第3章存储系统层次结构 · 计算机组成原理

3.1 存储器层次结构

为解决容量、速度、价格之间的矛盾，现代计算机采用三级存储体系：

层次	位置	速度	容量	位价格	作用
寄存器	CPU 内	最快（ns 级）	极小（百字节）	最贵	存放当前使用的数据
Cache	CPU 与主存间	快（ns 级）	小（KB~MB）	贵	缓存主存中活跃的数据
主存	主板	中（10~100ns）	大（GB）	中	存放运行中的程序
辅存	外存	慢（ms 级）	极大（TB）	便宜	存放待命程序

核心思想：上一层存放下一层中更活跃的数据，基于局部性原理——程序访问具有时间局部性（刚访问的会再访问）和空间局部性（邻近的会被访问）。

3.2 主存储器与编址

主存编址

主存由若干存储单元构成，每个单元有一个唯一地址。编址单位可以是字节（按字节编址）或字（按字编址）。

主存地址 = MAR 中的二进制码。若 MAR 为 n 位，则最大寻址空间为 2ⁿ 个编址单元。

编址计算：设存储器容量为 C 字节，按字节编址，则地址位数 n = ⌈log₂ C⌉。例如 1KB 主存需 10 位地址。

SRAM vs DRAM：SRAM（静态随机存取存储器）用触发器存储，无需刷新，速度快但集成度低，用于 Cache；DRAM（动态随机存取）靠电容存储，需定期刷新，集成度高速度慢，用于主存。刷新方式有集中刷新、分散刷新、异步刷新。

3.2.1 多模块存储器

多模块存储器

为提高存储器带宽，将存储芯片组织为多个模块并行工作。分为单体多字存储器和多体并行存储器两种结构。

单体多字存储器：一个存储体中每个存储单元存放多个字，一次访存可读出多个字，但要求访问的多个字为连续地址（同一存储单元内），灵活性较差。

多体并行存储器：由多个独立存储模块组成，每个模块可独立编址和读写，各模块可并行工作，大幅提升带宽。按编址方式不同分为以下两种：

编址方式	编址规则	特点	适用场景
高位交叉编址（顺序方式）	地址高位选模块号，低位为体内地址例如：模块号 = 地址 / 模块大小	连续地址在同一模块内，方便容量扩展；但各模块无法同时响应连续地址访问	适合容量扩展
低位交叉编址（交错方式）	地址低位选模块号，高位为体内地址例如：模块号 = 地址 mod 模块数	连续地址分布在不同模块中，可实现流水线方式并行存取	适合带宽提升

流水线存取时间

对于 m 个模块的低位交叉存储器，采用流水线方式连续读取 n 个字的总时间：T = (m − 1)τ + nτ，其中 τ 为单个模块的存储周期。第一个字需 mτ，之后每个字只需 τ 即可读出。

高位 vs 低位：高位交叉中，相邻地址在同一模块，模块内地址连续 → 适合当"大容量存储器"用；低位交叉中，相邻地址在不同模块，可通过流水线实现"每个周期出一个字"的高带宽 → 适合当"高速缓存"用。408 常考低位交叉的流水线时间计算。

3.3 Cache 工作原理

Cache

高速缓冲存储器，介于 CPU 与主存之间，用于存放主存中近期将使用的程序和数据，解决 CPU 与主存速度不匹配问题。

Cache 与主存以块（Block）为单位交换数据。主存块调入 Cache 后存放于 Cache 行（也称行/槽 Line/Slot）。Cache 行中有：

有效位：标记该行是否装入了有效数据。
标记 Tag：标识该行对应主存的哪一块。
数据：块的数据副本。

命中率

CPU 欲访问的数据在 Cache 中的比率。设命中次数 N₁，缺失次数 N₂，则命中率 h = N₁ / (N₁+N₂)，平均访问时间 tₐ = h·tₐ_cache + (1−h)·tₐ_main。

3.4 主存与 Cache 的映射方式

主存块如何装入 Cache 行，由映射方式决定，共三种：

映射方式	映射规则	优点	缺点
直接映射	主存块 j → Cache 行 (j mod C)，C 为 Cache 行数	实现简单、速度快	冲突多、命中率低、空间利用率差
全相联映射	主存块可装入任意 Cache 行	命中率高、灵活	比较器复杂、成本高
组相联映射	主存块 j → Cache 组 (j mod Q)，组内任意行	折中前两者	实现复杂度中等

