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  • 计算机存储器结构体系详解

    万次阅读 多人点赞 2018-05-26 17:47:52
    因为价格的限制,我们在存储器中,就得有个恰当的搭配,以达到价格与性能的平衡。在前面那些大神的不断努力之后,弄出了很多种材料,不同的存储器,最后,得到了下面这张图。 在以前还在的学校的时候,我长期被...

    生活中的大部分物品,基本都满足“好的不一定是最贵的,但是最贵的一定是好的”。在计算机存储体系中,基本满足了上面这句话,就是存储速度越快,价格就会越贵。因为价格的限制,我们在存储器中,就得有个恰当的搭配,以达到价格与性能的平衡。在前面那些大神的不断努力之后,弄出了很多种材料,不同的存储器,最后,得到了下面这张图。

     

    在以前还在的学校的时候,我长期被以下这些名词弄得晕头转向,ROM/RAM/DRAM/SRAM/SDRAM/DDR SDRAM等等,下面,我尽力以上图为参考,从上到下,说明各个层次存储器的特点和区别,并对它们的工作原理做一些简要的说明。

    寄存器(Register)

    上面的金字塔告诉我们,寄存器是存储器中最快的存在了。寄存器是CPU的内部组成单元,是CPU运算时取指令和数据最快的地方。它可以用来暂存指令、数据和地址。在CPU的控制部件中,包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。CPU的算术逻辑部件中,包含的寄存器有累加器(ACC)。下图中蓝色小框里面,全是寄存器。

    高速缓存(Cache)与主存

    高速缓存和主存都是RAM(Random-Access Memory,随机访问存储器),它分为静态的(SRAM)和动态的(DRAM),分别对应高速缓存和主存。

    SRAM只要储存器保持通电,里面储存的数据就可以保持不变。我们也把它叫做双稳定态,即使有干扰,当干扰消除的时候,电路就会恢复稳定值。它的每个单元都是由六个晶体管电路来实现。如下图。

    DRAM每个单元是由一个电容和一个访问晶体管组成的,每一位存储就是对一个电容充电。利用电容内部存储电荷的多少来代表这一位是0还是1。但是由于电容有漏电的现象,当有干扰存在时,可能会导致电压被扰乱,从而使数据丢失。所以它需要周期性的充电。由于多种原因导致的漏电,DRAM单元会在10~100毫秒时间内失去电荷。例如由于电容暴露在阳光下会导致电压的改变,利用这一特性,数码相机和摄像机的传感器本质就是DRAM的单元阵列。下表是SRAM和DRAM的对比。

    DRAM存储方式

    DRAM芯片中的单元被分成d个超单元,每个超单元都由w个DRAM单元组成。一个d*w的DRAM总共就是存储dw位的信息了。(在这里我觉得《深入理解计算机原理》的作者翻译有问题,本书很多地方的翻译都让人读的不够顺畅,这里的有三个‘单元’,其实可以完全还另外一种说法,简单的说就是一个块被分成d个组,每个组都是w个DRAM单元。)超单元被组织成r行c列的长方形阵列,这里d=rc。每个超单元都有形如(i,j)的地址,这里i表示行,j表示列。如下图。

    如上图,每个RDAM芯片被连接到某个称为存储寄存器的电路,它的2个addr引脚,携带2位的行和列超单元引脚。当要访问一个超单元时,行地址i称为RAS(Row Access Strobe,行访问选通脉冲)请求。列地址j称为CAS(Column Access Strobe,列访问选通脉冲)请求。两者共享相同的DRAM地址引脚。具体读取过程如下图。

    各种增强的DRAM

    ROM与闪存(flash memory)

    ROM(Read OnlyMemory,只读存储器)有的类型是可以读也可以写,但是由于历史原因,统称为只读存储器。它存放的数据非常稳定,断电后所存的数据也不会改变,它的结构相对较简单,读出方便,因而常用于存储各种固定程序与数据。存放在ROM设备中的程序通常称为固件(firmware)。比如我们计算机的BIOS,就是存放在ROM中的。

