多體存儲器的存取

『壹』 存儲器按其工作原理可分為哪幾種

根據存儲元件的性能及使用方法不同，存儲器有各種不同的分類方法。
1.按存儲介質分類
作為存儲介質的基本要求，必須具備能夠顯春含示兩個有明顯區別的物理狀態的性能，分別用來表示二進制的代碼0和1。另一方面，存儲器的存取速度又取決於這種物理狀態的改變速度。目前使用的存儲介質主要是半導體器件和磁性材料，用半導體器件組成的存儲器稱為半導體存儲器閉悔。用磁性材料做成的存儲器稱為磁表面存儲器，例如磁碟存儲器和磁帶存儲器。
2.按存取方式分類
如果存儲器中任何存儲單元的內容都能被隨機存取，且存取時間和存儲單元的物理位置無關，這種存儲器稱為隨機存儲器。半導體存儲器和磁芯存儲器都是隨機存儲器。如果存儲器只能按某種順序來存取，也就是說存取時間和存儲單元的物理位置無關，這種扒態笑存儲器稱為順序存儲器。例如，磁帶存儲器就是順序存儲器。一般來說，順序存儲器的存取周期較長。磁碟存儲器是半順序存儲器。
3.按存儲器的讀寫功能分類
有些半導體存儲器存儲的內容是固定不變的，即只能讀出而不能寫入，因此這種半導體存儲器稱為只讀存儲器 (ROM)。既能讀出又能寫入的半導體存儲器，稱為隨機存儲器 (RAM)。
4.按信息的可保存性分類
斷電後信息即消失的存儲器，稱為非永久記憶的存儲器。斷電後仍能保存信息的存儲器，稱為永久性記憶的存儲器。磁性材料做成的存儲器是永久性存儲器，半導體讀寫存儲器RAM是非永久性存儲器。
5.按串、並行存取方式分類
目前使用的半導體存儲器大多為並行存取方式，但也有以串列存取方式工作的存儲器，如電耦合器件 (CCD)、串列移位寄存器和鎳延遲線構成的存儲器等。
6.按在計算機系統中的作用分類
根據存儲器在計算機系統中所起的作用，可分為主存儲器、輔助存儲器、緩沖存儲器、控制存儲器等

『貳』 計算機系統採用多級存儲體系，包括哪三方面

常見的三級存儲體系(從CPU往外)是：Cache、主存、外存。 主存儲器用來存放需CPU運行的程序和數據。用半導體RAM構成，常包含少部分ROM。可由CPU直接編程訪問，採取隨機存取方式，即：可按某個隨機地址直接訪問任一單元(不需順序尋找)，存取時間與地址無關。存儲容量較大，常用位元組數表示，有時也用單元數×位數表示。速度較快，以存取周期表示。 Cache位於CPU與主存之間(有些Cache集在CPU晶元之中)，用來存放當前運行的程序和數據，它的內容是主存某些局部區域(頁)的復製品。它用快速的半導體RAM構成，採取隨機存取方式。存儲容量較小而速度最快。 外存儲器用來存放暫不運行但需聯機存放的程序和數據。用磁碟、光碟、磁帶等構成，磁碟用於需頻繁訪問場合，光碟目前多用於提供系統軟體，而磁帶多用於較大系統的備份。CPU不能直接編址訪問外存，而是將它當作外圍設備調用。磁帶採取順序存取方式。磁碟與光碟採取直接存取(半順序)方式，先直接定位到某個局部區域，再在其中順序存取。外存容量可以很大，以位元組數表示。由於外存的存取時間與數據所在位置有關，所以不能用統一的存取周期指標來表示。例如磁碟的速度指標可按其工作過程分成三個階段描述：①平均尋道時間②平均旋轉延遲(等待)時間③數據傳輸率

『叄』 計算機組成原理(三)存儲系統

輔存中的數據要調入主存後才能被CPU訪問

按存儲介質，存儲器可分為磁表面存儲器（磁碟、磁帶)、磁心存儲器半導體存儲器（MOS型存儲器、雙極型存儲器）和光存儲器（光碟)。

隨機存取存儲器（RAM）：讀寫任何一個存儲單元所需時間都相同，與存儲單元所在的物理位置無關，如內存條等

順序存取存儲器（SAM）：讀寫一個存儲單元所需時間取決於存儲單元所在的物理位置，如磁碟等

直接存取存儲器（DAM）：既有隨機存取特性，也有順序存取特性。先直接選取信息所在區域，然後按順序方式存取。如硬碟等

相聯存儲器，即可以按內容訪問的存儲器（CAM）可以按照內容檢索到存儲位置進行讀寫，「快表」就是一種相聯存儲器

讀寫存儲器—即可讀、也可寫（如：磁碟、內存、Cache）
只讀存儲器—只能讀，不能寫（如：實體音樂專輯通常採用CD-ROM，實體電影採用藍光光碟，BIOS通常寫在ROM中）

