详解计算机组成原理中的层次化存储

第5章大而快：层次化存储

5.1 引言

局部性原理：在任意一段时间内，程序都只会访问地址空间中相对较小的一部分内容，就如你只会查阅图书馆的一部分藏书一样。

时间局部性：某个数据被访问，在不久的将来可能再次被访问，图书馆借阅了某本书，很快需要再次借阅它。

空间局部性：某个数据被访问，与它相邻的数据项可能很快将被访问，借阅图书馆早期计算机书籍，旁边可能是相同主题的书。

存储层次结构：多级存储器结构，随着与处理器距离增加，存储器容量和访问时间都会增加，而成本降低。

速度最快，体积最小，价格最高，SRAM，静态随机存取存储器，只要通电，数据一致保存，用于二级高速缓冲。

中等，中等，中等，DRAM，动态随机存取存储器，除了要一直通电，还要周期性刷新充电一次，常见的电脑内存。

速度最慢，体积最大，价格最低，磁盘。

数据也有相似的层次性，靠近处理器中的数据时较远层次中数据的子集。

相邻两层之间进行信息交换的最小单元称为 块或行(block或line)，上述图书馆类比中，最小信息块就是一本书。

如果处理器所需的数据在本层存储器中找到，称为命中(hit)，没找到称为失效(miss)。

命中率：访问本层存储时，命中的次数占总次数的比例。

失效率：访问本层存储时，失效的次数占总次数的比例。

命中时间：访问本层存储时间包括判断访问命中或失效的时间(即查阅桌上所有书籍的时间)。

失效损失：将数据块从下层存储复制至某层所需的时间，包括数据块的访问时间、传输时间、写入目标层的时间和将数据块返回给请求者的时间(从书架上获得另一本书并将它放在书桌上的时间)。

5.2 存储技术

层次化存储中有四种主要技术：动态随机访问存储DRAM，静态随机访问存储SRAM，闪存(flash memory)，磁盘(magnetic disk)。

5.2.1 SRAM存储技术

一个读写端口
任意位置数据访问时间是固定的
不需要刷新电路
每比特采用6或8个晶体管来实现。
过去大多数个人电脑使用它作为一级，二级，三级高速缓存，如今高速缓存被集成到了处理器芯片上，独立的SRAM市场已经消失。

5.2.2 DRAM存储技术

使用电容来存储数据，采用单个晶体管来访问存储的电荷，进行读写。
比SRAM密度高，单价低，周期性刷新，不可持续也是该结构称为动态的原因。
电荷保持几微秒，使用两级译码电路，一个读周期紧跟一个写周期一次性完成整行刷新。
行结构有助于DRAM的刷新，缓存了行以便重复访问，同一行可以改变地址访问任意位置。
使用时钟消除内存和处理器之间的同步问题。
双倍数据传输率，DDR,最新架构DDR4，DDR4-3200能够在1.6GHz工作频率下，每秒进行32亿次的数据传输。
内部组织对bank进行读写，每个bank对应各自的行缓冲，4个bank结构只需要一次访问就获得4倍带宽，称为交叉地址访问。
集成在小电路板上称为双列直插式内存模块，DIMM包括4-16个DRAM颗粒，每个DRAM被组织成8字节宽度。
DDR4-3200 SDRAM的DIMM每秒传输8*3200MB=25600MB的数据，命名为PC25600。

Bank （内存库）在内存行业里，Bank至少有三种意思，所以一定要注意。

1、在SDRAM内存模组上，"bank 数"表示该内存的物理存储体的数量。（等同于"行"/Row）

2、Bank还表示一个SDRAM设备内部的逻辑存储库的数量。（现在通常是4个bank）.

3、它还表示DIMM 或 SIMM连接插槽或插槽组，例如bank 1 或 bank A。这里的BANK是

内存插槽的计算单位（也叫内存库），它是电脑系统与内存之间数据总线的基本工作单位。只有插满一个BANK，电脑才可以正常开机。举个例子，奔腾系列的主板上，1个168线槽为一个BANK，而2个72线槽才能构成一个BANK，所以72线内存必须成对上。原因是，168线内存的数据宽度是64位，而72线内存是32位的。主板上的BANK编号从BANK0开始，必须插满BANK0才能开机，BANK1以后的插槽留给日后升级扩充内存用，称做内存扩充槽。