探究計算機存儲器結(jié)構(gòu)體系1

前言

生活中經(jīng)常聽到這句話“一分錢一分貨，哪有那么多又便宜又好用”，在計算機存儲體系中，也是如此，存儲速度越快的，也就越貴，而且是呈指數(shù)的貴。計算機存儲呈如下金字塔排布。

理想情況下，我們肯定希望擁有無限大的內(nèi)存容量，這樣就可以立刻訪問任何一個特定的機器字，但我們不得不認識到有可能需要構(gòu)建分層結(jié)構(gòu)的存儲器，每一層次容量都要大于前一層次，但其訪問速度也要更慢一些。

你是不是經(jīng)常被以下名詞弄得暈頭轉(zhuǎn)向。ROM/RAM/DRAM/SRAM/SDRAM/DDR SDRAM等等，下面，我盡力以上圖為參考，從上到下，說明各個層次存儲器的特點和區(qū)別，并對它們的工作原理做一些簡要的說明

1.寄存器（ Register ）

寄存器是CPU中的一部分。它是一個高速存貯部件，可以用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。每個CPU中有多個寄存器，例如8086CPU中含有14個寄存器。

寄存器是CPU的內(nèi)部組成單元，是CPU運算時取指令和數(shù)據(jù)最快的地方。它可以用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。在CPU的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計數(shù)器（PC）。CPU的算術(shù)邏輯部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。 下圖中藍色小框里面，全是寄存器。

2.高速緩存（Cache）與主存

2.1 引入cache的目的

計算機在運行程序時，首先將程序從磁盤讀取到主存，然后CPU按規(guī)則從主存中取出指令，數(shù)據(jù)并執(zhí)行指令，但是直接從主存（一般是DRAM）中讀寫是很慢的，所以引入了高速緩存（Cache）。

在程序運行前首先會試圖將指令，數(shù)據(jù)從主存中讀取到Cache中，然后在程序執(zhí)行時直接訪問Cache，如果指令和數(shù)據(jù)可以從Cache中讀取到，那么就說是“命中（hit）”，反之就是“不命中（miss）”，miss情況下需要從主存中讀取指令或者數(shù)據(jù)，這樣會直接影響CPU的性能，所以命中率對CPU來說至關(guān)重要。

現(xiàn)代處理器一般有三層cache，分別稱為L1 cache、L2 cache、L3 cache。L1 cache離CPU核最近，存儲信息的 讀取速度接近CPU核的工作速度 ，容量較小，一般分成I-cache和D-cache兩塊，分別存儲指令和數(shù)據(jù)；L2 cache比L1更遠，速度慢一些，但是容量更大，不分I-cache和D-cache；L3更慢、更大，現(xiàn)在流行多核處理器，L3一般由多個處理器核共享，而L1、L2是單核私有的。

實際上cache是一個廣義的概念，可以認為主存是磁盤的cache，而CPU內(nèi)cache又是主存的cache，使用cache的目的就是偽造出一個容量有低層次存儲器（如磁盤）那么大，而速度又有寄存器（如通用寄存器）那么快的存儲器，簡單來說就 要讓存儲單元看起來又大又快 。

2.2 cache的理論基礎(chǔ)

cache之所以能work，主要基于兩個認識，即程序運行時數(shù)據(jù)具有時間局部性和 空間局部性 。

時間局部性是指一個數(shù)據(jù)如果當前被使用到，那么接下去一段時間它很可能被再次用到；空間局部性是指一個數(shù)據(jù)如果當前被使用到，那么接下去一段時間它周圍的數(shù)據(jù)很可能也會被用到，比如數(shù)組。

2.3 Cache的組成方式

cache容量較小，所以 數(shù)據(jù)需要按照一定的規(guī)則從主存映射到cache 。一般把主存和cache分割成一定大小的塊，這個塊在主存中稱為 data block ，在cache中稱為cache line。 舉個例子，塊大小為1024個字節(jié)，那么data block和cache line都是1024個字節(jié)。當把主存和cache分割好之后，我們就可以把data block放到cache line中，而這個“放”的規(guī)則一般有三種，分別是“ 直接映射 ”、“ 組相聯(lián) ”和“ 全相聯(lián) ”。

直接映射

直接映射采用“ 取模 ”的方式進行一對一映射。舉個例子，如果cache中共有8個cache line，那么0、8、16、24…號data block會被映射到0號cache line中，同理1、9、17….號data block會被映射到1號cache line中。

組相聯(lián)：

直接映射中主存中的每一個data block都有一個確定的cache line進行映射，這是有缺陷的。當程序連續(xù)讀取0、8、0、8號data block的數(shù)據(jù)時，因為只有一個cache line供映射，所以當?shù)诙巫x取0號block時，第一次讀到cache中的0號block早被頂替出去了，這時候又會產(chǎn)生miss，miss會極大地影響執(zhí)行效率。

為了解決上面的問題，提出使用“組相聯(lián)”的方式。

根據(jù)上圖我們很容易發(fā)現(xiàn)比起直接映射，組相聯(lián)翻倍了block可以映射的cache line的數(shù)量，圖上數(shù)量為2，我們稱每兩個cache line為一個cache set。

全相聯(lián)

全相聯(lián)是極端的組相聯(lián)，即cache只有一個cache set。每一個data block都可以存進任何一個cache line。下圖是對應(yīng)關(guān)系。

2.4.RAM與ROM

計算機中按存儲類型劃分為 隨機存儲器 （Random Access Memory, RAM）和 只讀存儲器 （Read Only Memory, ROM）

• （1） 隨機存儲器 （Random Access Memory, RAM）

  RAM是一種可讀/寫存儲器，其特點是存儲器的任何一個存儲單元的內(nèi)容都可以隨機存取，而且存取時間域存儲單元的物理位置無關(guān)。

• （2） 只讀存儲器 （Read Only Memory, ROM）

  顧名思義，ROM只能對其存儲的內(nèi)容讀出，不能對其重新寫入。因此，通常用它存放固定不變的程序、常數(shù)、漢字字庫等。存放在ROM設(shè)備中的程序通常稱為固件(firmware)。比如我們計算機的BIOS，就是存放在ROM中的。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可編程只讀存儲器（Programmable ROM, PROM）、可擦除可編程只讀存儲器（Erasable Programmable ROM, EPROM）及用電可擦除可編程只讀存儲器（Electrically Erassable Programmable ROM, EEPROM）。近年來還出現(xiàn)了閃速存儲器（Flash Memory），它基于EEPROM。

高速緩存和主存都是RAM（Random-Access Memory，隨機訪問存儲器），它分為靜態(tài)的（SRAM）和動態(tài)的（DRAM），分別對應(yīng)高速緩存和主存。