考研408--组成原理--day6--外部存储器&Cache

（以下内容全部来自上述课程）

目录

• 外部存储器
• • [1. 磁盘存储器](#1. 磁盘存储器)
  • • [1.1 组成](#1.1 组成)
    • [1.2 性能指标](#1.2 性能指标)
    • [1.3 磁盘地址](#1.3 磁盘地址)
    • [1.4 磁盘阵列](#1.4 磁盘阵列)
    • [1.5 小结](#1.5 小结)
  • [2. 固态硬盘（SSD）](#2. 固态硬盘（SSD）)
  • • [2.1 小结](#2.1 小结)
    • [2.2 机械硬盘vs固态硬盘](#2.2 机械硬盘vs固态硬盘)
    • [2.3 结构](#2.3 结构)
    • [2.4 拓展](#2.4 拓展)
• Cache
• • [1. 工作原理](#1. 工作原理)
  • [2. 性能分析](#2. 性能分析)
  • [3. 问题](#3. 问题)
  • [4. 小结](#4. 小结)
• Cache和主存的映射方式
• • [1. 全相联映射](#1. 全相联映射)
  • [2. 直接映射](#2. 直接映射)
  • [3. 组相联映射](#3. 组相联映射)
  • [4. 小结](#4. 小结)
• Cache替换算法
• • [1. 随机算法（RAND）](#1. 随机算法（RAND）)
  • [2. 先进先出算法（FIFO）](#2. 先进先出算法（FIFO）)
  • [3. 近期最少使用算法（LRU）](#3. 近期最少使用算法（LRU）)
  • [4. 最不经常使用算法（LFU）](#4. 最不经常使用算法（LFU）)
  • [5. 小结](#5. 小结)
• Cache写策略
• • [1. 写命中](#1. 写命中)
  • • [1.1 写回法](#1.1 写回法)
    • [1.2 全写法](#1.2 全写法)
  • [2. 写不命中](#2. 写不命中)
  • • [2.1 写分配法](#2.1 写分配法)
    • [2.2 非写分配法](#2.2 非写分配法)
  • [3. 多级Cache](#3. 多级Cache)
  • [4. 小结](#4. 小结)

外部存储器

注意：写入数据是1bit1bit写入的，所以要连续的读出来，中间还需要其他的零件才能实现。

可以设定SN是1，NS是0，所以就可以按照二进制写入数据。

1. 磁盘存储器

类似于唱片，可以拨动磁头只能存储位置。

左侧图片是磁盘驱动器，右侧图片是磁盘控制器。

1.1 组成

• 磁头：磁盘的面。
• 柱面数：磁盘面儿上的圈圈。（因为好多个磁盘面叠起来就是一个圆柱体）
• 扇区数：切割面出现的扇形区域。
  
  一个磁盘的正反面都可以涂上磁层，磁头的上下两端都可以读取数据，第一个磁盘上没有磁头是因为这个磁头只能读单侧，造价成本太高，所以第一层上面就没有磁头。
  

1.2 性能指标

• 容量：格式化容量的一部分可以拿去装别的东西，所以一般它的容量比非格式化容量小。
• 密度：每个圈圈上的信息量都是相等的，所以大的圈信息分布得就稀疏，小的圈就密集，也越难制造。
• 道密度：半径-->图中右边儿的蓝色线，左边儿的蓝线是磁头
• 位密度：一圈儿-->图中红色线
• 面密度：道密度*位密度
  
• 寻道：把磁头放到想查找的信息的那个圈儿上。
• 旋转延迟时间：不一定磁头刚好放在信息弧上，所以得等他自己转过来。
• 传输时间：划过信息弧的时间。
  
  

1.3 磁盘地址

因为读写都是一比特一比特来的，所以就需要用并串变换电路把数据串在一起。

1.4 磁盘阵列

数字越大的版本，性能越好。

RAID0：因为数据都只有一个版本，所以无冗余也没有校验。

RAID1：相同的数据存两遍。

RAID2：Disk0~3存信息，Disk4、5、6是校验位，所以有纠错功能。

1.5 小结

2. 固态硬盘（SSD）

2.1 小结

2.2 机械硬盘vs固态硬盘

ps：机械硬盘是磁盘的一种。

2.3 结构

• 固态硬盘-->块号
• 机械硬盘-->扇区
• 芯片包含块，块包含页。
  
  如果想擦除数据，是整个块都擦除的，如果你只想写入这个块的某一页的数据，那就需要把不用动的数据复制到另一个块内，擦除原来的块上的数据，把新的页的数据写入后块的那一页中。
  

