存储器的层次结构

背景

• 处理器是冯诺依曼体系结构的核心，而存储器则是另一个重要部件。下边主要讲述存储器的发展趋势、程序的局部性原理、缓存思想在程序中的应用

存储器技术及其发展趋势

• 从程序员角度，存储器是一片连续区域，从0地址开始，基本不考虑是否有用完的情况。如创建对象（* p=new A）时会在内存中分配空间，若内存耗尽，会生成空指针p，但此时不会报错，只有对p进行操作时才报错。这说明尽管内存存在上限，但使用时基本不考虑
• 上边对内存的处理称为鸵鸟算法，即遇到危险把头埋在地下，装作什么也看不到。在计算机遇到内存耗尽等罕见的错误时，不会考虑这个问题，而是直接让程序崩溃，奔溃就奔溃了
• 但是操作系统不行，如崩溃，则运行于其上的所有程序都会崩溃了。因此操作系统要考虑内存用尽的情况

操作系统如何保证进程使用的内存空间不发生冲突？

• program程序是一个静态概念，指以文件方式存储的二进制指令流；而process进程是动态的，就是一个正在运行的程序的实例（程序类似类，进程类似对象）。现代操作系统均为多进程系统，可以同时运行多个程序，若每个程序都可以访问内存，操作系统如何保证进程使用的内存空间不发生冲突的呢？为了解决这一问题，我们将每个进程分配一个私有空间，这就提供了一种假象，好像每个进程都在独占整个内部，这种机制叫做虚拟内存。

做内存访问时，内存和CPU间如何交互的？

• 主存就是内存
• 桥芯片：在冯诺依曼体系结构中，存储器和外部设备的工作速率是不同的。储存器比较快，而键盘、打印机、鼠标则比较慢，如果挂在一条桥上，通讯速率由慢的决定，快的也快不了。因此我们使用桥芯片，将CPU中出来的系统总线做分流，一条为高速总线，连接主存、最新的显卡、高速网络（千兆级以太网、USB3.0协议的设备），一条低速总线，连接键盘、usb2.0协议以下的设备，保证系统在较高效率下工作

CPU与内存交互实例

• 处理器首先通过系统总线把地址发送给主存，系统总线包括三部分：地址总线（送到哪）、数据总线（哪些信息）、控制总线（传递方向，由CPU传向内存）。如在mov指令中，CPU发送控制信号，即读信号到主存中，描述数据流动方向。值得一提的是，读写以CPU作为第一人称。如读信号表示CPU读取数据，数据流入CPU
• 然后主存将数据从A地址读出，送到数据总线上，发送给eax寄存器，完成读的过程

主存的内部实现（更为底层）

• 主存本质上叫做RAM随机访问存储器，即在访问时，地址可以任意变化。相对随机访问的是连续访问，即只能从指定地址开始连续访问，一个个往下读。
• RAM的早期存储器的基本存储单元分为静态SRAM和动态DRAM，一个基本单元只能存储1比特数据

SRAM静态存储器

• SRAM的一个存储单元中，至少需要4~6个晶体管构成。如上图含有两个独立静态管和一个电路模块（一个电路模块由两个晶体管构成），构成双稳态电路。
• 稳态电路是相对于瞬态电路而言的，开关刚闭合时是瞬态，之后进入稳定状态，称为稳态。双稳态电路则有两种稳定状态。一种稳定状态存储逻辑0，另一种存储逻辑1，利用这种机制存储0和1
• 在SRAM中，字线决定是否访问电路，位线负责写入数据。SRAM储存数据非常稳定，由半导体储存，抗干扰（电磁干扰，宇宙射线干扰）能力强。即SRAM可靠性高，工作速率快，但成本高。因为宇宙射线会对存储发生干扰，发生位翻转（0->1），因此空间计算机（在火箭、飞船中使用的计算机）非常考虑存储的可靠性，常用SRAM存储

DRAM动态储存器

• DRAM存储单元的实现比SRAM简单得多，用一个电容加一个晶体管即可实现。晶体管看做受控制开关，当电容两极板间电压差大于某个值时为1，否则为0。由于电容充放电需要时间，因此工作速度很慢。而且可能因漏电而使电压下降，进而使数据被破坏，因此要在降低到某个值前充电。DRAM可靠性差，速率慢，但是实现单元简单，成本低，用于民用

DRAM的发展历程

• DRAM自1966年提出后，在1970年由Intel公司实现并且商业化，之后此结构就从未发生过改变。而现在存储器越做越快，主要是由于半导体工艺的不断提高，而并非存储器结构进步。
• 但是现在半导体工艺几乎已经到达峰顶，例如中兴国际当前最多加工14nm的芯片，美国的台电机能做到7nm，并正在做4nm的。半导体越好，工作效率越快。
• 当下这种由于工艺带来的性能的提升，而不需设计者考虑问题的红利不会吃太久了，未来摩尔定律也会走到尽头

新的DRAM实现方式

• 同步DRAM：每个上升沿传输一个数据。双倍数据速率的同步DRAM：一般DRAM只能在上升沿或者下降沿发送数据，而双倍DRAM都可以发送数据，即一个时钟周期能发送2个数据，称为DDR

非易失存储器

• RAM存储器均为易失型存储器，掉电时会失去存储的数据。而另外一种存储器非易失存储器，即使掉电数据也不会丢失。光驱、磁盘、DVD都是非易失存储器，成本低，容量很大，但是速度太慢

非易失存储器	介绍
ROM	内部存储的数据只能被CPU读取，不能修改。即在设计芯片时数据就已经生成，用户无法修改
PROM	可编程ROM，生产时相当于生产了一张白纸，只能进行一次编写，之后就不能修改了
EPROM	可擦除ROM，可以改，但是擦除条件比较苛刻：紫外光、UV、X-RAY
EEPROM	可以用电信号擦除，这样计算机就可较为简单的更新数据，主要用于存储计算机的自显程序，在主板上（超市里计算机展示时的程序就是自显程序）
flash	可读写储存器，是当下主流产品，又称为闪存，固态硬盘内部就是以flash为基本单元