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主要针对希赛出版的架构师考试教程《系统架构设计师教程（第4版）》，作者“希赛教育软考学院”。完成相关的读书笔记以便后期自查，仅供个人学习使用，不得用于任何商业用途。
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- 第五节 存储器系统
- 传统存储系统
- 主存
- 辅存
- Cache
- 局部性原理
- 时间局部性
- 空间局部性
- 存储器存取方式
- 顺序存取
- 直接存取
- 随机存取
- 相联存取
- 主存储器
- 根据工艺和技术区分
- 随机存取存储器
- DRAM（Dynamic RAM，动态RAM）
- SRAM（Static RAM，静态RAM）
- 对比
- 只读存储器
- 存储器编址单位
- 辅助存储器
- 磁带存储器
- 硬盘存储器
- 磁盘访问时间
- Cache 存储器
- Cache基本原理
- Cache 命中率计算
- 映射机制
- 直接映射
- 全相联映射
- 组相联映射
- 替换算法
- 随机算法
- 先进先出（First In and First Out，FIFO）算法
- 近期最少使用（Least Recently Used，LRU）算法
- 写操作
- 写直达（write through）
- 写回（write back）
- 标记法
第五节 存储器系统
在计算机系统中，规模较大的存储器往往分成若干级，成为存储系统。
传统存储系统
一般分为高速缓冲存储器（Ｃache）、主存、辅存三级。
主存
可由ＣＰＵ直接访问，存取速度快，但容量较小，一般用来存放当前正在执行的程序和数据。
辅存
设置在主机外部，容量大，价格较低，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运行的程序和数据，ＣＰＵ不可以直接访问辅存，辅存中的程序和数据需要时才传送到主存，因此它是主存的补充和后援。
Cache
当ＣＰＵ速度很高时，为了使访问储存器的速度能喝ＣＰＵ的速度匹配，又在主存和ＣＰＵ见增设了一级Ｃache。Ｃache的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前最急需处理的程序和数据，以便快速地向ＣＰＵ提供指令和数据。
局部性原理
程序在执行时呈现局部性规律，即在一较短时间内，程序的执行局限于某个部分。相应的，它所访问的存储空间也局限于某个区域。
时间局部性
程序中的某一条指令一旦执行，不及以后该指令可能再次执行。产生时间局部性的典型原因是由于程序中存在着大量的循环操作。
空间局部性
一旦程序访问了某个存储单元，不久以后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定范围内，其典型情况时程序顺序执行。
存储器存取方式
顺序存取
存储器的数据以记录的形式进行组织。对数据的访问必须按特定的现行顺序进行。代表存储设备：磁带存储器。
直接存取
与顺序存取相似，直接存取也使用一个共享的读写装置对所有的数据进行访问。但是，每个数据块都拥有唯一的地址标识，读写装置可以直接移动到目的数据块所在位置进行访问。存取时间也是可变的。代表存储设备：磁盘存储器。
随机存取
存储器的每一个可寻址单元都具有自己唯一的地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，而与先前的访问序列无关。代表存储设备：主存储器。
相联存取
相联存取也是一种随即存取的方式，但是某一单元进行读写是取决于其内容而不是其地址。与普通的随即存取方式一样，每个单元都有自己的读写装置，读写时间也是一个常数。使用相联存取方式，可以对所有的存储单元的特定位进行比较，选择符合条件的单元进行访问。为了提高地址映射的速度，Ｃache采取相联存取的方式。
主存储器
主存用来存放计算机运行期间所需要的程序和程序，ＣＰＵ可直接随即地进行读写。主存具有一定容量，存取速度较高。但由于ＣＰＵ要频繁的访问主存，所以主存的性能在很大程度上影响了整个计算机系统的性能。
