计算机存储结构（一）—

简介：描述基本的存储器知识，介绍基本的存储器类型和差异。摘自《深入理解计算机系统》CSAPP

一：存储技术概述

　　存储器系统（memory system）是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。

　　CPU寄存器：保存这最常用的数据。

　　高速缓存存储器（cache memory）：靠近CPU的小的、快速的存储器，作为一部分存储的主存储器中数据和指令的缓冲区域。

　　主存储器：缓存存储在容量较大的、慢速磁盘上的数据，

　　磁盘：常常又作为存储在网络连接的其他机器上的数据的数据。

二：存储器分类

　　2.1 随机访问存储器（RAM： Random-Access Memory）

　　　　2.1.1静态RAM，一般用作高速缓存存储器

　　　　　　SRAM将每个位存储在一个双稳态（bistable）的存储器单元里面，每个单元用一个六晶体管电路来实现。只要通电后就可以永远保持它的值，即使有干扰来扰乱电压，当干扰消除是电路就会恢复到稳定值。

　　　　2.1.2.动态RAM （DRAM）

　　　　　　DRAM每个单元由一个电容和一个访问晶体管组成。可看成每个存储位为对一个电容的充电，这个电容非常小，通常只有大约30毫微微法拉（femtofarad）–30*10^-15法拉。

　　　　　　这个电容的电压被扰乱后就永远不会恢复了。暴漏在光线下回导致电容电压改变。

　　　　　　很多原因会导致漏电，使得DRAM单元在10-100毫秒时间内失去电荷。幸运的是计算机的运行时钟周期是以纳秒来衡量的，所以相对时间还是比较长的。内存系统必须周期性的通过读出，然后重写来刷新每一位。

　　　　2.1.3 传统的DRAM

　　　　　　DRAM芯片的单元被分成d个超单元，每个超单元由w个DRAM单元组成，一个d*w单元的DRAM存储了dw位信息。超单元被组织成一个r行c列的方形阵列，r*c=d。每个超单元由形似（i，j）的地址。

　　　　　　每个DRAM芯片连接到一个内存控制器电路，内存控制器一次读或写w位到DRAM芯片（即一个超单元大小），通过i,j确定的行列地址操作对应的超单元。

　　　　　　如读操作时：每次操作内存控制器发送行地址i给DRAM芯片，DRAM芯片则将第i行复制到内部行缓冲区，接着内存控制器发送列地址j，DRAM芯片则从内部行缓冲去拷贝出（i，j）发送到内存控制器

　　　　2.1.4 内存模块

　　　　　　DRAM芯片封装在内存模块（memory modul）上，它插到主板的扩展槽上（能买到的内存条）。

　　　　　　以Core i7为例，使用8个64Mbit（兆*位）的8M（r） * 8（c）的DRAM芯片，共64MBit（兆*字节），8个芯片编号0-7.每个超单元存储一个字节（8bit），而相应的地址（i，j）在8个芯片中对应地址的超单元取出8个字节组合成一个64bit的字。

　　　　2.1.5增强的DRAM

　　　　　　厂家为了跟上迅速提高的处理器存取速度，不断的更新DRAM。不过这些都是基于基本的DRAM单元，在访问方式上进行速度提升。　　

- - 快页模式DRAM（Fast Page Mode DRAM, FPM DRAM）,　传统的DRAM将一行复制到缓冲区后使用一个后其余丢弃，即使再次读取同一行的下一个超单元也需要重新复制此行到缓存区，即每一个超单元需要下发一个RAS/CAS.；快页模式允许同一行连续超单元读取不需要重新复制行到缓存区，即读取（i，1）（i，2）（i，3）位置的超单元可以下发一个为i的RAS和3个CAS。
  - 扩展数据输出DRAM（Extended Data Out DRAM， EDO DRAM)，FPM DRAM的一个增强模式，允许各个CAS信号在时间上更紧密一些。传统的DRAM和FPM DRAM在存取每一bit数据时必须输出行地址和列地址并使其稳定一段时间后，然后才能读写有效的数据，而下一个bit的地址必须等待这次读写操作完成才能输出。EDO DRAM不必等待资料的读写操作是否完成，只要规定的有效时间一到就可以准备输出下一个地址，由此缩短了存取时间，效率比FPM DRAM高20%—30%。
  - 同步DRAM（Synchronous DRAM, SDRAM）, 是有一个同步接口的动态随机存取內存（DRAM）。通常DRAM是有一个异步接口的，这样它可以随时响应控制输入的变化。而SDRAM有一个同步接口，在响应控制输入前会等待一个时钟信号，这样就能和计算机的系统总线同步。（不太懂，反正是比异步快了）
  - 双倍速率同步DRAM（Double Data Rate DRAM, DDR SDRAM), 是对SDRAM的增强，使用上下两个时钟沿（数电知识）作为控制信号，比仅使用一个时钟沿的SDRAM快了一倍。不同的DDR是用提高有效带宽的很小的预取缓冲区的大小来划分的：DDR(2位），DDR2(4位），DDR3(8位）。
  - 视频RAM（Video RAM, VRAM), 用在图形系统的帧缓冲区中。与FPM基本思想相同，两个主要区别：一：VRAM输出是通过对缓冲区内容进行移位得到的，二: VRAM允许对内存并行读写