    PROM(ProgrammableROM,可编程ROM)只能被编程一次。PROM的每个存储器单元有一种熔丝,它只能用高电流熔断一次。

    EPROM(ErasableProgrammable ROM,可擦写可编程ROM)有一个透明的石英窗口,允许光到达存储单元。紫外线光通过窗口照射进来,EPROM单元就被清楚为0。EEPROM(Electrically Erasable ROM,电子可擦写ROM)类似于EPROM,但是它不需要一个物理上独立的编程设备,因此可以直接在印制电路卡上编程。

     

    磁盘

    磁盘包括硬盘和软盘,这里我们以硬盘为例,硬盘是我们最长接触到的存储器之一,拆开后它就长下面这个样子

    如果把它的结构图花下来,它就是下面这个样子的。它是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等部分组成的。

     

    下面介绍最重要的几个概念,扇区、磁道、柱面、盘面。

    1、盘面

     硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片,高速硬盘也可能用玻璃做基片。硬盘的每一个盘片都有两个盘面(Side),即上、下盘面,一般每个盘面都会利用,都可以存储数据,成为有效盘片,也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号,按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中,盘面号又叫磁头号,因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。硬盘的盘片组在214片不等,通常有23个盘片,故盘面号(磁头号)为03 05

    2、磁道

     磁盘在格式化时被划分成许多同心圆,这些同心圆轨迹叫做磁道(Track)。磁道从外向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有3001 024个磁道,新式大容量硬盘每面的磁道数更多。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中,这些同心圆不是连续记录数据,而是被划分成一段段的圆弧,这些圆弧的角速度一样。由于径向长度不一样,所以,线速度也不一样,外圈的线速度较内圈的线速度大,即同样的转速下,外圈在同样时间段里,划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区,扇区从“1”开始编号,每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。一个标准的3.5寸硬盘盘面通常有几百到几千条磁道。磁道是不见的,只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区,在磁盘格式化时就已规划完毕。

    3、柱面

    所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱,通常称做柱面(Cylinder),每个圆柱上的磁头由上而下从“0”开始编号。数据的读/写按柱面进行,即磁头读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作,依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作,只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移到下一柱面(同心圆的再往里的柱面),因为选取磁头只需通过电子切换即可,而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换相当快,比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多,所以,数据的读/写按柱面进行,而不按盘面进行。也就是说,一个磁道写满数据后,就在同一柱面的下一个盘面来写,一个柱面写满后,才移到下一个扇区开始写数据。读数据也按照这种方式进行,这样就提高了硬盘的读/写效率。
          一块硬盘驱动器的圆柱数(或每个盘面的磁道数)既取决于每条磁道的宽窄(同样,也与磁头的大小有关),也取决于定位机构所决定的磁道间步距的大小。

    4、扇区

     操作系统以扇区(Sector)形式将信息存储在硬盘上,每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信息。一个扇区有两个主要部分:存储数据地点的标识符和存储数据的数据段。

    在最初的时候,将每个磁道都是分为数目相同的扇区的,扇区的数目都是由最靠近里面的磁道的扇区数来决定的。为了保证每个磁道具有固定的扇区数,那么越往外,它的数据密度就会越低,造成磁盘空间的浪费。现代大容量磁盘使用了一种称为多区记录的技术,说白了就是利用柱面,把相邻的几个柱面分成一个区,(盘面上的磁道都是一个个同心圆,我们将这些同心圆分组,相邻的几个同心圆为一组,扩展到柱面,也是这样分。)一个区中的每个柱面中的每条磁道都有相同数量的扇区,这个扇区的数量是由该区中最里面的磁道所包含的扇区数所确定的。

    磁盘操作

    磁盘用读/写头来读写存储在磁性表面的位,而读写头连接到一个传动臂一端。通过沿着半径轴前后移动这个传动臂,驱动器可以将读/写头定位到盘面上的任何磁道上。这样的机械运动称为寻道。

    在传动臂末端的读/写头在磁盘表面高度大约0.1微米处的一层薄薄的气垫上飞翔,速度大约是80km/h。

    磁盘以扇区大小的块来读写数据。对扇区的访问时间有三个主要的部分:寻道时间、旋转时间和转送时间。在访问一个磁盘扇区时,时间主要花在寻道时间和旋转时间,而且寻道时间和旋转时间基本相等。

    闪存(flash)和固态硬盘(SSD)

