计算机组成原理：存储系统

• SRAM
• DRAM
  • 重要参数
  • DRAM 的刷新
  • 习题
• 对比 SRAM 与 DRAM
• Cache 存储器
  • 基本原理
  • 主存与 cache 的地址映射
    • 全相联
    • 直接
    • 组相联
  • Cache 冲突缺失和容量缺失的处理
• 虚拟存储器
  • 段式存储管理
  • 页式虚拟存储器

层次结构存储器系统

1. 寄存器
2. cache
3. 主存储器
4. 磁盘、光盘
5. 磁带

SRAM

双译码，将地址分为 x 向、y 向两部分。

DRAM

重要参数

• $t_{RAC}$: 读访问时间
• $t_{RC}$: 读/写周期
• $t_{CAC}$: 从 $\bar{CAS}$ 的读出时间
• $t_{PC}$: 页模式下的读/写周期

DRAM 的刷新

• 集中式刷新：每一个刷新间隔的固定一段时间逐行刷新整个存储器
• 分散式刷新：必须在刷新周期内全部刷新一遍

刷新操作是对一行所有单元同时进行的

习题

用16K x 8位的DRAM芯片构成64K x 32位存储器，假设DRAM芯片的存储阵列128 x 128，刷新周期2ms。

设存储器读/写周期为0.5μs， CPU在1μs内至少要访问一次。试问采用哪种刷新方式比较合理？ 两次刷新的最大时间间隔是多少？对全部存储单元刷新一遍 所需的实际刷新时间是多少？

若采用集中式刷新，每次刷新用时：$0.5\mu s \times 128 = 64\mu s > 1\mu s$ CPU 访问周期

因此采用分散式刷新， 最大刷新间隔为 $\frac{2ms}{128} = 15.6 \mu s$，取 $0.5 \mu s$ 的整数倍，为 $15.5 \mu s$， 则全部刷新一遍用时 $15.5\times 128 = 1984 \mu s$

对比 SRAM 与 DRAM

DRAM	SRAM
在主存中使用	在 cache 中使用
较慢访问时间（慢10倍）	较快访问时间
高密度	低密度
低成本	高成本（高100倍）
需要刷新（2~100ms）	不需要刷新
读操作是破坏性的，需要写回	读操作不是破坏性的
地址线分时复用	地址线不是分时复用

Cache 存储器

一种高速缓冲存储器，解决 CPU 和主存速度不匹配。 包括管理在内的全部功能由硬件实现，因此从软件角度来看，cache 是透明的。

基本原理

CPU 与 cache 之间的数据交换以字为单位，cache 与主存之间的数据交换以块为单位。 当 CPU 读取内存中的一个字时，将这个字的内存地址发送到 cache，cache 控制逻辑判断次字是否在 cache 中： 若是，则 cache 命中，此字立即传给 CPU，若非，则 cache 缺失，用主存读取周期把这个字从主存读出送到 CPU， 同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到 cache 中。

Cache 的命中率为

$$h = \frac{N_c}{N_c + N_m}$$

• $N_c$: cache 完成存取的总次数
• $N_m$: 主存完成存取的总次数

Cache/主存系统的平均访问时间为

$$t_a = h t_c + (1-h) t_m$$

• $t_c$: 命中时的 cache 访问时间
• $t_m$: 未命中时的主存访问时间

访问效率为

$$e = \frac{t_c}{t_a} = \frac{1}{r + (1-r)h}$$

• $r = \frac{t_m}{t_c}$

主存与 cache 的地址映射

全相联

直接

i = j mod m

• i: cache 行号
• j: 主存块号
• m: cache 中总行数

组相联

Cache 冲突缺失和容量缺失的处理

• 随机替换
• 先进先出
• 最少使用
• 最久未使用

虚拟存储器

段式存储管理

给程序一个比实际内存大得多的编址空间

用段表来指明各段在主存中的位置，各段都有名称、起点、段长等

页式虚拟存储器

把虚拟空间和主存空间都分成大小相同的页，以页为单位进行虚存与主存之间的信息交换。

• 页号
• 页内地址

页号不同，页内地址相同。