　　2.2 只读存储器ROM

　　　　如果断电RAM的数据都会丢失，所以RAM在这个意义上是易失的（volatile），非易失存储器（nonvolatile memory）则在断电后仍能保存数据。

　　　　由于历史原因，ROM虽然也可以读写，但是他们整体上被称为只读存储器（Read-Only memory）。

　　　　ROM以重写次数和对它进行重编程的机制来区分

　　　　2.2.1 PROM(Program ROM，可编程ROM）

　　　　　　只能编程一次。PROM每个存储单元有一种熔丝（fuse），只能用高电流熔断一次。

　　　　2.2.2 可擦写可编程（Erasable Programmable ROM， EPROM）

　　　　　　有一个透明的石英窗口，允许光到达存储单元。紫外线照射存储单元后EPROM会被清0，对EPROM进行编程写1的操作是通过特殊设备完成的。可被擦写重编程次数数量级可以达到1000次。

　　　　2.2.3 电子可擦除PROM（Electriccally Erasable Programmable ROM， EEPROM　　)

　　　　　　类似EPROM，但是它不需要一个物理上独立的编程设备，因此可以直接在印制电路板上进行编程。 EEPROM可重编程数量可达到10⁵ 次。

　　　　2.2.4 闪存（flash memory）

　　　　　　非易失性存储器，基于EEPROM。这么看flash也属于eeprom，那么为什么还要有单独的分类呢？其实也容易区分，闪存和EEPROM一样都可以电子擦除，但是山村只能整个擦除而不能像EEPROM一样仅仅擦除某个Byte。 SSD是一种基于闪存的磁盘存储器

　　2.3 磁盘存储

　　　　磁盘读取数据是毫秒级，比DRAM读慢了10万倍，比SRAM读慢了100万倍。

　　　　2.3.1 磁盘构造

　　　　　　1. 磁盘由一个或多个叠放在一起的盘片（platter）构成。封装在一个密封的容器中。整个装置通常被称之为磁盘驱动器（disk driver)。

　　　　　　2. 每个盘片有两面或者称之为表面（surface）。表面覆盖着磁性记录材料。

　　　　　　　　每个表面由一组称为磁道（track）的同心圆组成。

　　　　　　　　每个磁道被划分为一组扇区（sector）。每个扇区包含相同数量的数据位（一般512字节）。

　　　　　　　　扇区之间由一些间隙（gap）分隔开，这些间隙不存储数据位，存储用来标识扇区的格式化位。

　　　　　　3.盘片中央有一个可以旋转的主轴（spindle） ，它使得盘片以固定的旋转速率（rotational tare）旋转。

　　　　　　4. 磁盘制造商一般用术语柱面（cylinder）来描述多个盘片驱动器的构造。柱面指所有盘片表面上到主轴中心的距离相等的磁道的集合。

　　　　　　2.3.2 磁盘容量

　　　　　　　　磁盘上可以记录的最大位数称为它的最大容量，或者简称为容量。 磁盘容量由以下技术因素决定：

　　　　　　　　1.记录密度（recording density）（位/英寸）：磁道一英寸的段中放入的位数。

　　　　　　　　2. 磁道密度（track density）（道/英寸）：从盘片中心出发半径上一英寸可以存放的磁道数。

　　　　　　　　3.面密度（areal density）（位/平方英寸）：记录密度与磁道密度的乘积。

　　　　　　可以提高面密度来提高磁盘的容量，而面密度每隔几年几乎就会翻倍。

　　　　　　最初的磁盘是在面密度很低的时候设计的，将每磁道分为数目相同的扇区，扇区数目由最内部磁道决定，这样越靠外间隙（gap）就会越大，在磁道密度越来越大的今天将会变得十分浪费空间。

　　　　　　因此现代大容量磁盘使用多分区记录（multiple zone recording）技术，柱面集合被分为不相交的子集，称为记录区（recording zone），每个区包含一组连续的柱面，区中的柱面磁道含有相同数量的扇区。

　　　　　　磁盘容量计算参考书中公式：

　　　　2.3.3 磁盘操作

- - 　　硬件组成：磁盘用读写头（read/write head）来读写存储在磁盘表面的数据，而读写头连接到一个传动臂（actuator arm）一端。
  - 　　寻道（seek）：驱动器通过沿着半径轴前后移动传动臂，将读写头定位到磁道上的扇区。
  - 　　
  - 　　读写头冲撞（head crash）：传动臂末端的读写头在磁盘表面大约0.1微米处的一层气垫上飞翔，速度大约80KM/h。如果读写头碰到细小的微尘将会停下来撞到表面。

　　　　2.3.4 磁盘访问时间（access time）

- - 寻道时间（seek time）：为了读取某个扇区的内容，传动臂移动读写头到目标扇区的磁道上的时间。依赖与读写头的位置和传动臂在表面上的移动速度。通常3~9ms，最大时间可达20ms。
  - 旋转时间（rotational time）：读写头到达目标磁道后，等待扇区第一个位旋转到读写头下的时间。依赖与读写头到达时扇区的位置和旋转速度。平均旋转时间时1/RPM的一半。
  - 传送时间（transfer time）：当扇区第一位到达读写头下方时就可以进行传送了，时间依赖与扇区的大小和盘片旋转速度。