斷電後，存儲信息消失的存儲器——易失性存儲器（主存、Cache）
斷電後，存儲信息依然保持的存儲器——非易失性存儲器（磁碟、光碟）
信息讀出後，原存儲信息被破壞——破壞性讀出（如DRAM晶元，讀出數據後要進行重寫）
信息讀出後，原存儲信息不被破壞——非破壞性讀出（如SRAM晶元、磁碟、光碟）

存儲器晶元的基本電路如下

封裝後如下圖所示

圖中的每條線都會對應一個金屬引腳，另外還有供電引腳、接地引腳，故可以由此求引腳數目

n位地址對應2 ⁿ 個存儲單元

假如有8k×8位的存儲晶元，即

現代計算機通常按位元組編址，即每個位元組對應一個地址

但也支持按位元組定址、按字定址、按半字定址、按雙字定址

(Dynamic Random Access Memory，DRAM)即動態RAM，使用柵極電容存儲信息
(Static Random Access Memory，SRAM)即靜態RAM，使用雙穩態觸發器存儲信息

DRAM用於主存、SRAM用於Cache，兩者都屬於易失性存儲器

簡單模型下需要有 根選通線，而行列地址下僅需 根選通線

ROM晶元具有非易失性，斷電後數據不會丟失

主板上的BIOS晶元（ROM），存儲了「自舉裝入程序」，負責引導裝入操作系統（開機）。邏輯上，主存由 輔存RAM+ROM組成，且二者常統一編址

位擴展的連接方式是將多個存儲晶元的地址端、片選端和讀寫控制端相應並聯，數據端分別引出。

字擴展是指增加存儲器中字的數量，而位數不變。字擴展將晶元的地址線、數據線、讀寫控制線相應並聯，而由片選信號來區分各晶元的地址范圍。

實際上，存儲器往往需要同時擴充字和位。字位同時擴展是指既增加存儲字的數量，又增加存儲字長。

兩個埠對同一主存操作有以下4種情況：

當出現(3)(4)時，置「忙」信號為0，由判斷邏輯決定暫時關閉一個埠（即被延時），未被關閉的埠正常訪問，被關閉的埠延長一個很短的時間段後再訪問。

多體並行存儲器由多體模塊組成。每個模塊都有相同的容量和存取速度，各模塊都有獨立的讀寫控制電路、地址寄存器和數據寄存器。它們既能並行工作，又能交義工作。多體並行存儲器分為高位交叉編址（順序方式)和低位交叉編址（交叉方式)兩種.

①高位交叉編址

②低位交叉編址

採用「流水線」的方式並行存取（宏觀上並行，微觀上串列）,連續取n個存儲字耗時可縮短為

宏觀上，一個存儲周期內，m體交叉存儲器可以提供的數據量為單個模塊的m倍。存取周期為T，存取時間/匯流排傳輸周期為r，為了使流水線不間斷，應保證模塊數

單體多字系統的特點是存儲器中只有一個存儲體，每個存儲單元存儲m個字，匯流排寬度也為m個字。一次並行讀出m個字，地址必須順序排列並處於同一存儲單元。

缺點：每次只能同時取m個字，不能單獨取其中某個字；指令和數據在主存內必須是連續存放的

為便於Cache 和主存之間交換信息，Cache 和主存都被劃分為相等的塊，Cache 塊又稱Cache 行，每塊由若干位元組組成。塊的長度稱為塊長(Cache 行長)。由於Cache 的容量遠小於主存的容盤，所以Cache中的塊數要遠少於主存中的塊數，它僅保存主存中最活躍的若干塊的副本。因此 Cache 按照某種策略，預測CPU在未來一段時間內欲訪存的數據，將其裝入Cache.

將某些主存塊復制到Cache中，緩和CPU與主存之間的速度矛盾

CPU欲訪問的信息已在Cache中的比率稱為命中率H。先訪問Cache，若Cache未命中再訪問主存，系統的平均訪問時間t 為

同時訪問Cache和主存，若Cache命中則立即停止訪問主存系統的平均訪問時間t 為

空間局部性：在最近的未來要用到的信息(指令和數據)，很可能與現在正在使用的信息在存儲空間上是鄰近的

時間局部性：在最近的未來要用到的信息，很可能是現在正在使用的信息

基於局部性原理，不難想到，可以把CPU目前訪問的地址「周圍」的部分數據放到Cache中

直接映射方式不需要考慮替換演算法，僅全相聯映射和組相聯映射需要考慮

①隨機演算法(RAND):若Cache已滿，則隨機選擇一塊替換。實現簡單，但完全沒考慮局部性原理，命中率低，實際效果很不穩定

②先進先出演算法(FIFO):若Cache已滿，則替換最先被調入Cache的塊。實現簡單，依然沒考慮局部性原理

③近期最少使用演算法(LRU):為每一個Cache塊設置一個「計數器」，用於記錄每個Cache塊已經有多久沒被訪問了。當Cache滿後替換「計數器」最大的.基於「局部性原理」，LRU演算法的實際運行效果優秀，Cache命中率高。

