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：

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。
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。
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？

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）；
360 / 12 = 30。

怎么样？是不是小学生也会做！

总结

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；
需要掌握缓存的作用，以及三类缓存映像方式的特点；
需要掌握关于内存编址容量的一些简单计算。

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