1. 主存储器。简称主存储器和内存。存储计算机运行期间所需的程序和数据。CPU可直接随机访问，也可与高速缓冲存储器一起使用（Cache）辅助存储器交换数据。容量小，存取速度快，每个价格高。
2. 辅助存储器。辅助存储，外部存储。存储暂时不使用的程序和数据，以及需要永久保存的信息。辅存的内容需要调入主存才能被调入CPU访问。容量大，访问速度慢，单位成本低
3. 高速缓冲存储器。Cache，位于主存和CPU之间，存储当前CPU经常使用的指令和数据CPU快速访问。现代计算机通常集成在一起CPU中

1. 随机存储器（RAM）：存储器的任何单元都可以随机访问。主存和高速缓存。又分SRAM和DRAM
2. 只读存储器（ROM）：只能随机读出而不能写入，即使断电，也不会丢失信息
3. 串行访问存储器：按物理地址阅读和写作，包括存储器的顺序访问（SAM）（例如磁带）并直接访问存储器（DAM）（例如磁盘、光盘（CD-ROM））

1. 磁盘属于 直接访问存储器（DAM）
2. 根据相关存储器 内容指定与地址指定相结合 寻址的存储器
3. CD-ROM，即光盘不属于只读存储器ROM

1. 易失性存储器：断电后丢失存储信息，如RAM

2. 非易失性存储器：断电后不会失去存储信息，例如ROM、磁表面存储器、光盘

3. 破坏性读出：读取信息时，必须丢失原始信息再生

4. 非破坏性读出:读出信息时原始信息不丢失

1. 存储容量 = 存储字长*字数（例如1M*8位）。存储字数表示存储器的地址空间大小，字长表示一次存取操作的数据量
2. 单位成本
3. 存储速度：数据传输率（主存带宽）=数据宽度/存储周期。存储周期包括存取时间和恢复时间。对于破坏性读出的存储器，存取周期往往比存取时间大的多，可以达到2倍

CPU-寄存器-Cache-主存-磁盘-磁带、光盘。从左向右，速度越来越慢，容量越来越大，价格越来越低。

存储系统层次结构主要体现在Cache-主存层（解决CPU和主存速度不匹配的问题）和主存-辅存层（解决存储系统容量问题）

主要思想：上一层存储器作为低一层存储器的高速缓存。

从CPU角度看，Cache-主存层速度接近Cache，容量和价格却接近主存；从主存-辅存层分析，其速度接近主存，价格和容量却接近辅存。这就解决了速度、容量和成本之间的矛盾

主存和Cache之间的数据调用是硬件自动完成的，对所有程序员都是透明的。主存和辅存的数据调用由硬件和操作系统完成，对于应用程序员是透明的

虚拟存储系统：编程的地址范围与虚拟存储器的地址空间相对应

主存储器由DRAM实现，Cache由SRAM实现，都属于易失性存储器，断电丢失信息。

ROM属于非易失性存储器

逻辑上主存由ROM和RAM组成，且二者常统一编址

存储元：存放一个二进制位的物理器件。是存储器最基本的构建

存储单元：地址码相同的多个存储元组成一个存储单元。若干存储单元的集合构成存储体

动态随机存储器DRAM采用栅极电容电荷来存储信息，属于是破坏性读出

DRAM存取速度慢，一般用作主存

DRAM电容上的电荷一般只能维持1-2ms，即使不断电也会丢失信息，为此必须隔一段时间刷新，通常取2ms。

常见的刷新方式有以下三种

1. 集中刷新：利用一段固定的时间，依次对存储器的所有行进行逐一再生。此时停止对存储器的读写操作，称为死时间，又称访存死区
2. 分散刷新：对每行的刷新分散到各个工作周期中。一个存储器的系统工作周期分为两部分，前一半用来正常读写，后一半用来刷新。分散刷新增加了系统的存取周期，但没有死区
3. 异步刷新：利用最大刷新间隔为2ms的特性。刷新周期除以行数，得到两次刷新操作之间的最大间隔t，每t秒进行一次刷新

DRAM的刷新需要注意：

1. 刷新对于CPU是透明的，不依赖外部访问
2. DRAM刷新以行为单位，芯片内部自己生成行地址
3. 刷新类似读操作，占一个读写周期，但有所不同。刷新不需要选片，即存储器中所有芯片同时被刷新

