【重学计算机】机组D4章：存储系统
1. 存储系统层次结构
主存速度缓慢的原因：主存增速与CPU不同步，执行指令期间多次访问主存
主存容量不足的原因：
- 存在制约主存容量的技术因素：如由CPU、主板等相关技术指标规定了主存容量
- 应用对主存容量需求不断扩大：window98 -- 8M，windows 8 -- 1G
-----> 存储体系结构化层次： CPU -- Cache1 -- Cache2（解决速度） -- 主存 -- 辅存（解决容量）
存储体系结构化层次理论基础：
- 时间局部性：程序体现为循环结构
- 空间局部性：程序体现为顺序结构
2. 主存中的数据组织
存储字长：主存的一个存储单元所包含的二进制位数，目前大多数计算机主存按字节编址，主要由32为和64位
数据存储与边界的关系：
- 按边界对齐的数据存储，未按边界对齐的数据存储
- 边界对齐与存储地址的关系：（32位为例）
- 双字长边界对齐：起始地址最末三位为000（8字节整数倍）
- 单字长边界对齐：起始地址最末二位为00（4字节整数倍）
- 半字长边界对齐：起始地址最末一位为0（2字节整数倍）
大端与小端存储方式：
- 大端：最高字节地址是数据地址（0123存成0123）
- 小端：最低字节地址是数据地址（0123存成3210）
3. 存储器分类
- SRAM存储器：存取速度快，但集成度低，功耗大，做缓存
- DRAM存储器：存取速度慢，但集成度高，功耗低，做主存
DRAM刷新方式：集中刷新、分散刷新、异步刷新
4. 主存容量的扩展
- 位扩展法：8K * 8位 --> 8K * 32位
- 字扩展法：8K * 8位 --> 32K * 8位
- 字位同时扩展法：8K * 8位 --> 32K * 32位
5. Cache的基本原理
- cache的工作过程
- 数据：cpu与cache交换字，cache与内存交换块
- 读：命中，不命中
- 写：写穿策略，写回策略
- 写策略
- 写穿策略（write through）：同时写缓存和内存，好像穿过缓存一样。若不命中，先写到主存中，并选择性地同时分配到缓存中（写分配/非写分配）
- 写回策略（write back）：写到缓存后不管了，只有当缓存的内容替换回主存时再管，需有脏位。好像隔段时间后再写回到主存中一样
- 地址映射机制
- 相联存储器：地址本身包含着位置啊可比较的信息啊等内容信息，可根据区分地址内容进行寻址
- 主存地址 = 块地址 + 块内偏移地址 = （Tag + Index） + 块内偏移地址
- cache结构
- 好多行，每行与主存块大小相等
- 每行 = tag + data + valid + dirty
- 三种映射方式
- 全相联：cache行号 = random（内存块号）
- 直接相联：cache行号 = 内存块号 % cache行数
- 组相联：两者结合。8行1路组相联就是全相联，8行8路组相联就是直接相联
- 替换算法
- 先进先出法-FIFO
- 最近最不经常使用法-LFU
- 近期最少使用法-LRU
- 随机替换法
6. 虚拟存储器
- 解决问题：主存容量不足。希望向程序员提供更大（比主存大）的编程空间
- 分类：页式，段式，段页式
- 页式实现方式：MMU（Memory Management Unit） + 页表 + TLB（Transaction Lookaside Buffer：地址转换后备缓冲器）
- 页式转换过程：虚拟地址 = 虚拟页号 + 页内偏移 ==> 物理页号 + 页内偏移
7. RAID
- 概念：独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列（Redundant Arrays Independent Disks）
- 核心技术：使用异或运算恢复数据 （x⊕y = z --> x = y⊕z）
- 分类：
- RAID0：条带均匀分布
磁盘0 磁盘1 磁盘2 磁盘3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 - RAID1：以镜像为冗余方式
磁盘0 磁盘1 D0 D0 D1 D1 D2 D2 - RAID3/4：有校验盘
磁盘0 磁盘1 磁盘2 校验磁盘 D0 D1 D2 P0 D3 D4 D5 P1 D6 D7 D8 P2 - RAID5：校验信息分布式
磁盘0 磁盘1 磁盘2 磁盘3 D0 D1 D2 P0 D3 D4 P1 P5 D6 P2 D7 D8 P3 D9 D10 D11 - RAID10/01：10是先镜像再条带化，01是先条带化再镜像
- RAID50：先RAID5，再条带化
- RAID0：条带均匀分布
公众号 - 低并发编程