④最不經常使用演算法(LFU):為每一個Cache塊設置一個「計數器」，用於記錄每個Cache塊被訪問過幾次。當Cache滿後替換「計數器」最小的.並沒有很好地遵循局部性原理，因此實際運行效果不如LRU

現代計算機常採用多級Cache，各級Cache之間常採用「全寫法+非寫分配法」；Cache-主存之間常採用「寫回法+寫分配法」

寫回法(write-back)：當CPU對Cache寫命中時，只修改Cache的內容，而不立即寫入主存，只有當此塊被換出時才寫回主存。減少了訪存次數，但存在數據不一致的隱患。

全寫法(寫直通法，write-through)：當CPU對Cache寫命中時，必須把數據同時寫入Cache和主存，一般使用寫緩沖(write buffer)。使用寫緩沖，CPU寫的速度很快，若寫操作不頻繁，則效果很好。若寫操作很頻繁，可能會因為寫緩沖飽和而發生阻塞訪存次數增加，速度變慢，但更能保證數據一致性

寫分配法(write-allocate)：當CPU對Cache寫不命中時，把主存中的塊調入Cache，在Cache中修改。通常搭配寫回法使用。

非寫分配法(not-write-allocate)：當CPU對Cache寫不命中時只寫入主存，不調入Cache。搭配全寫法使用。

頁式存儲系統：一個程序(進程)在邏輯上被分為若干個大小相等的「頁面」， 「頁面」大小與「塊」的大小相同 。每個頁面可以離散地放入不同的主存塊中。CPU執行的機器指令中，使用的是「邏輯地址」，因此需要通「頁表」將邏輯地址轉為物理地址。頁表的作用：記錄了每個邏輯頁面存放在哪個主存塊中

邏輯地址（虛地址）：程序員視角看到的地址
物理地址（實地址）：實際在主存中的地址

快表是一種「相聯存儲器」，可以按內容尋訪，表中存儲的是頁表項的副本；Cache中存儲的是主存塊的副本

地址映射表中每一行都有對應的標記項

主存-輔存：實現虛擬存儲系統，解決了主存容量不夠的問題

Cache-主存：解決了主存與CPU速度不匹配的問題

『肆』 多體交叉存儲器

地址順序存放（一個體存滿後，再存入下一個體），故又有順序存儲之稱。高位地址可表示體號，低位地址為體內地址。

高位地址：又稱片選地址

串列工作：並沒有提高訪問速度，一個一個訪問，讀m個字仍需 m個周期時間

設存儲周期為 T ，匯流排傳送周期為 t ，交叉模數為m。

1、一個4體並行低位交叉存儲器，每個模塊的容量是64K×32位，存取周期為200ns，在以下說法中，（ ）是正確的。
A. 在200ns內，存儲器能向CPU提供256位二進制信息
B. 在200ns內，存儲器能向CPU提供128位二進制信息
C. 在50ns內，每個模塊能向CPU提供32位二進制信息
D. 都不對
解：對CPU來說，它可以在一個存取周期內連續訪問4個模塊，32位×4=128位。本題答案為B

2、採用4體並行低位交叉存儲器，每個模塊的容量是32K×16位，存取周期為400ns，在以下說法中， 是正確的。
A. 在0.1µs內，存儲器能向CPU提供 2 ⁶ 位二進制信息
B. 在0.1µs內，存儲器能向CPU提供 1 ⁶ 位二進制信息
C. 在0.4µs內，存儲器能向CPU提供 2 ⁶ 位二進制信息
D. 都不對
解：400ns=0.4µs，16位×4=64位= 2 ⁶ 位。本題答案為C

3、多體並行方式有兩種，其中高位交叉編址的多體存儲器中，程序 ① 存放，而低位交叉編址的多體存儲器中，程序 ② 。
解：本題答案為：① 按體內地址順序 ② 連續存放在相鄰體中。

採用多體交叉存儲器時，主要由地址的低位部分來選擇各個存儲體。
採用多體交叉存儲器時，當連續訪問的存儲單元位於不同的存儲體時可獲得較高的存取速度。

有M個存儲體的低位交叉編址的多體存儲器是採用模M編址方式

4、為了通過交叉訪問提高存儲系的訪問速率，必須滿足

5、一個4體低位交叉的存儲器，假設存取周期為T，CPU每隔1/4存取周期啟動一個存儲體，試問依次訪問64個字需多少個存取周期？

答：

本題中，只有訪問第一個字需一個存取周期，從第二個字開始，每隔1/4存取周期即可訪問一個字，因此，依次訪問64個字需：

存取周期個數 =(64-1)×(1/4)T+T =（63/4+1）T =15.75+1 =16.75T