1. DRAM采用分散刷新时，不存在死区时间

核心在于存储介质的不同

补充DRAM地址线复用技术

1. SDRAM表示同步动态随机存储器，属于DRAM

ROM和RAM都支持随机存取，而RAM易丢失存储信息，ROM一旦有信息，就难以改变，掉电也不会丢失。

1. 结构简单，位密度比RAM的高
2. 具有非易失性，可靠性高

根据制造工艺的不同，ROM可以分为：掩模式只读存储器（MROM）、一次可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程存储器（EPROM）、Flash存储器以及固态硬盘（SSD）

1. 掩模式只读存储器（MROM）：生产时写入，之后无法更改
2. 一次可编程只读存储器（PROM）：允许用户一次写入，之后就无法再修改
3. EPROM：可紫外线擦除（UVEPROM），电擦除（ E 2 E^2 E2PROM）
4. Flash：U盘、SD卡。断电后可保存信息，可多次重写。由于闪存需要先擦除再写入，因此写操作比读操作慢。存储元位密度比RAM高
5. SSD：固态硬盘

主板上的BIOS芯片（ROM）存储“自举装入程序”，负责引导装入操作系统（开机）

考点：

1. 芯片的大小描述，引脚数（注意读写控制线是否集成一条
2. 某一DRAM芯片，采用地址复用技术，容量为1024*8位，除了电源和接地线，该芯片引脚数最少为（读写为2条）：1（片选）+1（行/列选择）+10/2（地址线）+8（数据线）+2（读写控制线）=17
3. （14统考）某容量256MB的存储器由若干4M*8位的DRAM芯片组成，该DRAM芯片的地址引脚数为：22/2=11位（注意DRAM地址复用）、数据引脚数为：8位

1. 存储器中只有一个存储体，每个存储单元存储m个字，总线宽度也为m个字，一次并行读出m个字，地址必须顺序排列处于同一个单元
2. 缺点是：指令和数据在主存内必须顺序存放，遇到转移指令或者操作数不能连续存放，效果就不理想

多体并行存储器由多体模块组成，每个模块都有相同的容量和存取速度，各个模块都有独立的读写控制电路、地址寄存器和数据寄存器。 多体并行存储器分为高位交叉编址和低位交叉编址两种

1. 高位交叉编址：高位地址表示体号，低位地址表示体内地址。这种方式无法提高存储器吞吐率，属于是顺序存储器
2. 低位交叉编址：假设 T T T为存取一个字的存取周期，总线传送周期为 r r r，则交叉模块数量应该大于等于 m = T / r m=T/r m=T/r，才能实现流水。连续存取 m m m个字所需的时间是 t 1 = T + ( m − 1 ) r t_1=T+(m-1)r t1​=T+(m−1)r

1. 主存储器通过数据总线、地址总线、控制总线和CPU连接
2. 数据总线位数与工作频率乘积正比于数据传输率
3. 地址总线位数决定了可寻址的最大内存空间
4. 控制总线（读/写）指出总线周期的类型和本次输入/输出操作完成的时刻

单个芯片内存不会很大，一般通过存储器芯片扩展技术，多个芯片集成在一个内存条上，再由多个内存条及主板上的ROM组成计算机所需内存空间，再通过总线和CPU相连

单个存储芯片容量有限，在字数或字长上与实际要求有区别，因此需要在字和位两方面扩充才能满足需求。

1. 用于增加存储字长。例如8片8K*1位的芯片连接成8K*8位的存储器
2. 地址端、片选端、读写控制端相应并联，数据端分别引出

1. 增加字数，位数不变
2. 地址线、数据线、读写控制线相应并联，片选信号区分各个芯片的地址范围

n n n条线对应 n n n个片选信号，效率不高 地址不连续

n n n条线对应 2 n 2^n 2n个片选信号 地址连续

上述两种方法结合

磁盘存储器的优点：

1. 存储容量大，位价格低
2. 记录介质可以重复使用
3. 记录信息可长久保存，不丢失
4. 非破坏性读出。不需要再生

缺点：存取速度慢，机械结构复杂，对工作环境要求高

1. 磁盘驱动器。核心部件是磁头组件和盘片组件。温彻斯特盘是一种可移动磁头固定盘片的硬盘存储器
2. 磁盘控制器。硬盘存储器和主机的借口，主流的标准有IDE,SCSI,SATA等

