计算机存储系统详解：从Cache到虚拟存储

计算机存储系统详解：从Cache到虚拟存储

计算机存储系统是计算机硬件的重要组成部分，它负责数据的存储和管理。从高速缓存到主存，再到外存，每个层次的存储设备都有其独特的特点和作用。本文将带你深入了解计算机存储系统的层次结构、存储器的分类、性能指标，以及主存、外存、cache和虚拟存储系统的具体细节。

存储系统概述

在学习存储系统之前，我们需要了解以下几个基本概念：

1. 存储系统的层次结构：从下到上，速度越来越快，容量越来越小，价格越来越高，越靠近CPU。
2. 存储器的分类：包括按层次结构、存储介质、存取方式、信息的可更改性以及信息的可保存性等多个维度的分类。
3. 存储器的性能指标：主要包括存储容量、单位成本和存储速度等。

有了这些基础知识，我们就可以深入探讨存储系统的各个组成部分。

一、存储器的层次结构

存储系统的层次结构从下到上依次为：缓存（Cache）、主存（内存）和外存。其中，缓存和主存可以直接与CPU进行数据交换，而外存需要先将数据调入内存才能被CPU访问。

二、存储器的分类

存储器可以根据不同的维度进行分类：

1. 按层次结构分类：高速缓存（Cache）、主存（内存）和外存。
2. 按存储介质分类：半导体存储器（如Cache和主存）、磁表面存储器（如磁盘）和光存储器（如光盘）。
3. 按存取方式分类：随机存储器（RAM）、顺序存储器（SAM）、直接存储器（DAM）和相联存储器（CAM）。
4. 按信息的可更改性分类：读写存储器（RM/WM）和只读存储器（ROM）。
5. 按信息的可保存性分类：易失性存储器和非易失性存储器。

三、存储器的性能指标

存储器的性能指标主要包括：

1. 存储容量：由MAR（存储地址寄存器）和MDR（存储数据寄存器）的位数反映。
2. 单位成本：总成本除以总容量。
3. 存储速度：数据传输率等于存储字长除以存储周期。

四、主存

主存是计算机中最重要的存储设备之一，它由存储体、MAR和MDR组成。存储体中的存储元件是半导体元件，而MAR和MDR通常集成在CPU中。

主存的基本组成

主存的基本组成包括存储体、MAR和MDR。其中，存储体中的存储元件是半导体元件，而MAR和MDR通常集成在CPU中。

主存的存储器类型

主存主要使用两种类型的存储器：动态随机存储器（DRAM）和静态随机存储器（SRAM）。

1. 动态随机存储器（DRAM）：

• 使用栅极电容存储信息。
• 每次读出数据都会破坏原数据，因此需要刷新技术进行恢复。
• 刷新周期为2ms，可以采用分散刷新、集中刷新或异步刷新等方式。
• DRAM现在已经过时，现在使用的是同步动态随机存储器（SDRAM）。

2. 静态随机存储器（SRAM）：

• 使用双稳态触发器存储信息。
• 不是破坏性读出，不需要刷新。
• 结构复杂，集成度低，成本高，但运行速度快，发热量小。

主存的扩展技术

为了提高主存的性能，可以采用以下技术：

1. 双端口RAM：允许多个处理器同时读取同一块地址，但不能同时写入。
2. 多模块存储器：包括单体多字存储器和多体并行存储器。
3. 芯片扩展：包括位扩展、字扩展和字位扩展法。

五、外存

外存主要包括磁盘存储器和固态硬盘（SSD）。

磁盘存储器

磁盘存储器以磁盘为存储介质，其组成包括存储区域（盘片）、磁盘驱动器和磁盘控制器。磁盘地址由柱面号、盘面号和扇区号组成。磁盘存储器的优点包括容量大、价格低、记录介质可重复使用等，缺点是存取速度慢、机械结构复杂等。

固态硬盘（SSD）

SSD是一种基于闪存的存储器，由闪存翻译层和闪存芯片组构成。SSD支持随机访问，读写是以页为单位的，但擦除是以块为单位的。为了延长SSD的使用寿命，采用了磨损均衡策略。

六、Cache

Cache（高速缓存）是位于CPU和主存之间的一种高速存储器，主要用于解决CPU和主存之间的速度不匹配问题。Cache的工作原理基于局部性原理，即最近使用的数据很可能在近期还会被使用。

Cache的工作过程

1. 读操作：如果数据在Cache中命中，则直接从Cache中读取；如果未命中，则从主存中读取并将其调入Cache。
2. 写操作：如果数据在Cache中命中，则需要采用Cache的写策略来保证数据一致性；如果未命中，则根据写分配策略决定是否将数据写入Cache。

Cache的映射方式

Cache的映射方式包括直接映射、全相联映射和组相联映射。每种映射方式都有其优缺点，需要根据具体应用场景选择合适的映射方式。

替换算法

当Cache已满时，需要使用替换算法来选择被替换的Cache块。常见的替换算法包括随机算法（RAND）、先进先出算法（FIFO）、近期最少使用算法（LRU）和最近不经常使用算法（LFU）。

Cache的写策略

Cache的写策略包括全写法（直写法）和写回法（回写法）。全写法会增加访存次数，降低Cache效率；写回法则引入了脏位机制，只有在Cache块被替换时才写回主存。

七、虚拟存储系统

虚拟存储系统通过借用外存的大空间，将程序的一部分调入主存运行，解决了主存容量太小的问题。虚拟存储器可以按基本单位分为页式存储器、段式存储器和段页式存储器。

通过本文的学习，相信你已经对计算机存储系统有了全面的了解。存储系统是计算机硬件的重要组成部分，掌握这些知识对于深入理解计算机的工作原理至关重要。