软考知识点7：存储系统

## 考点

在计算机软考中，关于存储系统的考点通常涉及以下几个方面：

- 存储层次结构：理解计算机存储系统的层次结构，包括内存、缓存、硬盘、网络存储等不同层次的存储设备，以及它们之间的关系和作用。
- 存储器类型：了解不同类型的存储器，包括随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、闪存存储器等，以及它们的特点、应用场景和工作原理。
- 存储器管理：掌握存储器管理的基本原理和方法，包括内存分配、页面置换、内存保护、虚拟内存等方面的知识。
- 缓存技术：了解缓存技术的原理、作用和应用，包括缓存命中、缓存替换算法、缓存一致性等方面的知识。
- 存储系统性能优化：了解如何优化存储系统的性能，包括提高存储器访问速度、减少存储器访问延迟、降低能耗等方面的方法。
- 主存编址计算：掌握将逻辑地址（由程序生成的地址）转换为物理地址（实际存储器中的地址）的计算过程。

一般会出现一些概念性选择、判断题，1-2分的样子。我们重点学习存储层次结构、缓存技术（Cache）、主存编址计算。

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## 存储层次结构

计算机存储系统的存储层次结构通常由多个层次组成，包括主存、缓存、硬盘、网络存储等不同层次的存储设备。这些存储设备按照访问速度、容量、成本等方面的不同特点被组织成层次结构，以满足不同的存储需求和性能要求。

### 层级
下面是典型的计算机存储系统的存储层次结构，自上而下依次是 **访问速度逐渐变慢、容量逐渐增大、成本逐渐降低** 的存储设备：

- **寄存器**（`Registers`）：寄存器是位于 `CPU` 内部的最快速度的存储设备，用于存储 `CPU` 中的数据和指令。寄存器的容量很小，但访问速度非常快，用于存储当前正在执行的指令和临时数据。
- **高速缓存**（`Cache`）：高速缓存是位于 `CPU` 和主存之间的存储设备，用于提高 `CPU` 对数据的访问速度。缓存分为多级（`L1、L2、L3`等）并且容量逐级递增，但访问速度比主存快，用于存储 `CPU` 频繁访问的数据和指令。
- **主存**（`Main Memory`）：主存是计算机中的主要存储设备，用于存储程序和数据。主存的访问速度比缓存慢，但容量较大，通常被 `CPU` 直接访问。
- **辅助存储器**（`Secondary Storage`）：辅助存储器包括硬盘、固态硬盘（`SSD`）、光盘、磁带等，用于长期存储大量的数据和程序。辅助存储器的容量很大，但访问速度比主存慢，通常用于存储不常用的数据和程序。
- 拓展：**网络存储**（`Network Storage`）：网络存储是通过网络连接的存储设备，用于实现数据共享和远程访问。网络存储可以是网络硬盘、云存储等形式，提供了跨网络的数据存储和访问功能。

### 分类方式

- 存储位置：内存（`主存`）、外存（`辅助存储器`）
- 存取方式：按内容存取（`Cache`）、按地址存取（`内存、外存`）
- 工作方式：随机存取（`RAM-可读写`）、只读（`ROM`）

拓展：
- 虚拟存储体系：内存-外存，边界虚化，内存不足时，可以使用外存充当内存使用。
- 三级存储体系：缓存-内存-外存。

### 局部性原理

存储系统局部性原理（Locality Principle）是指在计算机程序的执行过程中，存在着数据访问和指令执行的局部性特征，即程序在一段时间内倾向于频繁地访问一组相关的数据或指令。

局部性原理通常分为两种类型：
- 时间局部性（`Temporal Locality`）：指在一段时间内，程序往往会多次访问相同的数据或指令。这意味着如果某个数据或指令被访问过一次，那么它在不久的将来可能会再次被访问。
- 空间局部性（`Spatial Locality`）：指程序在访问某个数据或指令时，往往会同时访问其附近的数据或指令。这意味着如果某个数据或指令被访问过，那么与其相邻的数据或指令也可能会被访问。

一些可以利用局部性原理实现的功能：
- 缓存性能优化：利用局部性原理设计高效的缓存系统，通过预先加载程序可能访问的数据或指令，提高数据访问速度和程序执行效率。
- 指令重排和预取：根据局部性原理对指令进行重排和预取，以减少指令执行的等待时间和提高指令执行效率。
- 页面置换策略：在虚拟内存系统中，根据局部性原理设计页面置换策略，优先保留具有较高局部性的页面，以减少页面置换的频率和提高系统性能。

## 缓存（Cache）

### 概念

缓存是一种用于临时存储数据的高速存储器，位于CPU和主存之间，用于提高数据访问速度和系统性能。

缓存的主要原理是利用局部性原理，即时间局部性和空间局部性。根据这一原理，程序在执行过程中倾向于频繁地访问相同的数据或指令，以及其附近的数据或指令。基于这种特性，缓存将主存中频繁访问的数据复制到高速缓存中，并且根据缓存替换策略来管理缓存中的数据。

当 `CPU` 需要访问数据时，首先会在缓存中查找，如果命中（即所需数据已经在缓存中），则可以直接从缓存中获取数据，避免了访问主存的时间延迟；如果未命中，则需要从主存中加载所需数据到缓存中，并更新缓存中的内容。通过这种方式，缓存可以大大减少CPU对主存的访问次数，提高数据访问速度和系统性能。

