存储系统

存储系统是协同工作的一组不同速度、容量、价格的存储器。

现代计算机不会只使用一种存储器，而是形成层次结构：越靠近 CPU，速度越快、容量越小、单位成本越高；越远离 CPU，速度越慢、容量越大、单位成本越低。

存储器分类

存储器可以按多个维度分类。

分类维度	类型	关键点
按层次	寄存器、Cache、主存、辅存	越靠近 CPU 越快、越小、越贵
按介质	半导体、磁表面、光介质	主存和 Cache 多为半导体；磁盘是磁表面；光盘是光介质
按存取方式	随机存取RAM、顺序存取、直接存取（随机存取找块+顺序存取读数据）、相联存取	RAM 任意单元访问时间相同；磁带是顺序存取；磁盘是直接存取；TLB/快表体现相联访问思想
按可改写性	读写存储器、只读存储器ROM	ROM 名义上只读，但许多 ROM 类器件可擦写
按断电保存性	易失性、非易失性	主存和 Cache 通常易失；磁盘、SSD、ROM 非易失
按读出是否破坏	破坏性读出、非破坏性读出	DRAM 读出后需要重写；SRAM、磁盘、光盘通常非破坏性读出

RAM 和 ROM 不是对称的

RAM 强调“随机存取”，ROM 强调“只读或写入受限”。很多 ROM 类器件也能随机访问，很多 ROM 类器件也能擦写，只是擦写方式、速度和寿命与普通 RAM 不同。

# 层次化结构

金字塔从上到下的规律：

其中真正构成存储系统主线的是两个相邻层次：

层次	构成	数据流动	交换单位	解决问题	透明性
Cache - 主存	Cache + 主存	Cache 未命中时，从主存调入主存块；写策略决定是否写回主存	块	CPU 与主存速度不匹配	对所有程序员和操作系统透明
主存 - 辅存	主存 + 辅存	缺页时从辅存调入页面；内存不足时把页面换出到辅存	页	主存容量不足	对用户程序透明

==上一级保存下一级中近期可能使用的信息副本==，这是层次化结构能够工作的关键。Cache 保存主存块副本；主存保存辅存中近期运行需要的页面或程序数据。

透明性的准确理解

“透明”不是说这层不存在，而是说使用者通常不需要直接读写。Cache 的调入由硬件自动完成；虚拟内存中的页面调入调出由操作系统和硬件配合完成。

# 主存储器的基本组成

CPU 访问主存时，MAR 给出要访问的地址，MDR 暂存本次读写的数据。

MAR位数等于地址总线宽度，MDR宽度等于数据总线宽度。

地址总线、数据总线和控制线分别承担“访问哪里、交换什么、执行读还是写”的任务。

层次结构能成立，是因为程序访问具有局部性。

局部性	含义	典型例子	对存储系统的意义
时间局部性	刚访问过的信息，短时间内可能再次访问	循环变量、循环体指令	访问过的块/页值得暂时留在高速层
空间局部性	访问某个地址后，附近地址可能很快被访问	顺序执行指令、顺序扫描数组	每次不只取一个字节，而是取一整块或一整页

Cache 的“块”、虚拟内存的“页”、磁盘和文件系统中的预读，本质上都在利用空间局部性；Cache 替换算法、页面置换算法、工作集思想则主要利用时间局部性。

存储器性有存取时间、存取周期和带宽。

通常有：

$$
T_m \ge T_a
$$

因为一次读写完成后，存储器可能还需要恢复、重写、刷新或准备下一次访问。DRAM 的恢复时间可能较长，因此存取周期可能明显大于存取时间。

为什么要区分 $T_a$ 和 $T_m$

如果某存储器存取时间为 $r$，存取周期为 $T=4r$，那么一次读出数据可能只需要 $r$，但同一个存储体要等到 $4r$ 后才能再次发起独立访问。多模块存储器、低位交叉编址就是为了在这个等待期间让其他存储体先工作。

主存带宽常可粗略理解为：

$$
B_m = \frac{\text{一次传送的数据宽度}}{\text{传送间隔}}
$$

提高带宽的常见方向包括：增加数据通路宽度、使用多模块并行、利用突发传输、提升总线或存储器工作频率。

一次内存访问要分清两件事：地址转换和数据访问。

典型路径如下：

TLB 和 Cache 的区别

TLB 缓存的是页表项，目标是减少地址转换开销；Cache 缓存的是主存数据块或指令块，目标是减少主存访问开销。TLB 命中不等于数据在 Cache 中，Cache 命中也不负责虚拟地址到物理地址的转换。

# 基本术语

术语	含义
主存 / 内存	CPU 可直接访问的运行时存储空间，通常由 DRAM 构成
辅存 / 外存	长期保存数据的存储设备，如磁盘、SSD、U 盘、光盘等
存储元	存储 1 bit 信息的基本单位
存储单元	带有地址的最小可寻址单位
存储字	一次作为整体读写的一组二进制位
存储字长	一个存储字包含的位数，常与 MDR 位数相关
Cache 块	Cache 与主存之间交换数据的单位
页	虚拟内存中主存与辅存之间调入调出的单位
命中	所需信息已经在高速层中
未命中	所需信息不在高速层，需要访问下一层
缺页	所访问的虚拟页不在主存，需要从辅存调入