    闪存(flash memory)是一类非易失性存储器,基于EEPROM,可以对块的存储器单元进行擦写和再编程。任何闪存器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以在大多数情况下,在进行写操作实现必须先执行擦除。闪存的存储单元为三端器件,与场效应管有相同的名称:源极、漏极和栅极。如下图。

    Flash我们分为NOR和NAND,这两者的区别是什么呢?NAND型闪存的擦和写均是基于隧道效应,电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层,对浮置栅极进行充电(写数据)或放电(擦除数据)。而NOR型闪存擦除数据仍是基于隧道效应(电流从浮置栅极到硅基层),但在写入数据时则是采用热电子注入方式(电流从浮置栅极到源极)。NOR的读速度比NAND稍快一些。NAND的写入速度比NOR快很多。由于NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。而 大多数写入操作需要先进行擦除操作。所以NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快得多。

     

    参考资料:

    《深入理解计算机系统》

    https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7408047

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  • 计算机存储器的层次

    2016-11-16 23:40:27
    由于硬件技术的限制,我们可以制造出容量很小但很快的存储器,也可以制造出容量很大但很慢的存储器,但不可能两边的好处都占着,不可能制造出访问速度又快容量又大的存储器。因此,现代计算机都把存储器分成若干级,...

    由于硬件技术的限制,我们可以制造出容量很小但很快的存储器,也可以制造出容量很大但很慢的存储器,但不可能两边的好处都占着,不可能制造出访问速度又快容量又大的存储器。因此,现代计算机都把存储器分成若干级,称为Memory Hierarchy,按照离CPU由近到远的顺序依次是CPU寄存器、Cache、内存、硬盘,越靠近CPU的存储器容量越小但访问速度越快,下图给出了各种存储器的容量和访问速度的典型值。




    存储器类型

    位于哪里

    存储容量

    半导体工艺

    访问时间

    如何访问

    CPU寄存器

    位于CPU执行单元中。

    CPU寄存器通常只有几个到几十个,每个寄存器的容量取决于CPU的字长,所以一共只有几十到几百字节。

    “寄存器”这个名字就是一种数字电路的名字,它由一组触发器(Flip-flop)组成,每个触发器保存一个Bit的数据,可以做存取和移位等操作。计算机掉电时寄存器中保存的数据会丢失。

    寄存器是访问速度最快的存储器,典型的访问时间是几纳秒。

    使用哪个寄存器,如何使用寄存器,这些都是由指令决定的。

    Cache

    和MMU一样位于CPU核中。

    Cache通常分为几级,最典型的是如上图所示的两级Cache,一级Cache更靠近CPU执行单元,二级Cache更靠近物理内存,通常一级Cache有几十到几百KB,二级Cache有几百KB到几MB。

    Cache和内存都是由RAM(RandomAccessMemory)组成的,可以根据地址随机访问,计算机掉电时RAM中保存的数据会丢失。不同的是,Cache通常由SRAM(StaticRAM,静态RAM)组成,而内存通常由DRAM(DynamicRAM,动态RAM)组成。DRAM电路比SRAM简单,存储容量可以做得更大,但DRAM的访问速度比SRAM慢。

    典型的访问时间是几十纳秒。

    Cache缓存最近访问过的内存数据,由于Cache的访问速度是内存的几十倍,所以有效地利用Cache可以大大提高计算机的整体性能。一级Cache是这样工作的:CPU执行单元要访问内存时首先发出VA,Cache利用VA查找相应的数据有没有被缓存,如果Cache中有就不需要访问物理内存了,是读操作就直接将Cache中的数据传给CPU寄存器,是写操作就直接在Cache中改写数据;如果Cache中没有,就去物理内存中取数据,但并不是要哪个字节就取哪个字节,而是把相邻的几十个字节都取上来缓存着,以备下次用到,这称为一个Cache Line,典型的CacheLine大小是32~256字节。如果计算机还配置了二级缓存,则在访问物理内存之前先用PA去二级缓存中查找。一级缓存是用VA寻址的,二级缓存是用PA寻址的,这是它们的区别。Cache所做的工作是由硬件自动完成的,而不是像寄存器一样由指令决定先做什么后做什么。

    内存

    位于CPU外的芯片,与CPU通过地址和数据总线相连。

    典型的存储容量是几百MB到几GB。

    由DRAM组成,详见上面关于Cache的说明。

    典型的访问时间是几百纳秒。

    内存是通过地址来访问的,但是在启用MMU的情况下,程序指令中的地址是VA,而访问内存用的是PA,并无直接关系,这种情况下内存的分配和使用由操作系统通过修改MMU的映射项来协调。