根据工艺和技术区分
随机存取存储器
随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），既可以写入也可以读出，但断电后信息无法保存，因此只能用于暂存数据。
DRAM（Dynamic RAM，动态RAM）
DRAM的信息会随着时间逐渐消失，因此需要定时对其进行刷新维持信息不丢失。
SRAM（Static RAM，静态RAM）
SRAM在不断电的情况下信息能够一直保持而不会丢失。
对比
DRAM的密度大于SRAM且更加便宜，但SRAM速度快，电路简单（不需要刷新电路），然而容量小，价格高。
只读存储器
只读存储器（Read Only Memory，ROM）可以看作 RAM 的一种特殊形式，其特点是：存储器的内容只能随机读出而不能写入。这类存储器常用来存放那些不需要改变的信息。由于信息一旦写入存储器就固定不变了，即使断电，写入的内容也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM 一般用于存放系统程序 BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）。
存储器编址单位
内存编址方法在计算机系统中，存储器中每个单元的位数是相同且固定的。
不同的计算机，存储编址的方式不同，主要有字编址和字节编址。
内存一般以字节（8位）为单位，或者以字为单位（字的长度可大可小，例如16位或32位等）。
辅助存储器
辅助存储器用于存放当前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和助剂成批交换数据，是主存储器的后备，因此称之为辅助存储器；它又是助剂的外部设备，有称之为外存储器。辅助存储器的最大特点是存储器容量、可靠性高、价格低。
磁带存储器
磁带应用的场景越来越少，目前主要用于资料归档保存。
硬盘存储器
在硬盘中，信息分布呈一下层次：记录面、圆柱面、磁道和扇区。
硬盘驱动其中有多个磁盘片,每个盘面有两个记录面，每个记录面对应一个磁头，所有记录面号就是磁头号，如图 1-2（a）所示。所有的磁头安装在一个公用的传动设备或支架上，磁头一致地沿盘面径向移动，单个磁头不能单独地移动。在记录面上，一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为 0 号，往内则磁道号逐步增加，如图 1-2（b）所示。在一个盘组中，各记录面上相同编号（位置）的各磁道构成一个柱面，如图 1-2（c）所示。
若每个磁盘片有 m 个磁道，则该硬盘共有 m 个柱面。引入柱面的概念是为了提高硬盘的存储速度。当主机要存入一个较大的文件时，若一条磁道存不完，就需要存放在几条磁道上。这时，应首先将一个文件尽可能地存放在同一柱面中。如果仍存放不完，再存入相邻的柱面内。
通常将一条磁道划分为若干个段，每个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长信息块（例如，512 个字节），如图 1-2（b）所示。一条磁道划分多少扇区，每个扇区可存放多少字节，一般由操作系统决定。磁道上的扇区编号从 1 开始，不像磁头或柱面编号从 0 开始。
在磁盘上进行信息的读写时，首先需要定位到目标磁道，这个过程称之为寻道，寻道所消耗的时间称为寻道时间，定位到目标磁道后，需要定位到目标扇区，此过程通过旋转盘片完成，平均旋转半圈可到目标位置。
磁盘访问时间
磁盘访问时间（存取时间） = 寻道时间+旋转延迟时间
Cache 存储器
Cache 的功能是提高 CPU 数据输入输出的速率，突破所谓的“冯•诺依曼瓶颈”，即 CPU 与存储系统间数据传送带宽限制。高速存储器能以极高的速率进行数据访问，但因其价格高昂，如果计算机的内存完全由这种高速存储器组成，则会大大增加计算机的成本。通常在 CPU 和内存之间设置小容量的 Cache。Cache 容量小但速度快，内存速度较低但容量大，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，仿佛其存储系统容量与内存相当而访问速度近似 Cache。