地址结构：

直接映射：主存地址 = Tag + 行号 + 块内地址
全相联映射：主存地址 = Tag + 块内地址（无行号）
组相联映射：主存地址 = Tag + 组号 + 块内地址

3.5 替换算法

Cache 满或对应行被占用时，需选择替换哪一行（全相联与组相联需要）：

RAND 随机算法：随机替换一行，实现简单但命中率不稳定。
FIFO 先进先出：替换最先装入的行，实现简单但可能替换活跃块。
LRU 最近最少使用：替换最久未访问的行，命中率高但需维护使用时间戳。
LFU 最不经常使用：替换访问次数最少的行。

408 重点：LRU 是最常考的替换算法。对 2 路组相联，每行只需 1 位"使用位"即可实现 LRU。

3.6 Cache 写策略

全写法（写直达 Write-Through）：同时写 Cache 和主存，一致性好但速度慢。
写回法（Write-Back）：只写 Cache，被替换时才写回主存，需脏位标记。
写缺失时：写分配法（装入后再写）通常配合写回法；非写分配法（直接写主存）配合全写法。

3.7 外部存储器 [22新增]

外部存储器

位于主机外部，用于长期保存大量数据和程序。主要包括磁盘存储器和固态硬盘（SSD）。外存属于 I/O 设备，CPU 需通过 I/O 接口访问。

磁盘存储器

磁道（Track）：磁盘盘面上的同心圆环，数据存储在磁道上。
扇区（Sector）：每个磁道被划分为若干弧段，是磁盘读写的最小单位（通常 512B）。
柱面（Cylinder）：所有盘面上相同位置的磁道组成柱面。同一柱面上的数据无需移动磁头即可读写。

磁盘地址格式：驱动器号 + 柱面（磁道）号 + 盘面号 + 扇区号。寻址过程：先定位柱面（寻道），再选盘面（磁头），最后定位扇区。

磁盘访问时间

T = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间。寻道时间将磁头移动到目标磁道（ms 级，最慢）；旋转延迟等待目标扇区转到磁头下（平均为旋转半圈时间）；传输时间取决于转速和扇区数。

磁盘性能指标：转速（RPM，如 7200 RPM）、平均存取时间、数据传输率、存储密度（道密度 × 位密度）。

SSD 固态硬盘

SSD（Solid State Drive）基于闪存（Flash Memory）技术，无机械运动部件，具有以下特点：

以页（Page）为读写单位、以块（Block）为擦除单位。
读速度快（μs 级），写前需先擦除（写放大问题）。
无寻道和旋转延迟，随机访问性能远优于磁盘。
磨损均衡（Wear Leveling）：均匀分布写入操作以延长闪存寿命（闪存块有擦写次数上限）。

磁盘 vs SSD 对比

对比项	磁盘（HDD）	固态硬盘（SSD）
随机访问速度	慢（ms 级，受机械运动限制）	快（μs 级，纯电子）
顺序读写速度	中等（100~200 MB/s）	快（500~7000 MB/s）
功耗	较高（需驱动电机）	低
价格（单位容量）	低	较高
抗震性	差（机械结构易损）	好（无机械部件）
寿命	长（无磨损上限）	有限（闪存擦写次数有限，需磨损均衡）
噪音	有（盘片旋转噪音）	无

3.8 虚拟存储器

虚拟存储器

通过将辅存的一部分当作主存使用，使程序员可用比实际主存大得多的地址空间。主存—辅存层次解决了主存容量不足问题。

页式虚拟存储器

虚拟地址空间和主存都划分为固定大小的页（通常 4KB）。虚地址 = 虚页号 + 页内地址；实地址 = 实页号 + 页内地址。通过页表完成虚实转换，页表项含实页号、有效位、访问位、修改位（脏位）等。

TLB（快表）

页表存在主存中，每次访存都要查页表会慢一倍。TLB（Translation Lookaside Buffer）是页表项的 Cache，也称快表。地址转换时先查 TLB，命中则直接得实页号；不命中再查页表（可能引发缺页中断）。

访存过程：虚地址 → 查 TLB → （命中）得实页号 / （缺失）查页表 → 实地址 → 查 Cache → （命中）返回数据 / （缺失）访问主存。

段式与段页式

段式：按程序逻辑结构分段，段长可变，便于共享保护但易产生碎片。
段页式：先分段，段内分页，结合两者优点，现代系统常用。