存储器MEM

1.概述（What）

存储器用来存储指令和数据。因为计算机是人类告诉机器一系列的操作步骤去解决问题，那么这一系列的操作步骤需要保存在某个地方，然后CPU去读操作步骤来执行操作，解决问题。那么存储这些步骤的地方就是存储器。

2.演进（Why）

如何能够经济，速度，规模的存取操作步骤这个问题？那么存储器是个三维的评价体系：速度，容量，每位价格。一般来说速度越高，位价格就越高；容量越大，位价位就越低，而且容量越大，速度必定越低。所以这三者的矛盾，构成了缓存、主存、辅存三级存储系统。

提高效率，一般是两种方法，一种是更换更快的组件，这种是不更改系统架构，而在同一层面的解决方法；第二种是调整架构，重新组合每个部分，达到更高要求。这是从更高层面去解决问题。

3.组成结构（How）

3.1 主存储器

• 当要从存储器读取某一信息字时，首先由CPU将该字的地址送到MAR，经地址总线送至主存，然后发出读命令。主存接到读命令后，将该地址单元的内容读出，送到数据总线上，再存储到MDR中。
• 向主存写入一个信息字时，首先由CPU将该字所在主存单元地址经MAR送到地址总线上，并将信息字送入到MDR，然后向主存发出写命令，主存接到写命令后，将数据总线上的信息写入到指定地址的主存单元中。
  注意：总线通信逻辑可参考总线一章中的同步通信时序。当然实际计算机我不知道是不是这么通信的，但是同步通信方式可以实现这个流程。

3.2 高速缓冲存储器

3.2.1 基本框架

• Why
  （1）CPU速度越来越快，而主存速度提高有限，需要更快的存储设备。
  （2）IO和CPU竞争主存。可将部分信息提前放入CPU，缓解竞争。
• How
  （1）程序运行存在局部性特点，即在某一小段时间内，CPU读取指令和数据会相对的簇聚。
  （2）将内存的字节数组分成小块，每次从内存读取小块放入缓存中，有很大几率CPU下次读取数据时，可以直接从缓存拿到数据。
• What
  

1. Cache存储体，以块为单位与主存交换数据
2. 地址映射变换机构，将主存地址转换为Cache地址
3. 替换机构，将Cache内的块按照一定算法替换

以前CPU直接访问主存，现在储存结构分层了，对CPU透明。首先将内存地址替换为缓存地址，判断缓存是否有请求数据。有就直接返回缓存数据，没有就访问内存。

3.2.2 细节

这里再深入Cache的细节。

• Cache架构的改进
  一是增加Cache的级数，从一级缓存增加到二级、三级缓存。
  二是从统一缓存分立为多个缓存，将指令和数据分开存储。
• 地址映射的多个方案
  （1）直接映射，每个缓存块对应固定位置的主存块，缺点是命中率不高
  （2）全相联映射，每个缓存快对应任意位置的主存块，缺点是逻辑电路复杂成本较高
  （3）组相联映射，将Cache块分组，每组有N块，主存块可以分配到某一组的任意块，成本比较均衡
• 替换策略
  先进先出，LRU，随机

第一个是架构改进，第二第三是优化组件方式。

3.3辅助存储器

3.3.1 磁盘

• What
  磁盘由磁盘驱动器，磁盘控制器和盘片三个部分组成。
• How
  （1）磁盘驱动器主要负责磁头的位置移动，以及磁场与电信号的转换。
  （2）磁盘控制器作用是接收主机发来的命令，将它转换成为磁盘驱动器的控制命令，实现指令与磁头之间的数据转换。