存储系统¶
概述¶
存储系统
存储系统是计算机系统中用于存储数据和程序的部件,采用层次化结构,从高速小容量到低速大容量。
存储器层次结构¶
graph TB
A[寄存器<br/>速度最快/容量最小] --> B[Cache<br/>L1/L2/L3]
B --> C[主存储器<br/>RAM/ROM]
C --> D[辅助存储器<br/>硬盘/SSD]
D --> E[外部存储器<br/>光盘/磁带]
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style B fill:#E8F5E9
style C fill:#FFF3E0
style D fill:#F3E5F5
style E fill:#FCE4EC主存储器¶
主存储器(内存)
临时存储数据和指令,供CPU直接访问。
RAM(随机存取存储器)¶
RAM类型
可读可写的易失性存储器。
1. SRAM(静态RAM)
- 用触发器存储信息
- 速度快,用作Cache
- 集成度低,成本高
- 不需要刷新
2. DRAM(动态RAM)
DRAM
用电容存储信息,需要定期刷新。
- 用电容存储信息
- 速度较慢,用作主存
- 集成度高,成本低
- 需要定期刷新(2ms)
ROM(只读存储器)¶
ROM类型
只读的非易失性存储器。
- MROM: 掩膜ROM,出厂时写入
- PROM: 可编程ROM,一次性写入
- EPROM: 可擦除可编程ROM,紫外线擦除
- EEPROM: 电可擦除可编程ROM,电擦除
- Flash: 闪存,快速电擦除
高速缓存(Cache)¶
Cache
位于CPU和主存之间,缓解速度不匹配问题。
局部性原理¶
局部性原理
程序执行呈现局部性规律。
- 时间局部性: 最近访问的数据可能再次访问
- 空间局部性: 访问数据的邻近数据可能被访问
Cache映射方式¶
1. 直接映射
直接映射
每个主存块只能映射到Cache的一个特定行。
公式: Cache行号 = 主存块号 mod Cache行数
特点:
- 硬件简单
- 冲突率高
- 灵活性差
2. 全相联映射
全相联映射
主存块可以映射到Cache的任意行。
特点:
- 灵活性高
- 冲突率低
- 硬件复杂
3. 组相联映射
组相联映射
主存块映射到Cache的一个特定组,组内全相联。
特点:
- 折中方案
- 性能较好
- 应用最广
替换算法¶
Cache替换算法
Cache满时,决定替换哪一行。
- RAND: 随机替换
- FIFO: 先进先出
- LRU: 最近最少使用(最常用)
- LFU: 最不经常使用
虚拟存储器¶
虚拟存储器
逻辑上扩充内存容量,允许程序部分装入内存执行。
实现方式¶
1. 请求分页
- 按页为单位调入
- 页面大小固定
- 页表管理
2. 请求分段
- 按段为单位调入
- 段大小可变
- 段表管理
3. 段页式
- 先分段,再分页
- 结合两者优点
页面置换算法¶
| 算法 | 说明 | 特点 |
|---|---|---|
| OPT | 最佳置换 | 理论最优,无法实现 |
| FIFO | 先进先出 | 简单,可能异常 |
| LRU | 最近最少使用 | 性能好,开销大 |
| Clock | 时钟算法 | LRU近似,开销小 |
存储器性能指标¶
主要性能指标
- 存储容量: 存储器能存储的信息总量
- 存取时间: 从启动到完成一次存取的时间
- 存储周期: 连续两次存取的最小时间间隔
- 带宽: 单位时间内传输的数据量