三、存储系统

本章导览

共 6 个小节：存储器概述、主存储器、主存储器、外部存储器、高速缓冲存储器、虚拟存储器

本章重点

• 层次结构：寄存器 → Cache → 主存 → 外存，越上越快、越贵、越小
• 主存：SRAM（快、做 Cache）/ DRAM（慢、做主存）/ ROM
• Cache：映射方式（直接 / 全相联 / 组相联）、替换算法、写策略；虚拟存储器扩容量

存储器概述

关键点

• 层次结构权衡速度、容量、成本：越快越贵、容量越小
• 按地址访问，基本单位是「位」
• Cache 缓速度差、虚存缓容量差，共同支撑「又快又大」的假象

主存储器

关键点

• 主存核心：MAR（地址寄存器）、MDR（数据寄存器）、存储体
• SRAM（触发器、快、贵、不需刷新，做 Cache）vs DRAM（电容、慢、便宜、需刷新，做主存）
• ROM 类型：Mask / PROM / EPROM / EEPROM / Flash

主存储器

关键点

• 双端口 RAM、多模块存储器：用并行提高访存带宽
• 主存扩展：位扩展（增数据位宽）、字扩展（增容量）、字位同时扩展
• DRAM 需定期刷新

主存储器的基本组成

SRAM & DRAM

只读存储器 ROM

主存储器与 CPU 的连接

双端口 RAM & 多模块存储器

外部存储器

关键点

• 磁盘（HDD）：机械式，磁道 / 扇区，容量大、慢、便宜
• SSD：闪存、无机械，快、随机性能强，但有擦写寿命
• 接口 SATA / NVMe；磁盘地址 = 柱面（磁道）+ 盘面 + 扇区

磁盘存储器

固态硬盘 SSD

关键点

块大小：16KB~512KB 页大小：512B~4KB

高速缓冲存储器

关键点

• 原理：利用程序局部性（时间 / 空间），把热点数据放 Cache 提速
• 映射方式：直接（快、冲突多）、全相联（灵活、慢）、组相联（折中）
• 替换算法：随机 / FIFO / LRU / LFU；写策略：写回 vs 写直达

Cache 的基本概念和原理

Cache 和主存的映射方式

关键点

全相联映射（随意放） 直接映射（只能放固定位置） 组相联映射（可放到特定分组）

Cache 替换算法

关键点

随机算法（RAND） 先进先出算法（FIFO） 近期最少使用（LRU） 最近不经常使用（LFU）

Cache 写策略

关键点

为何不讨论读命中、读不命中的情况？ 读操作不会导致 Cache 和主存的数据不一致。 写回法 全写法 全写法——带缓存 写分配法 非写分配法

虚拟存储器

关键点

• 虚拟存储器：用主存 + 外存造出大容量内存的假象，只把活跃页调入主存
• 页式存储：逻辑地址 = 页号 + 页内偏移，经页表变换为物理地址
• 访问的页不在主存触发缺页（Page Fault），需从外存调入

页式存储

虚拟存储器