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1.4.1 考点精讲
在整个计算机系统中，存储系统的地位非常重要，在本书中，有多个章节涉及存储相关内容。本章主要描述存储系统中与硬件相关的部分，而在操作系统章节将描述存储调度相关内容。
由于在CPU与存储系统间存在着数据传送带宽的限制，因此在其中设置了Cache（高速缓冲存储器，通常速度比内存快），以提高整体效率。但由于其成本更高，因此Cache的容量要比内存小得多。Cache是一种相联存储器（即按内容进行存储的存储器）。
（1）Cache原理、命中率、失效率
使用Cache改善系统性能的主要依据是程序的局部性原理。通俗地说，就是一段时间内，执行的语句常集中于某个局部。而Cache正式将访问集中的内容放在速度更快的Cache上，以提高性能。引入Cache后，CPU在需要数据时，先找Cache，如果没有再找内存。
如果Cache的访问命中率为 h （通常 1− h 就是Cache的失效率），而Cache的访问周期时间是 t 1，主存储器的访问周期时间是 t 2，则整个系统的平均访存时间就应该是：
从公式可以看出，系统的平均访存时间与命中率有着很密切的关系。灵活地应用这个公式，可以计算出所有情况下的平均访存时间。
例如：设某流水线计算机主存的读/写时间为 100ns，有一个指令和数据合一的Cache，已知该Cache的读/写时间为l0ns，取指令的命中率为 98%，取数的命中率为 95%。在执行某类程序时，约有 1/5 指令需要存/取一个操作数。假设指令流水线在任何时候都不阻塞，则设置Cache后，每条指令的平均访存时间约为多少？其实这是应用该公式的简单数学题：
(2% × 100ns + 98% × 10ns)+ 1/5 ×(5% × 100ns + 95% × 10ns)=14.7ns
（2）Cache存储器的映射机制
CPU发生访存请求时，会先让Cache判断是否包括，如果命中（即包括请求的内容）就直接使用。这个判断的过程就是Cache地址映射，这个速度应该尽可能快，常见的映射方法有直接映射、全相联映射和组相联映射 3 种，其原理如图 1-6 所示。
● 直接映射：是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能够复制到Cache的一个特定位置上去。Cache的行号 i 和主存的块号 j 有函数关系： i = j %m（其中 m 为Cache总行数）。例如，某Cache容量为 16KB（可用 14 位表示），每行的大小为 16B（可用4 位表示），则说明其可分为 1024 行（可用 10 位表示）。则主存地址的最低 4 位为Cache的行内地址，中间 10 位为Cache行号。如果内存地址为 1234E8F8H的话，那么最后 4 位就是 1000（对应十六进制数的最后一位），而中间 10 位，则应从E8F（111010001111）中获取，得到 1010001111。
● 相联映射：将主存中一个块的地址与块的内容一起存于Cache的行中。速度更快，但控制复杂。
● 组相联映射：是前两种方式的折中方案。它将Cache中的块再分成组，然后通过直接映射方式决定组号，再通过相联映射的方式决定Cache中的块号。
图 1-6 Cache映射规则图解
要注意的是，在Cache映射中，主存和Cache存储器将均分成容量相同的块。
例如：容量为 64 块的Cache采用组相联方式映像，字块大小为 128 个字，每 4 块为一组。若主存容量为 4096 块，且以字编址，那么主存地址应该为多少位？主存区号为多少位？这样的题目，首先因为主存与Cache块的容量需一致，因此内存也是 128 个字，因此共有128×4096 个字，即 2 19 (2 7 +2 12 )个字，因此主存地址需要 19 位；而内存所需要分为 4096/64块，即 2 6 ，因此主存区号需要 6 位。
（3）Cache淘汰算法
当Cache数据已满，并且出现未命中情况时，就是淘汰一些老的数据，更新一些新的数据。而选择淘汰什么数据的方法就是淘汰算法，常见的方法有 3 种：随机淘汰、先进先出（FIFO）淘汰（淘汰最早调入Cache的数据）、最近最少使用（LRU）淘汰法。其中平均命中率最高的是LRU算法。
（4）Cache存储器的写操作
在使用Cache时，需要保证其数据与主存一致，因此在写Cache时就需要考虑与主存间的同步问题，通常使用以下 3 种方法：写直达（写Cache时，同时写主存）、写回（写Cache时不马上写主存，而是等其淘汰时回写）、标记法。
（1）主存储器的种类
● RAM：随机存储器，可读写，断电后数据无法保存，只能暂存数据。
▶ SRAM：静态随机存储器，在不断电时信息能够一直保持。
▶ DRAM：动态随机存储器，需要定时刷新以维持信息不丢失。
● ROM：只读存储器，出厂前用掩膜技术写入，常用于存放BIOS和微程序控制。
● PROM：可编程ROM，只能够一次写入，需用特殊电子设备写入。
● EPROM：可擦除的PROM，用紫外线照射15～20分钟可擦去所有信息，可写入多次。
● E 2 PROM：电可擦除ERPOM，可以写入，但速度慢。
● 闪速存储器：现在U盘使用的种类，可以快速写入。
记忆时，抓住几个关键的英文字母。A，即Access，说明读写都行；O，即Only，说明只读；P，即Programmable，说明可通过特殊电子设备写入；E，即Erasable，说明可擦写；E平方说明是两个E，第 2 个E是电子。
（2）主存储器的组成
实际的存储器总是由一片或多片存储器配以控制电路构成的（如图 1-7 所示）。其容量为 W × B ， W 是存储单元（word，即字）的数量， B 表示每个word由多少bit（位）组成。如果某一芯片规格为 w × b ，则组成 W × B 的存储器需要用（ W / w ）×（ B / b ）个芯片。
图 1-7 主存储器组成示意图
（3）主存储器的地址编码
主存储器（内存）采用的是随机存取方式，需对每个数据块进行编码，而在主存储器中数据块是以word来标识的，即每个字一个地址，通常采用的是十六进制表示。例如，按字节编址，地址从A4000H到CBFFFH，表示有(CBFFF−A4000)+1 个字节，28000H个，也就是 163840 个字节，等于 160KB。
要注意的是，编址的基础可以是字节，也可以是字（字是由一个或多个字节组成的），要算地址位数，首先应计算要编址的字或字节数，然后求 2 的对数即可得到。