存储器概述

  • 处理器芯片是高度集成的用于计算的电路
  • 存储器芯片是高度集成的用于存储的电路

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存储器分类

当前计算机中，CPU 缓存、内存、外存这三类存储器并存

  • CPU 缓存：SRAM
  • 内存：DRAM
  • 外存：Flash

RAM

RAM（Random Access Memory）随机存储器

随机存取指的是当存储器中的信息被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置无关

根据 RAM 的存储机制，又分为静态随机存储器 SRAM（Static RAM）以及动态随机存储器 DRAM（Dynamic RAM）两种

SRAM

  • SRAM 是靠双稳态触发器来存储一位信息的，因此只要工作电压不存在，存储单元的状态就立即消失，当再次上电时，由于触发器的状态是不稳定的，原来的信息不能恢复
    • 因此 SRAM 最大的特点就是信息的易失性，即掉电后 RAM 中信息全部丢失。
  • SRAM 不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据
  • 存储 1bit 的信息需要 4-6 只晶体管，成本高，性能快

DRAM

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对比

  • SRAM 一般只用于 CPU 内部的高速缓存（Cache），以及 MCU 内置的数据存储器，
  • 外部扩展的内存一般使用 DRAM

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  • SRAM 和 DRAM 均掉电易失
  • SRAM 不需定期充电以维持电子，DRAM 需要定期充电
  • SRAM 需要更多晶体管构成
    • 因此，SRAM 更贵，也更占空间；DRAM 可以做的容量更大
  • SRAM 做 CPU Cache，DRAM 做 Memory

Cache 的角色定位：从 CPU 的视角，并不知道 Cache 的存在，它一直以为是从 Memory 取数据

CPU 每次从 Memory 取数据（最小一个字节），但一些数据其实直接从 Cache 取（命中）；根据局部性原理，一些数据从 Memory 被加载到 Cache，每次加载一个 Block（Cache Li ne）

Flash

  • 闪速存储器（Flash）也称快速擦写存储器，是一种新型半导体存储器芯片
  • 根据存储单元电路的不同， Flash 存储器又分为 NORFlash 和 NAND Flash

特性

  • Flash 中的数据非易失
  • 过程：充电，锁电荷
  • 基于锁住电荷的多少，定义信息
  • SLC -> MLC -> TLC -> QLC

Flash 设备作为存储器存在，而它自身又是一个独立的小型计算机，里面有微处理器、有 Cache、有 Flash Chip

  • 一个 Chip/Package 指一个封装好的闪存芯片
  • 一个 Chip 由若干个 Die 组成
  • Plane 是 NAND 能够根据读、写、擦除等命令进行操作的最小单位
  • 一个 Plane 就是一个存储矩阵，包含若干个 Block
  • Block 是 NANDFlash 的最小擦除单位，一个 Block 包含了若干个 Page
  • Page 是 NANDFlash 的最小读写单位，一个 Page 包含若干个 Byte

局限性

  • 写前擦除
  • 块擦除次数有限
  • 读写干扰
  • 电荷泄漏

上述属性导致：Flash 空间越大，寿命越高，且相对性能越好

分层存储架构

当前计算机普遍采用多存储器分层的金字塔型结构

  • 越靠近处理器，性能越快，容量越小
  • 越远离处理器，性能越慢，容量越大

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局部性原理

  • 时间局部性
    • 近期访问的数据更容易被再次访问
  • 空间局部性
    • 一个数据被访问，与其相邻的数据更容易被访问

长尾分布：热点数据仅占总量的一小部分

虚拟地址

程序运行时，从外存储器（如 Flash）加载到内存储器（Memory），然后逐条指令载入 CPU 执行

  • 进程是指在系统中正在运行的一个应用程序，程序一旦运行就是进程
  • 指令跳转无法跳出当前进程
  • 对一个进程而言，它认为所有的内存都属于自己
    • 每个进程有一套独立的地址空间
    • 通过这种方式，无论这个进程在哪台计算机上跑，都可以用统一的地址跳转
    • 即，在不同计算机上，一个进程的指令和数据即使存储在不同的内存地址（物理地址），也不受影响

虚拟地址：CPU 的 32bit 寄存器中存放的地址，并非内存中的物理地址

  • 高级语言编译成汇编的过程中，指令形成
  • 指令形成的过程中，地址确定（虚拟地址）
  • 地址的确定规则：进程虚拟地址空间

虚拟地址空间

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新型存储器

  • 内存和存储区域统一：NVM 存储器
  • 多种存储器并存，混合、异构架构
  • 存储器中集成运算电路
  • 芯片堆叠
  • 跨终端设备