一块硬盘含有若干个记录面，每个记录面划分为若干磁道，每条磁道划分为若干扇区。 扇区（块）是磁盘读写的最小单位，磁盘按块存取

1. 磁头数（Heads）：即记录面数，表示硬盘有多少个磁头。磁头用于读取/写入盘片上记录的信息，一个磁头对应一个记录面
2. 柱面数（Cylinders）：表示硬盘每个盘面上有多少条磁道。在一个盘组中，不同记录面的相同编号（位置）的磁道构成一个圆柱面
3. 扇区数（Sectors）：表示每条磁道上有多少个扇区

磁头和磁性记录介质相对运动时，通过电磁转换完成读/写操作

1. 磁盘容量：磁盘能存储的字节总数成为磁盘容量
   1. 非格式化容量：磁记录表面可以利用的磁化单元总数
   2. 格式化容量：按照某种特定记录格式能存储的信息总量。（比前者小
2. 记录密度：盘片单位面积上记录二进制信息量
   1. 道密度：沿半径方向单位长度的磁道数
   2. 位密度：磁道单位长度记录的二进制代码位数
   3. 面密度：位密度和道密度的乘积

需要注意的是磁盘所有磁道记录的信息量一定是相等的，并不是圆越大信息越多。因此内圈的位密度更高

3. 平均存取时间：由三部分构成
   1. 寻道时间：磁头移动到目的磁道的时间（一般取平均值
   2. 旋转延迟时间：磁头定位到要读写扇区的时间（一般取平均值。题目没说就按转半圈的时间算
   3. 传输时间：传输数据所需要花费的时间
4. 数据传输率：单位时间内向主机传输数据的字节数。 假设磁盘转速 r r r转/ s s s，每条磁道容量 N N N字节，那么数据传输率为 D r = r N D_r=rN Dr​=rN

主机需要向磁盘控制器发送寻址信息。 通常磁盘地址组成为：

假设系统有4个驱动器，每个驱动器带动一个磁盘，每个磁盘256个磁道，16个盘面，每个盘面划分为16个扇区，则地址构成如下

硬盘的主要操作是：寻址、读盘、写盘。 每一个操作都对应一个控制字，硬盘工作时，先取控制字，然后执行 硬盘属于机械式部件，读写操作是串行的，同一时刻不可能既读又写，也不可能同时读写多组数据

RAID：独立冗余磁盘阵列，多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问，具有更好的存储性能、可靠性和安全性

• RAID0没有纠错能力
• RAID1容量减少一半
• RAID1～RAID5中，无论何时有磁盘损坏，都可以随时拔出手寸的磁盘，更换好的磁盘，而不会损坏数据

包括时间局部性和空间局部性

• 时间局部性：在最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息，因为程序中存在循环
• 空间局部性：在最近的未来要用到的信息，很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是临近的，因为指令通常顺序存放，顺序执行。数据一般也是以向量、数组等形式簇聚地存储在一起的

高速缓冲技术就是利用局部性原理，将程序中正在使用的部分数据放在一个高速的Cache中，使CPU的访存操作大多数针对CPU进行，从而提高程序的执行速度

Cache位于存储器层次结构的顶层，通常由SRAM构成 为了方便Cache和主存交换数据，Cache和主存通常都被划分为相等的块。Cache块又称Cache行，每行由若干字节构成，块的长度称为块长。 Cache容量远小于主存的容量，因此块的数量也远少于。Cache仅保存主存中最活跃的若干块的副本，需要按照某种策略，预测CPU未来一段时间内欲访存的数据，将其装入Cache

1. CPU发出读请求
2. 若访存地址在Cache中命中，则将该地址转换为Cache地址，直接对Cache进行读操作
3. 若访存地址未在Cache命中，则仍需要访问主存，并把此字所在的块一次性调入Cache。若Cache已满，则需要根据某种替换算法，替换掉某一块。整个过程由硬件实现。
4. CPU和Cache数据交换以字为单位，Cache和主存之间数据交换以Cache块为单位

