称为缓存映射，缓存采用和主存储器同样的存储单元，因此映射只取决于地址空间大小，与内存寻址方法无关

Ⅰ、缓存映射

高速缓存和主存储器采用大小相同的块；缓存采用有效位标识一个块是否保存了有效数据；当缓存失效时，将整个块从主存储器重载入缓存；由于同一份数据在块内的偏移是相同的，不同映射策略体现在对块的管理映射策略上

为什么采用块的形式？

采用块是为了利用数据的局部性提高命中率，同时可以对地址、状态进行压缩，提高缓存存储能力。

例如，假设用64位按字寻址的存储器和高速缓存，每个缓存单元要3个状态位

缓存按存储单元处理，8个单元需要8*(64+64+3)=1048位
按8个单元组成的块，需要8*64+(74-log2(8)+3)=576位

缓存寻址方式类比

缓存寻址方式分为两种：直接映射寻址、全相联映射寻址

• 主存储器寻址类比为数组
  以a表示，给定地址x，数据保存在a[x]
• 直接映射寻址类比为哈希表
  用表a存储，共N个单元，每个单元存储一对数据(x,y)，给定x，高速缓存计算一个哈希值z=h(x)modN，如果a[z].x==x，则返回a[z].y，否则失败
• 全相联映射寻址类比为数组
  用数组a存储，共N个单元，每个单元存储一对数据(x,y)，给定x，高速缓存对于第i个单元判断（遍历），如果a[i].x==x，则返回a[z].y，否则失败

1、直接映射

假设缓存有N个块，内存中编号X的块映射到缓存中Y的块，即Y=XmodN

直接映射的地址分为三个字段

• offset：块内偏移
• block：块编号
• tag：tag和block决定了在主存储器中的存储块编号

假设一个按字节寻址的存储器使用16位地址缓存64个块，每块8字节，求映射地址0x0404的各字段

地址长度=16
块内偏移值字段长度=log2(8)=3
块号字段长度=log2(64)=6
tag字段长度=16-3-6=7

0x0404=0000 0100 0000 0100，按照字段长度分组：0000010 000000 100
表示标记为2、0号块、偏移为4的映射地址

2、全相联映射(Fully Associative Mapping)

主存储器中任意一个块都能映射到任意的所有缓存块，因此查找只能遍历

全相联映射的地址分为两个字段

• offset：块内偏移
• tag：主存储器中的块号

全相联映射与直接映射相比：

• 缓存利用率更高
• 命中更高
• tag较长，占空间
• 查找需要遍历
• 成本高

全相联映射类比成停车，在一个停车场内，所有车位都能停，因此仅仅凭全相联映射的地址无法得到具体在哪个车位，只能遍历查找

实际中，采用的是二者折中方案——组相联映射(Set Associative Mapping)

4、组相联映射(SAM)

主存储器中任意一个块都能映射到任意一组的任意一个缓存块

N路组相联映射(N-way Set Associative Mapping)假设缓存有M组，每个组N块，内存中编号为X的块映射到缓存中编号Y的组，Y=XmodM

二路组相联映射：

组相联映射的地址分为三个字段

• offset
• set：代表在缓存内的组编号
• tag：与组好共同给决定在主存储器中的块编号

Ⅱ、缓存映射示例

假设一个按字节寻址的存储器总容量为1MB，缓存有32个块，每块有16个字节，分析采用直接映射、全相联映射和4路组相联映射时，地址为0x326A0在高速缓存中的位置

0x326A0=0011 0010 0110 1010 0000

直接映射：
地址总长=log2(1M)=20
偏移段=log2(16)=4
块编号=log2(32)=5
标记字段长=20-9=11
分组：00100010011 01010 0000，位于编号为0x0A的缓存块

全相联映射：
地址总长=20
偏移段=4
标记字段=20-4=16
分组：0011001001101010 0000，由于是随机映射，无法确定具体是哪一块

四路组相联映射：
地址总长=20
偏移段=4
组编号=log2(32/4)=3
标记字段=20-7=13
分组：0011001001101 010 0000，位于0x02的组，但组内是随机映射，无法确定具体位置

Ⅲ、缓存替换策略

对于全相联和组相联映射，当空间不足时，新块会替换旧块，选择被替换块的依据就叫替换策略

理论最优的是将未来一段时间访问频率最低的换出(evict)

常见：

• 最近最少使用(Least Recently Used,LRU)
• 先入先出(FIFO)：存在时间最长
• 随机：可能导致常用被换出，但是可以避免同一个块被频繁换入换出

完

最后

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