    硬盘

    位于设备总线上,并不直接和CPU相连,CPU通过设备总线的控制器访问硬盘。

    典型的存储容量是几百GB

    硬盘由磁性介质和磁头组成,访问硬盘时存在机械运动,磁头要移动,磁性介质要旋转,机械运动的速度很难提高到电子的速度,所以访问速度很受限制。但是保存在硬盘上的数据掉电后不会丢失。

    典型的访问时间是几毫秒,是寄存器的106倍。

    由驱动程序操作设备总线控制器去访问。由于硬盘的访问速度较慢,操作系统通常在一次从硬盘上读几个页面(典型值是4KB)到内存中缓存起来,如果这些数据后来都被程序访问到了,那么这一次硬盘访问的时间就可以分摊(Amortize)给多次数据访问了。


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  • 某计算机存储器按字节编址,虚拟(逻辑)地址空间大小为16MB,主存(物理)地址空间大小为1MB,页面大小为4KB。系统运行到某一时刻,页表的部分内容和TLB的状态分别参照教材例4-13,表中的页框号及标记字段为十六...

    某计算机存储器按字节编址,虚拟(逻辑)地址空间大小为16MB,主存(物理)地址空间大小为1MB,页面大小为4KB。系统运行到某一时刻,页表的部分内容和TLB的状态分别参照教材例4-13,表中的页框号及标记字段为十六进制。问

    1. 存储系统的虚拟地址共有几位,其中是用哪几位来表示的虚页号?存储系统的物理地址共有几位,哪几位用来表示的页框号(物理页号)?
    2. TLB为何物?一般是由何种器件构成?简述下图TLB与页表的映射关系。
    3. 虚地址024BACH所在的页面是否在主存中?若在,则该虚拟地址对应的物理地址是什么?若不在,说明理由。

     

    1.答:由于虚拟地址空间大小为16MB,且按字节编址,16M=2的24次方,所以虚拟地址长度应为24位。

    由于页面大小为4KB,4K=2的12次方,则页内地址需12位,又有24-12=12,故虚拟号为虚地址的高12位。

    由于主存(物理)地址大小为1MB,按字节编址,1M=2的20次方,所以物理地址有20位。

    而页内地址是12位,所以20-12=8,故主存地址的高8位为页框号。

    2.答:TLB为快表。一般由组号,有效位,标记,页框号组成。TLB可存8个页表项,每组存4个页表项,共分成两组。TLB→页表之间四路组相联。

    3.答:因为虚页号是12位,且每个虚页在页表中对应一行,故页表中应有2 ¹²行,

    按每组2行分组,共分成2 ¹¹组。所以页表分组后,虚页号可以被看成:组号11+组内虚页号1位。

    虚地址是024BACH,则12位虚页号为024H0000 0010 0100),而其高11位是组号,其低1位是组内序号,则分解成:组号0000 0100 010012H+组内序号0

    对组相联映射,页表项的组内序号=TLB的组号,因此虚地址024BACH所在续页所对应的页表项应映射到TLB的第0组中去。

    因此在表中分别对比组号为04TLB行,对比发现它与虚地址024BACH对应的组号012H一致,且有效位为1,页框号为1F,因此可以确定虚地址024BACH所在的虚页面已在主存中。

    虚地址024BACH对应的主存地址为页框号与页内地址直接拼接,即1FBACH

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  • 文章目录存储器简介数据存储介质的分类按照存储方式分类按照信息保存时间分类按照功能或存储体系的分层结构分类衡量性能指标存储容量存取周期可靠性性能价格比 存储器简介 存储器分为两种: 内存储器或主存储器。...

