探究计算机存储器结构体系1

前言

生活中经常听到这句话“一分钱一分货，哪有那么多又便宜又好用”，在计算机存储体系中，也是如此，存储速度越快的，也就越贵，而且是呈指数的贵。计算机存储呈如下金字塔排布。

理想情况下，我们肯定希望拥有无限大的内存容量，这样就可以立刻访问任何一个特定的机器字，但我们不得不认识到有可能需要构建分层结构的存储器，每一层次容量都要大于前一层次，但其访问速度也要更慢一些。

你是不是经常被以下名词弄得晕头转向。ROM/RAM/DRAM/SRAM/SDRAM/DDR SDRAM等等，下面，我尽力以上图为参考，从上到下，说明各个层次存储器的特点和区别，并对它们的工作原理做一些简要的说明

1.寄存器（ Register ）

寄存器是CPU中的一部分。它是一个高速存贮部件，可以用来暂存指令、数据和地址。每个CPU中有多个寄存器，例如8086CPU中含有14个寄存器。

寄存器是CPU的内部组成单元，是CPU运算时取指令和数据最快的地方。它可以用来暂存指令、数据和地址。在CPU的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序计数器（PC）。CPU的算术逻辑部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。 下图中蓝色小框里面，全是寄存器。

2.高速缓存（Cache）与主存

2.1 引入cache的目的

计算机在运行程序时，首先将程序从磁盘读取到主存，然后CPU按规则从主存中取出指令，数据并执行指令，但是直接从主存（一般是DRAM）中读写是很慢的，所以引入了高速缓存（Cache）。

在程序运行前首先会试图将指令，数据从主存中读取到Cache中，然后在程序执行时直接访问Cache，如果指令和数据可以从Cache中读取到，那么就说是“命中（hit）”，反之就是“不命中（miss）”，miss情况下需要从主存中读取指令或者数据，这样会直接影响CPU的性能，所以命中率对CPU来说至关重要。

现代处理器一般有三层cache，分别称为L1 cache、L2 cache、L3 cache。L1 cache离CPU核最近，存储信息的 读取速度接近CPU核的工作速度 ，容量较小，一般分成I-cache和D-cache两块，分别存储指令和数据；L2 cache比L1更远，速度慢一些，但是容量更大，不分I-cache和D-cache；L3更慢、更大，现在流行多核处理器，L3一般由多个处理器核共享，而L1、L2是单核私有的。

实际上cache是一个广义的概念，可以认为主存是磁盘的cache，而CPU内cache又是主存的cache，使用cache的目的就是伪造出一个容量有低层次存储器（如磁盘）那么大，而速度又有寄存器（如通用寄存器）那么快的存储器，简单来说就 要让存储单元看起来又大又快 。

2.2 cache的理论基础

cache之所以能work，主要基于两个认识，即程序运行时数据具有时间局部性和 空间局部性 。

时间局部性是指一个数据如果当前被使用到，那么接下去一段时间它很可能被再次用到；空间局部性是指一个数据如果当前被使用到，那么接下去一段时间它周围的数据很可能也会被用到，比如数组。

2.3 Cache的组成方式

cache容量较小，所以 数据需要按照一定的规则从主存映射到cache 。一般把主存和cache分割成一定大小的块，这个块在主存中称为 data block ，在cache中称为cache line。 举个例子，块大小为1024个字节，那么data block和cache line都是1024个字节。当把主存和cache分割好之后，我们就可以把data block放到cache line中，而这个“放”的规则一般有三种，分别是“ 直接映射 ”、“ 组相联 ”和“ 全相联 ”。

直接映射

直接映射采用“ 取模 ”的方式进行一对一映射。举个例子，如果cache中共有8个cache line，那么0、8、16、24…号data block会被映射到0号cache line中，同理1、9、17….号data block会被映射到1号cache line中。

组相联：

直接映射中主存中的每一个data block都有一个确定的cache line进行映射，这是有缺陷的。当程序连续读取0、8、0、8号data block的数据时，因为只有一个cache line供映射，所以当第二次读取0号block时，第一次读到cache中的0号block早被顶替出去了，这时候又会产生miss，miss会极大地影响执行效率。

为了解决上面的问题，提出使用“组相联”的方式。

根据上图我们很容易发现比起直接映射，组相联翻倍了block可以映射的cache line的数量，图上数量为2，我们称每两个cache line为一个cache set。

全相联

全相联是极端的组相联，即cache只有一个cache set。每一个data block都可以存进任何一个cache line。下图是对应关系。

2.4.RAM与ROM

计算机中按存储类型划分为 随机存储器 （Random Access Memory, RAM）和 只读存储器 （Read Only Memory, ROM）

• （1） 随机存储器 （Random Access Memory, RAM）

  RAM是一种可读/写存储器，其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间域存储单元的物理位置无关。

• （2） 只读存储器 （Read Only Memory, ROM）

  顾名思义，ROM只能对其存储的内容读出，不能对其重新写入。因此，通常用它存放固定不变的程序、常数、汉字字库等。存放在ROM设备中的程序通常称为固件(firmware)。比如我们计算机的BIOS，就是存放在ROM中的。随着半导体技术的发展，出现了可编程只读存储器（Programmable ROM, PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable ROM, EPROM）及用电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erassable Programmable ROM, EEPROM）。近年来还出现了闪速存储器（Flash Memory），它基于EEPROM。

高速缓存和主存都是RAM（Random-Access Memory，随机访问存储器），它分为静态的（SRAM）和动态的（DRAM），分别对应高速缓存和主存。