文章

计算机的内外存及其层次结构

简单介绍内外存的差异、内存的访问、外存即二级存储的基本结构、存储器的层次结构等

发表于 更新于
作者 WhythZ
18 分钟阅读
计算机的内外存及其层次结构

一、内外存特性

1.1 内外存区别

  • Internal Memory：可以被处理器直接读取，如主存、Cache、CPU寄存器
  • External Memory：处理器需要通过I/O设备对其进行访问

1.2 物理类型

  • 半导体（Semiconductor）：如属于内存的DRAM、SRAM、ROM
  • 磁性材料（Magnetic Surface）：如机械硬盘、磁带
  • 光学材料（Optical）：如CD、DVD等

1.3 容量的衡量

  • 对于主存，其容量（Capacity）通常用以下单位衡量，例如一个内存的容量是4K×8，那么字的大小就是8，字数就是4K
    • 字的大小（Word Size，类似字长Word Length）：组织存储单位的比特数
    • 字数（Number of Words）：内存中可访问的字的数量

1.4 数据传输单位

  • 传输单位（Unit of Transfer）指的是单次从内存或外存中读写的比特数
    • 内存：与数据传输总线（不属于内存模块）的条数有关，通常条数等于字长（有时不是）
    • 外存：数据通常以远大于一个字的单位进行传输

1.5 访问方法

  • 顺序访问方法（Sequential Access），磁带使用此方法（必须听完开头的歌才能听到后面的歌）
    • 每次访问都需要从开头开始向后遍历，直到抵达预期的内存地址
    • 其访问所耗费的时间与目标内存的地址位置有关，且相互间的差别很大

顺序访问方法.png

  • 随机访问方法（Random Access），半导体RAM内存使用此方法（其名字就来源于此）
    • 任意一块内存可以被直接被寻址访问
    • 其访问所耗费的时间是常量，与被访问对象的位置无关

随机访问方法.png

  • 直接访问方法（Direct Access），机械磁盘（不包括固态硬盘）使用此方法
    • 可直接访问目标内存地址附近区块，继而通过顺序访问等方法在区块内搜索目标对象
    • 其访问所耗费的时间是可变的

直接访问方法.png

1.6 性能表现

  • 存取时间（Memory Access Time）
    • 指从传递已知地址给内存，到读取到（或成功写入）数据之间间隔的时间
  • 存取周期（Memory Cycle Time）
    • 存取周期的概念独属于RAM，指连续两次内存访问操作之间所间隔的时间
    • 单次内存访问需额外时间来恢复以进行下一次访问操作，故存取周期>存取时间
  • 数据传输速率（Transfer Rate）
    • 指单位时间内由数据通路传输（读写）的数据量

1.7 物理特性

  • 半导体材料既可能是易失性的（RAM）也可能是非易失性的（ROM）
    • 易失性（Volatile）指的是存储的数据在断电后就会丢失，如RAM
    • 非易失性（Nonvolatile）指的是不需要用通电维持，如ROM和磁盘
  • 是否可以擦写存储内容
    • 可擦写（Erasable）：存储的内容可被改写
    • 不可擦写（Nonerasable）：存储的内容除非被恶意毁灭，否则不可改写

二、内存概述

内存主要由主存与Cache组成（也就是说主存不等于内存），而Cache随着发展被放入了CPU中，所以下面我没有太注意区分主存和内存两个词，心里有个印象就好

2.1 主存的组织结构

  • 主存（Main Memory）内含有数百万个有序排列的存储单元，每个存储单元都能储存一位也即一比特（bit）的数据（0/1）
  • 一个字（Word）由一组固定数量的比特组成，字使得我们可以通过单个指令存储或读取一组固定大小的字节
  • 一个字含有的比特数称为字长（Word Length），字长通常为16~64bits
  • 内存可以表示为一连串的字的集合，如下图所示

内存由字组成/png

2.2 地址与地址空间

  • 地址（Address）是一个标记区分（内存中的）不同字的数字
    • 一个地址可以由$[0,2^k-1]$区间内的一个整数表示；因为一个字中的比特是连续（Successive）且有序排列的，并且由于每个比特有$2$个可取的数（0/1），所以$k$个比特就有$2^k$种不同的排列，也即一个$k$比特的字就有上述这么多种取值
    • 例如一个24-bit的地址，就有$2^{24}$的地址空间（Adress Space），也即有16M种字的取值，注意此处的M表示数量，而不同于MB是存储容量的单位，即M个字节（Byte）；32-bit地址的地址空间则为$2^{32}$或4G

