层次化存储结构

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层次化的存储结构分为：CPU、Cache(高速缓存)、主存(内存)、外存(辅存)。从左到右，速度越来越慢，容量越来越大。

局部性原理是层次化存储结构的支撑。

局部性原理：一个编写良好的计算机程序常常具有良好的局部性。它们倾向于引用其它最近使用过的指令或访问过的数据。

局部性原理主要分为两类：空间局部性、时间局部性

• 时间局部性：如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行；如果某数据被访问，则不久之后该数据可能再次被访问。
• 空间局部性：是指一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后，其附近的存储单元也可能被访问。
• 工作集理论：工作集是进程运行时被频繁访问的页面集合。

Cache

基本概念和功能

1. Cache的功能：提高CPU数据输入输出的速率，突破冯·诺伊曼瓶颈，即CPU与存储系统间数据传送带宽限制。
2. 在计算机的存储系统体系中，Cache是访问速度最快的层次，仅次于寄存器。
3. 使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。

如果以h代表对Cache的访问命中率，t₁表示Cache的周期时间，t₂表示主存储器周期时间，以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统平均周期为t₃，则： t₃ = h * t₁ + (1-h) * t₂，其中(1-h)又称为失效率(未命中率)。

主存

分类

主存分类分为两种：随机存取储存器、只读存储器

1. 随机存取存储器：（常见的内存就属于）
   1. DRAM-SDRAM(Dynamic RAM，动态RAM)
   2. SRAM(Static RAM，静态RAM)

特点：内存一旦断电，内存中的所有数据都会被清除

2. 只读存储区：（例如BIOS）
   1. MORM(Mask ROM，掩模式ROM)
   2. PROM(Programmable ROM，一次可编程ROM)
   3. EPROM(Erasable PROM，可擦除的ROM)
   4. 闪存存储器(flash memory，闪存)

特点：断电之后数据不会丢失。

编址

所谓主存的编址，其实就是将芯片组合成相应的存储器。

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8 * 4位的存储器：代表有8个地址空间，4代表每一个地址空间存储了4个bit位的信息。 8 *8 位的存储器：代表有8个地址空间，8代表每一个地址空间存储了8个bit位的信息。 16 * 4位的存储器：代表有16个地址空间，4代表每一个地址空间存储了4个bit位的信息。

内存地址从AC000H到C7FFFH，共有_(1)_ K个地址单元，如果该内存按字(16bit)编址，由28块存储器芯片组成。已知构成此内存的芯片每片有16K个存储但预案，则该芯片每个存储单元存储_(2)_位。（k为1024） (1) A:96 B:112 C:132 D:156 (2) A:4 B:8 C:16 D:24

末尾H代表是十六进制数

1. 如何计算地址单元：大地址减去小地址加一 C7FFFH + 1 - AC000H = C8000H - AC000H = 1C000H / 2^10 = 112
2. 每个存储单元存储多少位：一共有112K * 16的空间，拆成28个存储器芯片，每个芯片16K个存储单元，则每个存储单元有$\dfrac{112k * 16}{28 * 16K * ?} = 4$ 位。

磁盘结构与参数

磁盘结构

1. 磁头：读取磁道上的数据

2. 磁道：

   • 磁盘上的一组同心圆
   • 磁盘上的数据都是存放在磁道上的
   • 其宽度与磁头宽度一致
   • 为减少磁道与磁道之间的干扰，需要保持一定间隔

3. 扇区

   • 磁盘传输的数据是以块为单位的，因此磁盘上也是以块的方式进行存放数据，而这些块通常被称为扇区
   • 每个磁道所包括的扇区不等，一般是10～100个扇区，为避免干扰，扇区之间也有间隔空隙

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存取时间 = 寻道时间+等待时间(平均定位时间+转动延迟)

注：寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间；等待时间为等待读写的扇区转到磁头下的所用时间。

例题

磁盘结构

注意：磁盘一旦开始运行，则不回停止，会一直匀速运动。

旋转周期为33ms，一共11个扇区，则读取时间为3ms。

单缓冲区顺序处理完这些记录耗时：(33ms + 3ms) * 10 + 3ms + 3ms = 366ms

前10个扇区处理时间：3ms为处理数据时间 + 33ms为旋转到对应扇区时间

第11个扇区：3ms旋转时间 + 3ms处理时间

存储优化后的时间：33ms * 2 = 66ms (仅需要旋转两圈)