计组笔记 03 存储器层次结构

第3章 存储器层次结构

一、基本概念

• 存储器系统 (Memory System)：计算机存储数据与程序的层次化系统。
• 存储层次结构：为兼顾速度与容量，计算机采用 Cache-主存-辅存 多级存储体系。
• 设计目标：在有限成本下，使 CPU 访问存储器的速度尽量接近 Cache，容量尽量接近磁盘。

1. 存储器分类

1. 按存储介质：半导体存储器、磁存储器、光存储器。
2. 按存取方式：随机存取（RAM）、顺序存取、直接存取。
3. 按可更改性：易失性（断电丢失）、非易失性。
4. 按功能：主存、辅存、高速缓存、控制存储器。

2. RAM 类型

• SRAM：静态随机存储器，触发器结构，速度快，功耗大，容量小，用于 Cache。
• DRAM：动态随机存储器，电容存储，需刷新，速度慢，容量大，用于主存。

3. ROM 类型

• PROM：一次写入。
• EPROM：紫外线擦除后可重新写入。
• EEPROM：电擦除，可反复写入。
• Flash：快速电擦除，常用于 SSD、U盘。

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二、辅存与磁盘存储

1. 磁盘结构

• 盘片（platter）、盘面（surface）、磁道（track）、扇区（sector）、间隙（gap）。

磁盘容量公式：

• 

2. 磁盘性能指标

• 寻道时间 (Seek Time)：磁头移动到目标磁道的时间。
• 旋转延迟 (Rotational Latency)：磁盘旋转到目标扇区的等待时间。
• 传输时间 (Transfer Time)：读写扇区数据的时间。

平均存取时间公式：

• 

3. 固态硬盘 (SSD)

• 基于 Flash，速度快，无机械延迟。
• 类型：Flash SSD（常见）、DRAM SSD（高速）。

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三、局部性原理

• 时间局部性：程序在短时间内重复访问同一数据/指令。
• 空间局部性：访问地址倾向于聚集在相邻区域。
• 意义：是 Cache 与层次化存储的理论基础。

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四、层次化存储结构

• 金字塔模型：CPU寄存器 → Cache (L1/L2/L3, SRAM) → 主存 (DRAM) → 磁盘 → 远程存储。
• Cache：位于 CPU 与主存之间的高速存储，用来存放近期频繁使用的数据。

Cache 映射方式

1. 直接映射 (Direct-mapped)：主存块只能映射到固定 Cache 行。简单，但冲突率高。
2. 全相联 (Fully associative)：主存块可映射到任意 Cache 行，命中率高，但硬件复杂。
3. 组相联 (Set associative)：折中方案，主存块映射到一组 Cache 行。

Cache 替换策略

• LRU (最近最少使用)
• FIFO (先进先出)
• 随机替换

Cache 写策略

• 写直达 (Write-through)：同时写 Cache 和主存，简单但速度慢。
• 回写 (Write-back)：只写 Cache，回写时再更新主存，效率高。

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五、对比

• SRAM vs DRAM
  • SRAM：快、不刷新、贵、容量小（Cache）。
  • DRAM：慢、需刷新、便宜、容量大（主存）。
• 易失性 vs 非易失性存储器
  • 易失性：断电丢失（RAM）。
  • 非易失性：断电保存（ROM、Flash）。
• 直接映射 vs 全相联 vs 组相联
  • 直接：唯一位置，易冲突。
  • 全相联：任意位置，代价高。
  • 组相联：折中方案，常用。

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六、习题与考点

1. 主存采用的存储器是？ → DRAM。
2. Cache采用的存储器是？ → SRAM。
3. EPROM 擦除方式？ → 紫外线。
4. 平均存取时间公式？ → 寻道 + 旋转延迟 + 传输时间。
5. 局部性原理分类？ → 时间局部性 & 空间局部性。
6. Cache 替换策略最常用？ → LRU。

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七、速记

• 存储分类口诀：材质半磁光，存取随顺直。
• SRAM vs DRAM：快小贵 vs 慢大便宜。
• ROM口诀：一次PROM，紫外EPROM，电擦EEPROM，快闪Flash。
• 磁盘性能公式：总=寻道+旋转+传输。
• 局部性口诀：时间重复近，空间邻居近。
• Cache写策略：直达慢稳，回写快险。
• 层次口诀：寄存器快小，Cache次之，主存大慢，磁盘更大。