Cache 通常采用相联存储器（ContentAddressable Memory，CAM）。CAM 是一种基于数据内容进行访问的存储设备。当对其写入数据时，CAM 能够自动选择一个未用的空单元进行存储；当要读出数据时，不是给出其存储单元的地址，而是直接给出该数据或者该数据的一部分内容，CAM 对所有存储单元中的数据同时进行比较，并标记符合条件的所有数据以供读取。由于比较是同时、并行进行的，所以，这种基于数据内容进行读写的机制，其速度比基于地址进行读写的方式要快很多。
Cache基本原理
使用 Cache 改善系统性能的依据是程序的局部性原理。根据程序的局部性原理，最近的、未来要用的指令和数据大多局限于正在用的指令和数据，或是存放在与这些指令和数据位置上邻近的单元中。这样，就可以把目前常用或将要用到的信息预先放在 Cache 中。当 CPU 需要读取数据时，首先在 Cache 中查找是否有所需内容，如果有，则直接从 Cache 中读取；若没有，再从内存中读取该数据，然后同时送往 CPU 和 Cache。如果 CPU 需要访问的内容大多都能在 Cache 中找到（称为访问命中），则可以大大提高系统性能。
Cache 命中率计算
如果以 h 代表对 Cache 的访问命中率（“1-h”称为失效率，或者称为未命中率），t1 表示 cache 的周期时间，t2 表示内存的周期时间，以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为 t3。则：
t3=t1'h+t2'(1−h) t 3 = t 1 ′ h + t 2 ′ ( 1 − h )
系统的平均存储周期与命中率有很密切的关系，命中率的提高即使很小也能导致性能上的较大改善。
映射机制
当 CPU 发出访存请求后，存储器地址先被送到 Cache 控制器以确定所需数据是否已在 Cache 中，若命中则直接对 Cache 进行访问。这个过程称为 Cache 的地址映射（映像）。在 Cache 的地址映射中，主存和 Cache 将均分成容量相同的块（页）
直接映射
直接映像方式以随机存取存储器作为 Cache 存储器，硬件电路较简单。在进行映像时，主存地址被分成三个部分，从高到低依次为：区号、页号以及页内地址。
在直接映像方式中，每个主存页只能复制到某一固定的 Cache 页中，如图 1-4 所示。直接映像方式的映像规律是：主存中每个区的第 0 页，只能进入到 Cache 的第 0 页。即：若当前时刻 Cache 中 0 号页已被占据，而 1-15 号页空闲，现在要将 1 区第 0 页（即内存的 16 页）调入 Cache 是会发生冲突的。所以直接映像的块冲突率非常高。
在 Cache 中，为每一个页设立一个 Cache 标记，该标记用于识别当前的 Cache 块来自于哪个内存页。直接映像中，由于每个区的 N 号页，都必须进入到 Cache 的 N 号页，所以只需要记录区号即可。
直接映像方式的优点是比较容易实现，缺点是不够灵活，有可能使 Cache 的存储空间得不到充分利用。
全相联映射
全相联映像使用相联存储器组成的 Cache 存储器。在全相联映像方式中，主存的每一页可以映像到 Cache 的任一页。如果淘汰 Cache 中某一页的内容，则可调入任一主存页的内容，因而较直接映像方式灵活。
在全相联映像方式中，主存地址分为两个部分，分别为地址部分（主存页标记）和数据部分（页内地址）。数据部分用于存放数据，而地址部分则存放该数据的存储器地址。
在全相联映像方式中，主存地址不能直接提取 Cache 页号，而是需要将主存页标记与 Cache 各页的标记逐个比较，直到找到标记符合的页（访问 Cache 命中），或者全部比较完后仍无符合的标记（访问 Cache 失败）。因此这种映像方式速度很慢，失掉了高速缓存的作用，这是全相联映像方式的最大缺点。如果让主存页标记与各 Cache 标记同时比较，则成本又太高。全相联映像方式因比较器电路难于设计和实现，只适用于小容量 Cache。