2.3 大端与小端序

参考此博客

2.3.1 高位字节、低位字节

  • 感觉和之前浮点数的MSB和LSB的排序类似，不知其中是否有无联系
  • 十六进制（0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F）的每一个数都需要用一个四位二进制数表示（0000, 0001, …, 1110, 1111），所以一个C语言的int类型整数占用32-bits，也就是4字节，如下所示

高低位字节.png

2.3.2 高位地址、低位地址

高低位地址.png

2.3.3 大端与小端

  • 每次分配地址时，逐比特分配是不切实际的，所以每次为地址分配内存时，会分配由一组连续的字节（Byte）组成的内存（Byte-Addressable Memory）
  • 大端序（Big-endian）：高字节放在低地址，低字节放在高地址（从左往右，符合人的思维）
  • 小端序（Little-endian）：低字节存放在低地址，高字节存放在高地址（大端序的逆序）

BigLittleEndianAssignment.png

  • 将同一串数据放入内存中，两种编址的内存会以不同的顺序存储这串数据

大小端.png

2.4 处理器如何访问内存

  • 处理器通过地址访问（读写）内存中的数据

内存与处理器的链接.png

更详细的内存与处理器的链接.png

  • 关于读（Read / Load）操作：
    • 处理器将需要读取的内存地址传递给MAR寄存器，然后通过传输管线将地址传递给内存（RW Line设置为1）
    • 内存通过该地址读取数据并将其放入传输管线，数据会与MFC信号一同传递回给处理器
    • 处理器接收了MFC信号后就会从传输管线中读取数据到MDR寄存器中
  • 关于写（Write / Store）操作：
    • 处理器将地址传给MAR，将要写入的数据传给MDR，通过这俩寄存器传给内存（RW Line设置为0）
    • 地址对应的内存地址的原有数据被新传入的数据覆盖，返回一个MFC信号

三、外存概述

二级存储（Secondary Memory）是计算机除内存外所有可存数据的存储器的统称，如硬盘、光盘

3.1 磁盘的机械结构

3.1.1 存储介质与原理

  • 存储原理（Storage Theory）
    • 通过向磁头线圈（Magnetizing Coil）施加合适的极性电流脉冲（Current Pulse），可以在磁膜（Magnetic Film）上存储数字信息
  • 结构与存储介质（Storage Media）
    • 磁盘是由金属或涂有可磁化材料的塑料制成的圆形盘片（Platter）
    • 一个或多个（单面或双面的）磁盘（Disk）被安装在一个共同的主轴（Spindle）即旋转驱动器（Rotary Drive）上面，以均匀的速度旋转

3.1.2 磁盘上的读写头

  • 读写头（Read-Write Head）可在磁盘旋转时沿磁道移动以读写数据，其分为可动头（Movable Head）和固定头（Fixed Head）两种，其中可动头如下所示
    • 可动头
      • 每个磁盘盘面（Surface）拥有单个读写头（磁盘如果是双面的，那么单个磁盘就应当拥有两个可动读写头）
      • 读写头安装在可动臂上，其可以移动到不同的磁道上
    • 固定头
      • 每个磁盘磁道（Track）有单个读写头
      • 读写头被安装在固定臂（Fixed Ridged Arm）上

R-WHeadPerSurface.png

  • 每个读写头与磁盘表面之间的距离非常小，以确保磁信号的有效读取和写入

R-WHead.png

  • 温彻斯特硬盘（Winchester Hard Disk）是由IBM在1968年开发的一种磁盘技术
    • 温盘被密封在一个空气过滤环境中，读写头可以保持与磁盘上的磁道更近的距离
    • 其信息存储密度更大，能比非密封的存储单元在有限的物理空间内存储更多的信息

3.1.3 数据组织结构

  • 磁道（Track）是磁盘表面上的储存数据的同心圆环
    • 每个磁盘上具有500~2000个磁道
  • 扇区（Sector）是磁道上的物理区域
    • 每个磁道上的具有10~100个扇区，每个磁道的扇区数量相同
    • 每个扇区通常包含512字节的数据
  • 磁盘地址（Disk Address）的编码通常由如下三个部分组成，通过这三个参数可以唯一定位磁盘上的任意扇区
\[(SurfaceNumber,TrackNumber,SectorNumber)\]

