【系统架构设计】计算机组成与体系结构（二）

计算机系统组成

存储器系统

前言

存储器用来存放程序和数据的部件，是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。在计算机系统中，规模较大的存储器往往分成若干级，称为存储器系统。

传统存储器系统一般分为 高速缓冲存储器（Cache）、主存、辅存 三级。

• 主存：可由CPU直接访问，存取速度快，但容量小，一般用来存放当前正在执行的程序和数据。
• 辅存：在主机外部，存储容量大，价格较低，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运行的程序和数据，CPU不可以直接访问辅存，辅存中的程序和数据在需要时才传送到主存，因此它是主存的补充和后援；
• Cache：存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前最急需处理的程序和数据，以便快速地向CPU提供指令和数据。

因此，计算机采用多级存储器体系，确保能够获得尽可能高的存取速率，同时保持较低的成本。而多层次存储体系之所以能用低投入换来较高的存取速率，得益于局部性原理。

局部性原理是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个部分。相应地，它所访问的存储空间也仅局限于某个区域。程序局部性包括时间局部性和空间局部性。

• 时间局部性：是指程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行。产生时间局部性的典型原因是由于程序中存在着大量的循环操作；
• 空间局部性：是指一旦程序访问了某个存储单元，不久以后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围内，典型情况就是程序顺序执行。

存储器中数据常用的存取方式有顺序存储、直接存取、随机存取、相联存取四种。

1. 顺序存取：存储器的数据以记录的形式进行组织，对数据的访问必须按照特定的线性顺序进行。存取时间是固定的。磁带存储器采用的就是顺序存取的方式。
2. 直接存取：使用一个共享的读写装置对所有的数据进行访问，与顺序存取相似。但是，每个数据块都拥有唯一的地址标志，读写装置可以直接移动到目的数据块所在位置进行访问。存取时间也是可变的。磁盘存储器采用直接存取的方式。
3. 随机存取：存储器的每一个可寻址单元都有唯一的地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，而与先前的访问序列无关。存取时间是固定的。主存储器采用随机存储的方式。
4. 相联存取：也是一种随机存取的形式，但是选择某一个单元进行读写是取决于内容而不是其地址。与普通的随机存取方式一样，每个单元都有自己的读写装置，读写时间也是一个常数。使用相联存取方式，可以对所有的存储单元的特定位进行比较，选择符合条件的单元进行访问。为提高地址映射的速度，Cache 采用相联存取的方式。

ps: 随机存取和相联存取由于每个单元都有唯一的读写装置，因此存取时间是固定的；顺序存取访问路线是确定的，因此存取时间也是固定的；直接存取由于磁头起始位置不同等因素，存取时间可变。

主存储器

由于CPU 要频繁访问主存，主存的性能在很大程度上影响了整个计算机系统的性能。根据工艺和技术的不同，主存可分为随机存取存储器 和 只读存储器。

1. 随机存取存储器（Random Access Memory,RAM）:既可以写入也可以读出，但断电不保存，因此只能用于暂存数据。RAM 又可分为DRAM (Dynamic RAM,动态RAM)和SRAM（Static RAM,静态RAM）两种：

• DRAM ：信息会随时间逐渐消失，因此需要定时对其进行刷新维持信息不丢失；
• SRAM：在不断电情况下信息能够一直保持而不会丢失。

DRAM 密度大于SRAM，且更加便宜，但SRAM速度快，电路简单（不用刷新电路），然而容量小，价格高。

2. 只读存储器（Read Only Memory,ROM）:可以看作RAM一种特殊的形式，存储器内容只能随机读出而不能写入。常用来存放那些不需要改变的信息。由于信息一旦写入存储器就固定不变了，即使断电，写入的内容也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM一般用于存放系统程序BIOS（Basic Input Output System,基本输入输出系统）。

存储器存储数量（计算）

不同计算机存储器编址方式不同，主要有字编址和字节编址。内存一般以字节（8位）为单位，或者以字为单位（字的长度可大可小，例如16位或32位）。

例如：内存地址从AC000H 到C7FFFH，则共有C7FFFH-AC000H=1BFFFH个地址单元（转换为十进制为 112KB）。如果该内存地址按字（16bit）编址，则共有112KB * 16 位。假设该内存由28片存储器芯片构成，已知构成此内存的芯片每片有16KB 个存储单元，则该芯片每个存储单元存储(112KB * 16) /(28 * 16KB)=4位

辅助存储器（以磁盘为例）

硬盘存储器在硬盘中，信息分布呈以下层次：记录面、圆柱面、磁道、扇区。

一台硬盘驱动器中有多个磁盘片，每个盘片有2个记录面，每个记录面对应一个磁头，所以记录面号就是磁头号，如图1-2（a）。所有的磁头安装在一个公用的传动设备或支架上，磁头一致地沿盘面径向移动，单个磁头不能单独移动。在记录面上，一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为0号，往内侧磁道号逐渐增加，如图1-2（b）。在一个盘组中，各记录面上相同编号（位置）的各磁道构成一个柱面，如图1-2（c）。

若每个磁道片有m个磁道，则该硬盘有m个柱面。引入柱面的概念是为了提高硬盘的存储速度。当主机要存入一个较大的文件时，若一条磁道存不完，就需要存放在几条磁道上。这时应该将一个文件尽可能存到同一个柱面上，如果仍存放不完，再存入相邻的柱面内。

ps: 同一柱面，磁头不用移动。

通常将一条磁道划分若干段，每段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长信息块。具体怎么划分一般由操作系统决定。磁道上扇区编号从1开始。

在磁盘上进行信息读写时，首先需要定位到目标磁道，这个过程称为寻道。寻道消耗时间为寻道时间，定位到目标磁道后，需要定位到目标扇区，此过程通过旋转盘片完成，平均旋转半圈可到目标位置。故磁道访问时间为：
磁盘访问时间（存取时间） = 寻道时间 + 旋转延迟时间。

Cache存储器

流水线