四、计算机体系结构——存储层次结构

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由于“访存墙”越来越明显，现代计算机由原先的以CPU为核心变成了以存储器为核心。综合考虑各类存储器的特征，一般采用存储层次结构来构建计算机的存储结构。

1. 存储器层次结构

1.1 工作过程：

1. CPU运行时，寄存器
2. cache
   缓存是一种小而快的存储器，一般作为DRAM的缓冲，采用SRAM技术实现（靠触发器的通断实现，加电信息会一直保存），通常也会被集成在CPU内部，存储内容包括Tag，Data和状态位。
   Cache通过预测CPU即将要访问的内存地址（一般都是顺序的），预先读取大块内存供CPU访问，来减少后续的内存总线上的读写操作，以提高速度。然而，如果程序中长跳转的次数很多，Cache的命中率就也显著降低。

   cache是由每一个块组成，每个块由单独的字组成。
   
   
   
   

3. 主存
4. 外存
   一般由磁盘、磁带光盘等器件实现。计算机运行时的应用程序，系统软件等先储存在辅助存储器中。这类外存的存取速度慢，成本低，容量大，非易失性。
   

1.2 存储层次结构（塔式结构）

1. 数据只有在第i+1层存在，才会在第i层被访问

• 存储层次结构存在的合理性

主要基于程序访问的局部性特点。在较短时间内，程序所用地址往往集中在存储器的很小范围内

可以调访存速率，但是如果程序的据

平均访问时间（命中率）

• 程序局部性原理

1. 时间局部性
   刚被访问过的存储单元很可能不久又被访问，通常体现在循环执行的指令。
   做法：让最近被访问过的信息保留在靠近CPU的存储器中
   
   
2. 空间局部性
   刚被放翁过的存储单元的邻近丹云很有可能不久被访问，通常体现在顺序执行的指令
   做法：将刚被访问的存储单元的邻近单元调到靠近CPU的存储器
   
   

2. Cache

参考链接：计算机体系结构——存储层次结构——cache工作原理_KGback的博客-CSDN博客_多级cache

3. 主存

4. 外存

为了更快地对外存进行读写，一般会对外存进行分区，外存的分区请参考：

常用的外存种类有：

4.1 闪存

4.2 磁盘

• 磁盘相关术语

• 磁盘的计算

1. 平均等待时间：
   也称平均旋转延迟，指MO磁光盘机的磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。
   平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般在10ms左右。即：
   平均旋转延迟 = 0.5 * 一圈时间 / 转速
   
   
   
2. 平均存储时间：
   访问一个扇区的平均存储时间=平均寻道时间+平均旋转延时+数据传输时间
   数据传输时间 = 转速 / 每个磁道的扇区数
   
   

注意：计算时注意转速的时间单位转换

4.3 固态硬盘

5 冗余廉价磁盘阵列（RAID）

5.1 RAID的概念

RAID 的基本思想是将多个容量较小、相对廉价的磁盘进行有机组合，从而以较低的成本获得与昂贵大容量磁盘相当的容量、性能、可靠性。

5.2 RAID的技术特征

RAID获取高性能、可靠性、容错能力和扩展性主要使用了一下三种技术：数据条带化、磁盘镜像和数据校验技术

磁盘镜像：将数据复制到多个磁盘，一方面可以提高可靠性，另一方面可并发从两个或多个副本读取数据来提高读性能

数据条带化：将数据分块保存在多个不同的磁盘，多个数据分片共同组成一个完整数据副本，主要目的在于尽可能大的发挥计算机的IO性能

数据校验：利用冗余数据进行数据错误检测和修复，冗余数据通常采用海明码（本质上是一种多重就校验）、异或操作等算法来计算获得。

5.3 RAID的类别

根据实际应用需求，通过运用或组合运用这三种技术的策略和架分为RAID0~10