2.4 拓展

Cache

Cache可以让访问速度更快。

1. 工作原理

就是类似于你买快递，买的东西被一个地区一个地区传递，最后送到你的手里。

简单来说，就是一个东西，你可能某个时间段天天用，但是又可能过一阵就不用了，啥时候能用上都说不准 ，所以你是把它随身携带呢，还是放在别的地方呢？（涉及Cache替换算法）

2. 性能分析

分为两种情况：

• 先访问Cache，找完发现没有再找内存
• Cache和内存同时找

显而易见，第二种更有效率一点儿

3. 问题

Cache和主存的块的容量必须一样，也就是原封不动复制一整个东西备用。

就好比，你买了两只唇膏，有一天你想用，刚好随身（Cache）有，没有的话就只能去家里（内存）找了。

• 主存地址共22位：4M=2²²
• 块内地址10位：1K=2¹⁰
• 块号12位：4M/1K=2^22-10=2¹²
  
  沿用上述的情景-有待解决的问题：
• 对应关系：可以说是我的唇膏应该放在我身上的哪个口袋里
• 内存：我身上的兜都满了，还想带别的东西，那么之前随身携带的东西应该怎么办
• 一致性：用文本理解吧，唇膏不太恰当
  

4. 小结

Cache和主存的映射方式

想想你身上的兜有很多，那么怎么分清每个兜里都装了什么东西呢？这就需要标记 了，相当于便签，记录兜里的东西是什么。
有效位 就是用来记录你的兜里有没有放东西。

1. 全相联映射

我想带的东西，身上的兜随便儿放。

• 主存地址28位：256M=2²⁸
• 块内地址6位：Cache行长64B=2⁶B
• 主存块号22位：256M/64B=2^28-6=2²²
• 主存块号-->蓝色标记-->22位
• 块内地址-->黑色-->6位
• 先根据蓝色标记找到具体的块号，块号中不还分了好多地址么，然后再在这个块中寻找固定的地址。
  
  

2. 直接映射

自己的哪个兜都固定 放啥，下次放同样的东西就还放这个兜里。

当然，缺点就是如果没有固定的东西，那这个兜就只能空着了，浪费空间。

因为有了固定性 ，所以主存块号的后三位（2³块Cache），就证明了自己的东西放在了哪个兜，你东西还没放兜里呢，就直接翻兜肯定啥都没有，所以可以把后三位去掉，剩余前19位，就可以去找主存的大体位置，然后再根据块内地址精准定位。

3. 组相联映射

就是我这个兜固定放这一类 的东西，好比这个兜只能放唇膏，我这个牌子的唇膏用完了，还可以放另一个牌子的唇膏。

和直接映射的固定类似，这里的Cache被分成了2²组，所以后两位就代表哪两个兜用来放这一类的东西，所以用前20位作为标记就可以。

4. 小结

Cache替换算法

1. 随机算法（RAND）

纯随机，无规律。

2. 先进先出算法（FIFO）

非常丝滑地向右下斜着挨个儿替换。（看红色字体）

3. 近期最少使用算法（LRU）

这里就需要用到计数器，用来记录哪个数据一直没有被用到，就直接把它踢出去。

好像数字炸弹啊。

做题的话：

一到要提出数据的时候，就从他前面画一个线隔断，往前找，最近的三个谁没出现就踢谁。

规则非常人性化：

• 被访问了的数据的计数器就清零，比它低的就都+1，其余不变（是因为再大也大不到哪儿去了，这个其余就是最大的）
• 如果有地方放，那就愉快地直接放，计数器归零，其他的都+1
• 如果没地儿放，就把计数器最大数字的踢出去，新加入的为0，其余+1.
  
  
  但是！因为你刚拿出去的东西说不定又马上想用了，所以...这就是缺点。
  

4. 最不经常使用算法（LFU）

这次的计数器记录的是数据的使用次数 。

空间不够了，谁用得最少，就给谁踢出去。

如果碰到计数器相等且都是最小，可以用先进先出，或者直接淘汰行数最小的。

但是！现在经常常用的，以后可能用到的少，所以...这就是缺点。

5. 小结

Cache写策略

1. 写命中

1.1 写回法

只修改Cache，替换的时候再修改主存。

1.2 全写法

Cache和主存同时修改。

Cache和主存同时修改，但是是利用写缓冲，将修改内容写到写缓冲里，然后再写入主存中。

2. 写不命中

2.1 写分配法

想修改谁，就把谁调入Cache里修改。

搭配写回法就是Cache改了，等它被替换的时候再修改主存。

2.2 非写分配法

想修改谁就直接在主存里修改了。

3. 多级Cache

无限靠近CPU，就无限快(bushi)

4. 小结