Cache行的信息是主存中某个块的副本，地址映射是将主存地址空间映射到Cache地址空间，即把存放在主存中的信息按照某种规则装入Cache

C a c h e 行 号 = （ 主 存 块 号 ） m o d （ C a h c e 总 行 数 ） Cache行号=（主存块号）mod（Cahce总行数） Cache行号=（主存块号）mod（Cahce总行数） 主存中的每一块只能装入Cache中的唯一位置，如果这个位置已经存在内容，那么会被无条件地替换出去 直接映射的块冲突概率最高，空间利用率最低 直接映射的地址结构：

1. 标记位进行了优化，末尾几位可以通过Cache块号得到

1. 某32位计算机按字节编址，Cache容量为16KB。Cache行大小为16B。主存和Cache采用直接映射，则0x1234E8F8的单元装入Cache的地址为： 解：Cache块地址空间大小=16KB/1B=16K=2^14，因此低14位地址即为Cache内地址
2. 某存储系统中，主存容量为Cache容量的4096倍，Cache分为64个块，主存地址和Cache地址采用直接映像方式时，地址映射表的大小应该为（不考虑一致性唯一位和替换算法位）：64*13bit 解：64块，4096=2^12，12bit再加上1bit有效位（表示是否装入Cache）
3. 主存容量1MB，Cache容量16KB，每块8个字，每个字32位，采用直接地址映像方式，Cache起始字块为第0块，主存地址35301H存入Cache的第几个字块？（十进制） 解：直接映射的地址结构：Tag、行号、块内地址 每块8个字，每个字32bit=4B，因此每块2^5B，块内地址5位 主存容量2²⁰B，Cache容量2¹⁴B，因此Tag有6位 (0011,01)(01,0011,000)(0,0001) 中间转换为十进制：8+16+128=152

主存中的每一块可以装入Cache中的任何位置，每一行包含标记，指出该行取自主存中的哪一块，所以CPU访存需要和所有Cache行的标记进行比较。

1. 优点：灵活，Cache块的冲突概率低，空间利用率高
2. 缺点：比较速度慢，实现成本高，需要采用昂贵的按内容寻址的相联映射存储器进行地址映射

全相联映射的地址结构：

将Cache块分为大小相等的Q个组，每个主存块可以装入固定组中的任意一行。组间采用直接映射，组内采用全相联映射 C a c h e 组 号 = （ 主 存 块 号 ） m o d （ C a c h e 组 数 Q ） Cache组号=（主存块号）mod（Cache组数 Q） Cache组号=（主存块号）mod（Cache组数Q） 组相联映射的地址结构：

1. 有效容量128KB的Cache，每块16B，8路组相联，字节地址为1234567H的单元调入Cache，其Tag应该为： 解：首先要熟记祖相联映射的地址结构：Tag、组号、块内地址 每块16B=2^4B，因此块内地址4位；组数=128KB/(16B*8)=17-7=10bit；高位剩余部分即为Tag 1234567H=(0001,0010,0011,01)(00,0101,0110),(0111)

采用直接映射时，一个给定的主存块只能放到唯一固定的Cache行中，无需考虑替换算法

常用的替换算法有：随机算法、先进先出算法（FIFO）、近期最少使用算法（LRU）和最不经常使用算法（LFU）。最常考察LRU算法

1. 随机算法：随机确定替换的Cache块。实现简单，但不遵循局部性原理，因此命中率可能比较低
2. 先进先出算法：选择最早调入的行进行替换，实现简单，但不遵循局部性原理，因为早调入的行也可能经常使用
3. 近期最少使用算法（LRU）：选择近期内最久未使用的Cache行作为替换的行。依据程序局部性原理
4. 最不经常使用算法：一段时间内访问次数最少的块被替换出

1. 每一行设置一个计数器，从0开始计数
2. 每访问一次，该行所在计数器+1
3. 替换时，将计数器值最小的一行替换出

Cache中的内容是主存的副本，当对Cache中的内容进行更新时，需要选用写策略使Cache内容和主存内容保持一致

分为两种情况：写命中和写不命中

1. 当CPU对Cache写命中时，将数据同时写入主存和Cache
2. 某一块主存需要替换时，无需将这一块写回主存。用新调入的块直接覆盖即可
3. 优点：实现方式简单，保持主存和Cache数据的一致性；缺点：增加了访存次数