TrackAndSector.png

  • 磁道和扇区的组织结构包括以下几个部分
    • 扇区间隔（Inter-Sector Gap）：用于区分两个连续的扇区，确保读写头能够准确地定位每个扇区的起始位置
    • 扇区头（Sector Header, Preamble）：包含扇区标识信息，用于在选定磁道上找到目标扇区
    • 纠错码（ECC, Error-correcting Code）：用于检测和纠正读写过程中可能发生的错误，以确保数据的完整性

OrganazationOfTackAndSector.png

  • 磁盘中的柱面（Cylinder）是一个逻辑概念，指的是所有磁盘片上相同位置的（即相同半径位置上的）磁道的集合，柱面上的数据可以无需移动可动读写头来进行读取

DataOrganization-Cylinder.png

3.1.4 磁盘格式化

  • 磁盘格式化（Disk Format）是将磁盘划分为磁道和扇区的过程
  • 格式化过程中可能会发现一些有缺陷的扇区或磁道，这些区域会被标记为不可用
  • 格式化信息通常占磁盘总存储容量的15%左右

3.2 磁盘的访问效率

  • 磁盘的访问效率主要由磁盘访问时间（Access Time）和数据传输速率（Transfer Rate）决定
    • 磁盘访问时间=寻道时间+旋转延迟
      • 寻道时间（Seek Time）：读写头移动到目标磁道所需的时间，通常平均为5~8ms
      • 旋转延迟（Rotational Latency）：读写头定位到目标磁道后，等待目标扇区旋转到读写头下方的时间，平均为磁盘旋转半圈所需的时间
    • 数据传输速率=单位时间内磁盘传输的数据量=数据量/传输时间
      • 传输时间（Transfer Time）：读写头定位到目标扇区后，数据传输所需的时间
  • 读写数据的总时间=寻道时间+旋转延迟+传输时间

TransferRate.png

3.3 硬盘的相关例题

二级存储例题1-4.png

二级存储例题5-6.png

  • 下面是一道大题

Chap8T7.png

Chap8AnsT7.png

四、存储器层次结构

4.1 层次结构

  • 理想的存储器应当具备以下三种性质
    • 价格低
    • 延迟小（SRAM访问速度快，但贵而容量小）
    • 容量大（DRAM便宜而容量大，但访问速度慢）

存储器的价格与速度对比.png

  • 我们难以同时满足既快又大又便宜，所以存储分为如下多个等级结构（Memory Hierarchy），大容量的在底层（存储器层次结构不是存储器的分配方式，而是一种层级结构）

存储器层次结构.png

  • 存储器层次结构利用了SRAM的速度和磁盘的容量，给用户造成存储器速度快、容量大的假象
  • 存储器层次结构不会限制程序大小，且会使得程序执行得更快

4.2 缓冲区

  • 我们用层次结构上层的存储器（快小）来存储相邻（Adjacent）下层存储器（慢大）存储的数据的子集，以确保大部分处理器需要的数据能够被快速访问到，两者之间会相互进行数据的同步，此时上次存储器就是下层的缓冲区（Buffer）
  • 类比我们对csv文件进行Parsing的时候，先把数据分成行，再将行分成单个字，再对字内的分隔符进行解析，最终得到最小的分析单元进行解析得到需要的数据，每个大的层次结构都被小的Buffer进行了Parsing

层次结构缓冲区示意.png

  • 当我们访问某个数据b时
    • Hit：若其本来就在Buffer内，则直接访问（如下图14就可以直接取用）
    • Miss：若不存在，则需要从下层存储器中进行Fetch同步（如下图的12的取用）

层次结构缓冲区的使用.png

4.3 局部性原理

  • 局部性原理（Principle of Locality）指的就是如果一个数据第一次被访问，那么就会将其相邻的数据从相邻下层拷贝到上层，以便下次更快地访问
  • 时间局部性原理（Temporal Locality）指的是将最新近读取过的数据存放在上层Buffer内，使其与处理器的距离更近

时间局部性原理.png

  • 空间局部性原理（Spatial Locality）指的是将存储的相邻信息的整个Block取出放到上层Buffer内

空间局部性原理.png

学科笔记, 组成原理
组成原理
本文由作者按照 CC BY-NC-SA 4.0 进行授权