数据库系统 —— 1.2 计算机体系结构（存储系统）

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1.2.2 存储系统

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存储器系统是一个由不同的容量、成本和访问时间的存储器构成的层次结构，这些存储器通过适当的硬件和软件有机地组合在一起。

三层存储器分别是高速缓存、主存储器和辅助存储器（外存储器）。

（1）存储器的分类

• 按存储器所处位置：可分为内存和外存。

  内存，也称为主存储器，设置在主机内，用来存放机器当前运行所需的程序和数据，以便向CPU提供信息。相对于外存，其特点是容量小、速度快。

  外存，也称为辅助存储器，如硬盘、磁盘和光盘等，用来存放当前不参与运行的大量信息，必要时可把需要的信息调入内存。相对于内存，外存的容量大、速度慢。

• 按构成存储器的材料：可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。

  磁存储器，是用磁介质做成的，如磁芯、磁泡、磁膜、磁带及磁盘等。

  光存储器，如CD-ROM、DVD-ROM等光盘存储器。

• 按存储器的工作方式：可分为读写存储器和只读存储器。

  读写存储器，即RAM。既能读取数据又能存入数据的存储器。

  只读存储器，根据数据的写入方式，可分为固定只读存储器（ROM）、可编程的只读存储器（PROM）、可擦除可编程的只读存储器（EPROM）和电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）。

• 按访问方式：可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。

• 按寻址方式：可分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。

  随机存储器（RAM），这种存储器可以对任何存储单元存入或读取数据，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。

  顺序存储器（SAM），访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关，磁带就是典型的顺序存储器。

  直接存储器（DAM），介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。磁盘是一种直接存取存储器，它对磁道的寻址是随机的，而在一个磁道内则是顺序寻址。

（2）随机访问存储器

随机访问存储器可分为两种：静态的和动态的。静态RAM（SRAM）比动态RAM（DRAM）更快，也更贵。SRAM常用于高速缓存存储器，DRAM用来作为主存储器及图形系统的帧缓冲存储区。

（3）高速缓存（p22）

高速缓存是用来存放当前最活跃的程序和数据，其特点是：容量一般在几千字节到几兆字节之间；速度一般比主存快5~10倍，由快速半导体存储器构成；其内容是主存局部域的副本，对程序员来说是透明的。

• Cache是介于CPU与主存之间的一级存储器，其容量较小，但是速度较快，一般比主存快5~10倍。
• 它的主要作用是：调和CPU的速度与内存存取速度之间的差异，从而提升系统性能。
• Cache使用的是程序的局部性原理，其内容是主存局部域的副本。
• 当CPU需要读取数据时，首先判断要访问的信息是否在Cache中，如果在即为命中，如果不在，就要按替换算法把主存中的一块信息调入Cache中。
• 替换算法有：随机替换算法、先进先出替换算法、近期最少使用替换算法、优化替换算法等。
• CPU工作时给出的是主存的地址，要从Cache存储器中读写信息，就需要将主存地址转换成Cache存储器的地址，这种地址的转换叫做地址映像。

Cache的地址映像有以下三种方法：

• 直接映像：主存的块与Cache块的对应关系式固定的，在这种映像模式下，由于主存中的块只能存放在Cache存储器的相同块号中，因此，只要主存地址中的主存区号与Cache中的主存区号相同，则表明访问Cache命中。
  

  主存地址：

  主存区号	区内块号	块内地址

  优点：地址变换简单。

  缺点：灵活性差，块冲突率高，Cache空间得不到充分利用。例如，不同区号中块号相同的块无法同时调入Cache存储器，即使Cache中有空闲块也无法使用。

• 全相联映像：主存与Cache存储器均分为容量相同的块。允许主存的任一快可以调入Cache存储器的任何一个块的空间中。
  

  主存地址：

  主存块号	块内地址

  优点：灵活，块冲突率低，只有在Cache中的块全部装满后才会出现冲突，Cache利用率高。

  缺点：无法从主存块号中直接获得所对应Cache的块号，变换比较复杂，地址变换速度慢，成本高。

• 组相联映像：是前两种方式的折中。将Cache中的块再分组。组采用直接映像方式而块采用全相联映像方式。主存的任何区的0组只能存到Cache的0组中，1组只能存放到1组中，以此类推。而组内的块可以存放到Cache中相同组的任一快中。
  例如，0区1组3块可以存放到Cache中的1组2块或者1组3块中。

公式：
主存地址位数 = 区号 + 组号 + 主存块号 + 块内地址
Cache地址位数 = 组号 + 组内块号 + 块内地址