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CSAPP 存储器层次结构

news 2026/3/26 23:06:30

存储器层次结构
- 存储技术
  - RAM
    - DRAM的读写
    - 内存模块
  - ROM
  - 主存的访问
  - 磁盘的存储
    - 磁盘的构造
    - 磁盘的存储
    - 磁盘的读写
    - 逻辑磁盘块

存储器层次结构

存储器系统是一个具有不同容量，成本和访问时间的存储设备的层次系统
整体效果是一个大的储存器池，但却以接近最便宜存储设备的成本，做到了接近顶层存储设备的读写效率
存储器层次由快到慢分别为寄存器，高速缓存存储器，主存储器，慢速磁盘

存储技术

RAM

随机访问存储器(Random Access Memory)可分为DRAM(Dynamic)和SRAM(Static)两类
SRAM 使用六晶体管电路实现，具有双稳态性，只要有电就会保持它的值，在干扰结束时，也会回到稳定状态
RRAM 对干扰十分敏感，易漏电，必须周期性重写或者使用纠错码避免漏电的影响

DRAM的读写

每个DRAM单元存储一位信息，\(w\)个DRAM单元组成一个超单元，再由\(d\)个超单元组成一个DRAM芯片
\(d\)个超单元构成一个\(r \times c\)的二维阵列，每个超单元有由行列构成的二元组地址\((i, j)\)
DRAM芯片通过引脚\(pin\)与外部传递信息，具体来说，DRAM芯片存在一个地址引脚和一个数值引脚，通过两次在地址引脚传入确定要读写的超单元地址，通过数值引脚传递具体数据。将超单元设计为二维，减少了需要的地址引脚个数，代驾是地址需要分两次传入，降低了效率

内存模块

内存模块中封装了多个DRAM芯片，我们以8个8M的DRAM芯片，每个超单元存储1个字节为例
当需要访问一个地址为A的字的时候，内存控制器将A翻译成超单元地址\((i,j)\)并发送到内存模块中，内存模块再将\((i,j)\)广播到每一个DRAM芯片，8个芯片都取出它地址为\((i,j)\)的超单元中存储的字节，再将这八个字节合并起来，传送到内存控制器中
将一个字存储在不同的DRAM芯片内的好处：通过提高并行性提高了访问效率，同时减少整个字丢失的可能，提高了可靠性

ROM

只读存储器(Read Only Memory) 部分的ROM读写都支持，但是所有的ROM都是非易失性的

PROM (Programmable ROM) 可编程ROM只能使用高电流编程一次
EPROM(Erasable PROM) 可擦写可编程ROM 与 EEPROM(Electrically EPROM) 电子可擦除ROM都能使用特殊手段擦除数据重新编程
flash memory 闪存基于EEPROM，如固态硬盘

ROM中的程序被称为固件(firmware)，在通电下运行，如PC的BIOS

主存的访问

数据流通过总线(bus)在处理器和主存之间传送，读事务中数据从主存传送到处理器，写事务中数据从处理器传送到主存
处理器通过系统总线与I/O桥接器连接，主存通过内存总线与I/O桥接器连接，I/O桥接器通过将系统总线和内存总线传入的信号进行翻译
我们以读事务为例

磁盘的存储

磁盘的构造

每个磁盘包含了一个或多个盘片，每个盘片有着两个盘面，盘片绕着中心的主轴，以固定的角速度旋转
每个盘片包含了多个被称为磁道的同心圆，每个磁道上都有着多个用来存储信息的扇区，每个扇区存储的信息量大小相同，扇区间由用来标记格式化位的间隙分开
我们用柱面称呼到主轴间距相等的磁道构成的集合

磁盘的存储

磁盘存储的信息量取决于其面密度，即磁道数与磁道能存储的位数的乘积

为了简化控制，磁道的扇区数需要尽量保持相等
在技术不发达，面密度比较低的时期，每个磁道的扇区数完全相同，这导致外围的扇区间隙相比内围大了很多，造成了不必要的浪费
现代磁盘使用多区记录的技术，在每个记录区中保存了一段连续的柱面，每个记录区中的磁道扇区数相同，记录区间的扇区数不同。通过多区记录，达到了存储空间和控制难度的平衡

为什么标注1TB大小的硬盘电脑显示只有931GB？
标准不一样，硬盘制造商生产时按照1000进制计算和标注，而计算机操作系统按1024进制计算和显示

磁盘的读写

磁盘中的读/写头连接到外围的传动臂上，通过绕着传动臂转动，进行寻道以定位到某个给定的磁道上，当磁道上的某个扇区旋转到读写头正下方时，就可以对其进行读写操作

对一个扇区的访问时间，取决于一下三个部分：
1.寻道时间：传动臂将读写头移动到指定磁道的时间，这个值取决于读写头之前的位置和传动臂移动的速度
2.旋转时间：等待需要操作的扇区旋转到读写头的正下方，这取决于盘片旋转的角速度和此时目标扇区的位置
3.传送时间：这个扇区从头到尾经过读写头需要的时间，这取决于盘片旋转的角速度

计算的一个示例