    存储器简介

    存储器分为两种:

    • 内存储器或主存储器。(简写为MM)
    • 外存储器或辅助存储器。(简写为AM)

    一个存储器必须包括:
    1.存储体(单元)。(如下图最右面的格子,一般情况一个格子就是一个存储单元)
    存储一个字的存储单元叫字存储单元,其地址叫字存储地址
    存储一个字节的存储单元叫字节存储单元,其地址叫字节存储地址
    2.指定存储单元的单元地址。(相当于存储单元的编号,一般用16进制,用于寻址)
    3.读/写控制信号。

    • 字通常由多个字节(8位)组成。一个字的位数即为字长。
      现代计算机的字长通常为16位(2个字节)、32位(4个字节)、64位(8个字节)
    • 字节(Byte )是计算机信息技术用于计量存储容量的一种计量单位,作为一个单位来处理的一个二进制数字串,是构成信息的一个小单位。最常用的字节是八位的字节,即它包含八位的二进制数。如果下图一个格子代表一个字节,而我有16位二进制数,那就要占用两个字节存储单元

    在这里插入图片描述

    数据存储介质的分类

    磁存储介质
    指以磁表面存储的各种介质,包括各种接口的硬盘,各种规格的软盘。各种规格的数据磁带。
    电(半导体)存储介质
    指各种半导体芯片存储的各种介质,包括U盘,固态硬盘,各类存储卡等
    光存储介质
    指在基体上涂敷用于记录数据的薄层,并且使用特殊光线读写,包括各种光盘

    按照存储方式分类

    • 随机存储器RAM (Random Access Memory )
      随机存储器是任何单元的信息都能随机存取,存取时间与单元地址无关。内存、高速缓存、磁芯存储器都是RAM
    • 顺序存储器SAM ( Sequential Access Memory )
      存储信息按照存储顺序进行访问,比如磁带
    • 直接存储器DAM ( Direct Access Memory )
      兼有RAM和SAM的特征,比如磁盘
      他在寻找扇区的过程中是随机存取的,在扇区内存取数据时是顺序存取
    • 只读存储器ROM ( Read Only Memory )
      只读存储器正常工作时,存储体中的数据只能读取不能被改写。通常用来存放长期不需要改变的程序和数据,如主板上的ROMBIOS和显卡上的字符发生器。

    按照信息保存时间分类

    • 易失性存储器(Volatile Memory )
      比如内存,他有一个重要特点就是断电丢失
      掉电后保存的信息将丢失的存储器称为易失存储器。其中半导体RAM是易失性存储器,DRAM即使不掉电,信息也只能保持2ms ,所以为了不丢失信息必须对DRAM中的信息进行不断刷新(读/再重写)。

    • 非易失存储器(Nonvolatile Memory )

    掉电后保存的信息不丢失的存储器称为非易失存储器。磁存储器、光盘存储器、半导体ROM存储器都是非易失存储器

    按照功能或存储体系的分层结构分类

    • 通用寄存器
      CPU内部配置的通用寄存器,它的速度和CPU匹配,用于寄存数据和指令,称为寄存器型存储器。

    • Cache(高速缓存)
      高速小容量的存储器,速度接近CPU的速度。Cache是CPU和主存之间的缓冲存储器,它用来存储使用频度最大的且当前执行的指令和处理的数据。目前CPU中大多集成Cache ,并且分L1和L2。

    • 主存储器
      又称内存,用来存放当前正在执行的程序和处理的数据, CPU可以直接访问,且断电后数据不能保存。容量4GB ~ 16GB ,存储周期在几纳秒之间。

    • 辅助存储器

    又称外存,主要是用作保存大量的文件和数据,速度较慢,作为对主存的后备和补充,掉电后数据不会丢失,容量可达几百GB以上。 CPU不能直接访问。

    衡量性能指标

    存储容量

    存储容量是指存储二进制信息的量,通常以字或字节为单位,也有以b为单位的
    存储容量=2n,n为地址线的位数
    地址线是用来传输地址信息用的。举个简单的例子:cpu在内存或硬盘里面寻找一个数据时,先通过地址线找到地址,然后再通过数据线将数据取出来。 如果有32根.就可以访问2的32次方的字节,也就是4GB。

    存取周期

    存储器存/取时间(写/读时间) : 是指读/写命令有效到读/写完成所经历的时间,用MAT ( Memory Access Time )表示,现在大约在纳秒级。

    可靠性

    存储器的可靠性通常用平均无故障时间MTBF ( Mean Time BetweenFailures )来衡量

    性能价格比

    性能价格比也是衡量存储器的一一个重要指标,对不同的存储器,性能的定义不同,如采用容量或采用速度作为性能指标。

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空空如也

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如何计算存储器的大小