写缓冲：在Cache和主存之间加一个写缓冲队列，FIFO，减少全写法直接写入内存的时间损耗，解决速度不匹配的问题。频繁写时会导致写缓冲饱和溢出

1. CPU对Cache写命中时，只把数据写入Cache，不立即写回内存；当这块被替换时，才写入内存
2. 减少了访存次数，但存在不一致的隐患

每个Cache行设置一个修改位（脏位），修改位为1， 说明内容修改过，替换时需要写回内存；反之未修改，不需要写回内存

1. 假设主存地址位数为32位，按字节编址，主存和Cache之间采用全相联映射，主存块大小为1个字，每个字32位，采用回写法和随机替换策略。则能存放32K字数据的Cache总容量至少有多少位？ 解：全相联映射地址结构：Tag、块内地址 Cache块大小和主存块大小一样，为1个字=32bit=4B，块内地址占2位，因此Tag占30位 回写法需要一位修改位，此外Cache需要一位有效位 数据需要32位 总共32K*(30+1+1+32)bit = 2¹⁵*2⁶bit=2²¹bit=2048K bit

加载主存的块到Cache中，然后更新这个Cache块。 试图利用程序的空间局部性，缺点是每次不命中都要从主存中读取一块

只写入主存，不进行调块

写分配法通常和回写法一起用 非写分配法通常和全写法结合使用

随着新技术的发展（例如指令预取），需要将数据Cache和指令Cache分开设计，产生分离的Cache结构

统一Cache的优点：设计和实现相对简单；缺点：可能引发冲突

主存和辅存共同构成虚拟存储器，二者在硬件和系统软件的共同管理下工作。 对于应用程序员，虚拟存储器是透明的。 虚拟存储器具有主存的速度和辅存的容量

虚拟存储器将主存或辅存的地址空间统一编址，形成庞大的地址空间。

用户编程允许涉及的地址称为虚地址或逻辑地址，虚地址对应的存储空间称为虚拟空间或程序空间 实际的主存单元地址称为实地址或物理地址，实地址对应的是主存地址空间，实地址空间

1. CPU使用虚地址时，由硬件辅助找出虚地址和实地址之间的关系，判断这个虚地址对应的存储单元内容是否已经装入主存。
2. 若已在主存中，则通过地址变换，CPU可以直接访问主存中的对应内容
3. 若不在主存中，则把包含这个字的一页或一段调入主存后，再由CPU访问。若主存已满，则采用替换算法置换主存中的交换块

虚拟页式存储器以页为基本单位。虚拟空间和主存空间被划分为大小相同的页。 主存的页称为实页、页框；虚存的页称为虚页

虚拟地址分为两个字段：虚页号和页内地址。 虚拟地址到物理地址的转换由页表实现。页表存放在主存中，，是虚页号和实页号的对照表，他记录程序的虚页调入主存时被安排在主存中的位置。

页表的地址结构（虚页号

CPU执行指令时，需要先将虚拟地址转换为主存物理地址

1. 页表基址寄存器存放进程的页表首地址，根据虚拟地址高位部分的虚拟页号找到对应的页表项。
2. 若装入位为1，则取出物理页号，和虚拟地址的低地址（页内地址）拼接，形成实际的物理地址
3. 若装入位为0，则需要进行缺页处理

页式虚拟存储器的优点：页面长度固定，页表简单，调入方便 缺点：程序不可能全是页面的整数倍，最后一页的零头无法利用，造成浪费；页不是逻辑独立的实体，处理、保护和共享都不及段式虚拟存储器优秀

地址转换过程中，需要先访问一次主存查询页表（页表存放在主存中），再访问主存才能取得数据，如果缺页，还要进行页面替换等…访问主存的次数增加了

按照程序的局部性原理，可以将经常访问的页对应的页表项放在Cache组成的快表中，可以明显提升效率 相应地，放在主存中的页表称为慢表 地址转换时，先查询快表，命中则无须访问慢表

快表通常采用全相联或组相联方式。