组相联映射
组相联映像（页组映像）介于直接映像和全相联映像之间，是这两种映像的一种折衷方案。全相联映像方式以页为单位，可自由映像，没有固定的对应关系。直接映像方式中，主存分组，主存组内的各页与 Cache 的页之间采取的是固定的映像关系，但各组均可映像到 Cache 中。在组相联映像方式中，主存与 Cache 都分组，主存中一个组内的页数与 Cache 的分组数相同。
组相联映像的规则是：主存中的组与 Cache 的组形成直接映像关系，而每个组内的页是全相联映像关系。如主存1区0页，他在 0组中，所以只能进入Cache的0组中，至于进入到Cache的0组0页，还是0组1页，并无强制要求，可任意放置。
在组相联映像中，Cache 中每一页的标记位长度为8位，因为此时除了要记录区号，还得记录组号，即区号7位加组号1位等于8位。
容易看出，如果Cache中每组只有一页，则组相联映像方式就变成了直接映像方式。如果Cache中每组页数为16页（即Cache只分一组），则就是全相联映像。因此，在具体设计组相联映像时，可以根据设计目标选取某一折衷值。
在组相联映像中，由于Cache中每组有若干可供选择的页，因而它在映像定位方面较直接映像方式灵活；每组页数有限，因此付出的代价不是很大，可以根据设计目标选择组内页数。
为保障性能，内存与 Cache 之间的映射往往采用硬件完成，所以Cache 对于程序员而言是透明的，程序员编程时，完全不用考虑 Cache。
替换算法
当Cache产生了一次访问未命中之后，相应的数据应同时读入CPU和Cache。但是当Cache已存满数据后，新数据必须替换（淘汰）Cache中的某些旧数据。
随机算法
这是最简单的替换算法。随机法完全不管 Cache 块过去、现在及将来的使用情况，简单地根据一个随机数，选择一块替换掉。
先进先出（First In and First Out，FIFO）算法
按调入 Cache 的先后决定淘汰的顺序，即在需要更新时，将最先进入 Cache 的块作为被替换的块。这种方法要求为每块做一记录，记下它们进入 Cache 的先后次序。这种方法容易实现，而且系统开销小。其缺点是可能会把一些需要经常使用的程序块（如循环程序）替换掉。
近期最少使用（Least Recently Used，LRU）算法
LRU 算法是把 CPU 近期最少使用的块作为被替换的块。这种替换方法需要随时记录 Cache 中各块的使用情况，以便确定哪个块是近期最少使用的块。LRU 算法相对合理，但实现起来比较复杂，系统开销较大。通常需要对每一块设置一个称为“年龄计数器”的硬件或软件计数器，用以记录其被使用的情况。
写操作
因为需要保证缓存在 Cache 中的数据与内存中的内容一致，相对读操作而言，Cache 的写操作比较复杂。
写直达（write through）
当要写 Cache 时，数据同时写回内存，有时也称为写通。当某一块需要替换时，也不必把这一块写回到主存中去，新调入的块可以立即把这一块覆盖掉。这种方法实现简单，而且能随时保持主存数据的正确性，但可能增加多次不必要的主存写入，会降低存取速度。
写回（write back）
CPU 修改 Cache 的某一块后，相应的数据并不立即写入内存单元，而是当该块从 cache 中被淘汰时，才把数据写回到内存中。在采用这种更新策略的 cache 块表中，一般有一个标志位，当一块中的任何一个单元被修改时，标志位被置“1”。在需要替换掉这一块时，如果标志位为“1”，则必须先把这一块写回到主存中去之后，才能再调入新的块；如果标志位为“0”，则这一块不必写回主存，只要用新调入的块覆盖掉这一块即可。这种方法的优点是操作速度快，缺点是因主存中的字块未随时修改而有可能出错。
标记法
对 Cache 中的每一个数据设置一个有效位。当数据进入 Cache 后，有效位置“1”；而当 CPU 要对该数据进行修改时，数据只需写入内存并同时将该有效位置“0”。当要从 Cache 中读取数据时需要测试其有效位，若为“l”则直接从 Cache 中取数，否则，从内存中取数。