**缓存功能（缓存地址与主存地址的映射关系）一般由硬件自行完成。**

> PS：在高级考试中，可能会考到缓存命中率和周期的计算，中级一般不会考到，这里不做讲解。

### 缓存映像方式

常见的缓存映射方式有三种：
1. 直接映射（`Direct Mapping`）：通过取主存地址的一部分作为缓存的索引，将主存块映射到对应的缓存行。例如，主存地址的一部分作为缓存的索引，另一部分作为标记，用于确定缓存行是否命中。
2. 组相联映射（`Set-Associative Mapping`）：将主存地址的一部分作为缓存的索引，将主存块映射到一个缓存组中的某个位置。在同一个缓存组中，可以存储多个主存块，并通过比较标记确定是否命中。
3. 全相联映射（`Fully Associative Mapping`）：主存地址的一部分作为标记，而不是用于确定索引。缓存中的每个位置都存储主存块的标记和数据，而不需要索引。在进行缓存访问时，对所有缓存行的标记进行比较，确定是否命中。

|映像方式|优点|缺点|
|----|--|--|
|直接映射|实现简单，硬件成本低，缓存命中时访问速度快|容易发生冲突，造成缓存替换，影响性能，不适用于访问模式不规律的情况|
|组相联映射|解决了直接映射中的冲突问题，减少了缓存替换，对不规则访问模式有一定的适应性|硬件复杂度较高，需要额外的标记存储和比较逻辑，对于高度并发的访问模式，可能导致组的冲突|
|全相联映射|解决了直接映射和组相联映射中的冲突问题，具有最高的灵活性，适用于任意访问模式|硬件复杂度最高，成本较高；缓存访问速度较慢，需要比较所有缓存行的标记；不适用于高并发的访问模式，可能出现比较瓶颈|

### 拓展：一些知识点

- 缓存结构：通常包括 `L1 Cache`、`L2 Cache` 和 `L3 Cache`，它们位于处理器内部或靠近处理器，并具有不同的访问速度和容量。了解缓存由缓存行、缓存组和标记等组成，每个缓存行存储着主存中的数据副本。
- 缓存映射方式：包括直接映射、组相联映射和全相联映射。直接映射将主存块映射到唯一的缓存行，组相联映射将主存块映射到一组缓存行，而全相联映射则允许主存块映射到任意的缓存行。
- 缓存替换策略：最少使用（`LRU`）、先进先出（`FIFO`）、最不常用（`LFU`）等。这些策略用于确定在缓存未命中时应替换哪些缓存行。
- 缓存写策略：写回（`Write Back`）和写直达（`Write Through`）。写回策略在缓存行被替换时才将数据写回主存，而写直达策略在写操作时立即将数据写回主存。
- 缓存一致性：缓存一致性指的是在多处理器系统中，确保各级缓存中的数据与主存中的数据保持一致的机制。由于每个处理器都有自己的缓存，而且这些缓存可能包含相同的内存地址，因此必须确保当一个处理器对某个内存地址进行读写操作时，其他处理器的缓存中的数据也能够及时地更新或失效，以保持数据的一致性。
- 性能优化：了解如何优化缓存系统的性能，包括提高缓存命中率、减少缓存未命中率、优化缓存替换和写策略等方面的方法。

## 主存编址相关计算

这部分考察内容主要是计算题目，但是大家不要害怕，涉及到的计算都很简单，只要理解几个概念的关系就由任何难度。

### 一些概念

- bit：比特位，计算机最小计数单位，`1bit`只能存放一位二进制数字`0/1`；
- 字节：B，存储单元的容量单位，一般默认`1字节=8bit`；
- 存储地址：可认为是芯片的一个最小单元，一个芯片由多个地址排列组成，`1个存储地址通常 = 1字节`；
- 存储单元：一堆存储地址组合在一起，可以称为一个存储单元，`1个存储单元 = n个存储地址`；
- 芯片：一个芯片通常由很多一个存储单元组成排列组成，`1个芯片 = n个存储单元`；

> 拓展：存储单位：`1GB = 1024MB`、`1MB = 1024KB`、`1KB = 1024B`、`1B = 8bit`

### 例题

该考点的计算题目，一般是给出上面概念中的几个数值，然后计算另一部分数值。

> PS：但是要注意一点，存储地址一般是 `2进制` 或 `16进制` 表示，为了便于计算，通常需要转化成 `10进制` 来参与计算。

题：一块内存芯片，按照字节编址，地址 `A000H` 到 `CFFFH` 区间的单元，共多少字节？一块 `360KB` 的内存芯片，需要多少这样的单元构成？

1. 十六进制转为十进制 `A000H` = `40960`， `CFFFH` = `53247`，则一共有 `53247 - 40960 + 1 = 12288` 个地址，则有`12288`个字节；（`拓展：12288 / 1024 = 12KB`）；
2. `360 / 12 = 30`。

怎么样？是不是小学生也会做！

## 总结

1. 需要掌握计算机存储结构的概念，以及不同层次存储设备的特点；
2. 需要掌握缓存的作用，以及三类缓存映像方式的特点；
3. 需要掌握关于内存编址容量的一些简单计算。