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计算机原理-计算机发展史简述
计算机原理-计算机的总线与IO设备
本文主要概述计算机组成中的计算机的存储器相关内容。
计算机存储器概览
存储器的分类
存储器的层次结构
| 名称 | 原理 | 实现 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 缓存-主存 | 局部性原理 | 在CPU与主存之间增加一层速度快（容量小）的Cache | 解决主存速度不足的问题 |
| 主存-辅存 | 局部性原理 | 主存之外增加辅助存储器（磁盘、SD卡、U盘等） | 解决主存容量不足的问题 |
局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。
计算机的主存储器与辅助存储器
- 主存储器是指计算机的内存
- 辅助存储器指计算机的磁盘
主存储器——内存
- RAM（随机存取存储器：Random Access Memory）
- RAM通过电容来存储数据，必须隔一段时间就刷新一次
- 如果断电，那么一段时间后将丢失所有数据
| 系统位数 | 最大支持内存容量 |
|---|---|
| 32位系统 | $2^{32} = 4 * 2^{30} = 4GB$ |
| 64位系统 | $2^{64} = 2^{34} * 2^{30} = 2^{34}GB$ |
辅助存储器——磁盘
磁盘的物理结构
- 表面是可磁化的硬磁特性材料。
- 移动磁头径向运动读取磁道信息。
在盘片上，我们关心的是磁道，扇区，磁头位置，磁头方向。
磁盘的读取算法
我们假设，盘片的结构如下图，由外到内磁道编号为1~5。
1. 先来服务算法
- 按顺序访问进程的磁道读写需求
举例：磁头在磁道4，磁头方向向外。现读取磁道 1 4 2 3 1 5
按照先来服务算法，读取顺序为 1 4 2 3 1 5，过程中，磁头依次移动。
2. 最短寻道时间优先
- 与磁头当前位置有关，优先访问离磁头最近的磁道
举例：磁头在磁道4，磁头方向向外。现读取磁道 1 4 2 3 1 5
按照最短寻道时间优先的算法，读取顺序为 4 5 3 2 1 1
3. 扫描算法（电梯算法）
- 每次只往一个方向移动，到达一个方向需要服务的尽头再反方向移动。
举例：磁头在磁道4，磁头方向向外。现读取磁道 1 4 2 3 1 5
按照扫描算法，读取顺序为 4 3 2 1 1 5
4. 循环扫描算法
- 在扫描算法的基础上，演变出循环扫描算法，只往一个方向扫描。
举例：磁头在磁道4，每次都向内读取。现读取磁道 1 4 2 3 1 5
按照循环扫描算法，读取顺序为 4 5 1 1 2 3。该过程中，读完4 5 后达到尽头，磁头回到最外侧，再向内移动读取。
计算机的高速缓存
计算机的高速缓存是为了解决，CPU与主存速度不匹配的问题。
高速缓存的工作原理
首先要了解的两个概念：字，字块
| 名称 | 概念 |
|---|---|
| 字 | 是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合 |
| 字块 | 存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字 |
- 一个字有32位
- 一个字块共B个字
- 主存共M个字块
- 字地址包含两个部分
- 前m为指定字块的地址
- 后b位指定字在字块中的地址
- 一个字有32位
- 一个字块共B个字
- 主存共M个字块
缓存与主存，存储的逻辑结构类似，缓存的容量较小，缓存的速度更快
缓存命中率：CPU从高速缓存取数据的成功率。
- 命中率是衡量缓存的重要性能指标
- 理论上CPU每次都能从高速缓存读取数据的时候，命中率为1
命中率公式
访问主存次数：$N_m$
访问Cache次数：$N_c$
命中率为：$h = \frac{N_c}{N_c + N_m}$
访问效率
访问效率也可以作为高速缓存的性能指标
访问效率：e
访问主存时间：$t_m$
访问缓存时间: $t_c$
访问缓存-主存系统平均时间：$t_a = ht_c + (1 - h )t_m$ h就是命中率
$e = \frac{t_c}{t_a} = \frac{t_c}{ht_c+(1-h)t_m}$
访问缓存次数$N_c = 2000$
访问主存次数$N_m = 50$
缓存存取时间$t_c = 50ns$
主存存取时间$t_m = 200ns$
求命中率h，访问效率e，平均访问时间$t_a$
$h = \frac{N_c}{N_c+N_m} = \frac{2000}{2000+50} = 0.97$
$t_a = ht_c+(1-h)t_m = 0.97 \times 50+(1-0.97) \times 200 = 54.5ns$
$e = \frac{t_c}{t_a} = \frac{t_c}{ht_c+(1-h)t_m} = \frac{50}{0.97 \times 50+(1-0.97) \times 200} = 0.917$
因此，命中率h=0.97，访问效率e=0.917，平均访问时间$t_a = 54,5ns$
我们的目标就是：提高命中率和缓存访问效率
高速缓存的替换策略
缓存替换的四种策略
| 策略名称 | 算法 |
|---|---|
| 随机算法 | 每次需要从主存中选取数据替换到缓存中时，随机选取。 |
| 先入先出算法(FIFO) | 把高速缓存看作是一个先入先出的队列 优先替换最先进入队列的字块 |
| 最不经常使用算法(LFU) | 优先淘汰掉最不经常使用的字块 需要额外的空间记录字块的使用频率 |
| 最近最少使用算法(LRU) | 优先淘汰一段时间内没有使用的字块 有多种实现方法，一般使用双向链表 |
