内存 | Rye Land

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存储系统的抽象概念

局部性引用

Locality of reference

计算机的一个原则：在程序执行期间，对存储器的访问往往会表现出一定的局部性特征。

时间局部性

Temporal Locality

如果一个数据项被访问，那么不久它很可能会再次被访问。通过利用该性质，可以将频繁使用的数据保留在更快的存储层次结构中，加快访问速度。

空间局部性

Spatial Locality

如果一个数据项被访问，那么与它相邻的数据项也很可能会被访问。程序中数据的顺序性、数组的连续存储和循环访问等特性导致了空间局部性。通过利用空间局部性，可以预取相邻的数据项，以提高缓存命中率和数据访问效率。

内存地址

CPU 访问内存时，必须向内存提供有效地址 (Effective Address, EA）

为了将内存分配给不同的程序，CPU 把内存地址分为若干段，每段有一些内存单元构成。

一个内存单元即一个字节单元，两个地址连续的内存单元可以存放一个字。这两个单元可以看作一个起始地址为 0 的字单元。

将起始地址为的字单元简称为地址字单元

0 地址单元中存放的字节型数据：20H
0 地址字单元中存放的字型数据：4E20H

地址由两部分组成

段地址（Segment address）指出是哪一段

偏移地址（Offset address）指出是段中的哪一个单元

* 16 相当于（二进制）左移 4 位

字节序

Endianness is the order of bytes of a word of digital data in computer memory.

字节顺序与存储地址顺序相对应的两种模式

但是不管是大端还是小端，数据一定是从内存的低地址依次向高地址读取和写入

假设要存一个数据 0x1234（十六进制），其二进制表示为 0001 0010 0011 0100

大端序

big-endian

低地址存放高字节数

地址： 0x1000 | 0x1001 数据： 00010010 00110100

小端序

little-endian

低地址存储低字节数

地址： 0x1000 | 0x1001 数据： 00110100 00010010

内存构成

主存

Main Memory：大部分由 DRAM 构成

在一般的上下文中，当提及 “Memory” 时，通常默认指的是主存，而忽略了缓存和外存

缓存

Cache Memory：由 SRAM 构成，保存的是主存中的一部分数据

当 CPU 要访问数据时，它会同时发送地址给主存和缓存

如果在缓存中找到了想要的数据，则由缓存直接返回数据给 CPU

如果没有找到，则由主存返回数据给 CPU，同时会将该数据复制一份给缓存

映射模式

🧐 如何将数据从主存复制到缓存中，并确定缓存中的数据与主存中的哪些数据对应？

直接映射

Direct Mapped Cache

在这种模式下，缓存被组织为存储单个主存页面的副本 (Organised to contain a copy of a single page of memory)，即

缓存被划分为一系列的缓存行 (Cache Line，缓存中的最小存储单元)，每个缓存行可以存储一个数据块片段

主存被划分为一系列的主存块，每个主存块的大小与缓存行相同，主存中的特定行始终映射到缓存中的同一行

例

80386 处理器有 32 位地址总线和 32 位数据总线，即可访问 bytes 数据

缓存控制器将 4GB 的内存视为131072 个页面

缓存目录存储了每个缓存行的页面位置（主存）信息，称为标记（tag）

如果处理器在不同页面之间频繁切换，会导致缓存失效频繁，称为缓存抖动（Cache Thrashing），从而降低系统性能。

地址线的划分

A15-A32：用于设置主存中的页面 (page)

A5-A14：用于设置缓存中的块号 (block number)

A2-A4：用于设置块中的行号 (line number)

每 4 字节称为一行

A0-A1：用于设置行中的具体字节 (bytes)

双路组相联

Two-Way Set Associative Cache

缓存被分成多个组，每组可以容纳两个缓存行，每组中的两个数据块称为相联行 (Way)

如果其中一个缓存行的标记与标记位匹配，则发生了缓存命中，可从相应的缓存行读取数据。如果两个缓存行的标记都不匹配，则需要从主存中获取所需数据，并更新缓存行

这种方式可以快速在不同页面之间进行切换，减少 "thrashing" 的可能性

全相联缓存

Fully Associative Cache

缓存中的每个缓存行可以存储任意的主存块

与其他缓存映射方式不同，全相联缓存不需要特定的组索引或组的概念

每个缓存行都有一个标记位，用于标识所存储的主存块的地址

写入策略

Write Policies：决定了当处理器执行写操作时，数据是如何被写入缓存和主存的

写直通

Write-through

数据被写入缓存的同时也被写入主存，保持了缓存和主存的一致性

写操作需要等待主存写入完成，可能会增加写操作的延迟，即受限于主存的访问速度

读操作的速度不受主存的延迟影响，可以从缓存中快速获取数据

写回

Write-back

当进行写操作时，缓存中的数据被更新，但主存中不会立即更新

该缓存行被标记为 dirty 缓存行

由于新的数据需要存储在该缓存行中，缓存控制器会将这个脏缓存行的数据写回到主存中相应的位置，为新的数据让出空间

减少写入主存的次数，提高写操作的性能，但会导致缓存和主存之间的不一致

直接内存访问

Direct Memory Access, DMA

在一般情况下，内存的访问需要 CPU 操作内存控制器。如果需要传输大量数据时，可以让 I/O 设备与计算机内存进行直接数据交换，无须 CPU 的介入。这种技术在帧捕获卡 (frame grabbers) 和声卡 (sound cards) 等设备上使用。

文本模式

Direct Access To Screen Memory

具体代码详见 Lab5 Part2

在计算机系统中，文本屏幕是通过内存映射 (memory mapped) 的方式进行显示的，每个字符都对应着内存中的一个特定地址。对这些内存地址进行读写操作，可以直接实现对文本屏幕内容的显示和修改。

在能显示 80*25 个字符的文本屏幕中，内存地址按从左到右、从上到下的顺序连续排列。

屏幕上的每个字符位置由两个字节定义 （左上角字符位于内存地址 B8000，右边的下一个字符位于 B8002，依此类推，字符之间的地址增量为 2 个字节）

To locate the memory addresses for a specific character position (x,y) on screen you would need to do the following

第一个字节定义文本的位置 Character Address = 0x8000 + (2 * 80 * y)+ x

第二个字节定义文本外观 Attribute Address = 0x8000 + (2 * 80 * y)+ x +1

虚拟内存

Virtual Memory

主存储器是实际可用的物理内存大小，虚拟内存系统将外部存储器中的页面交换到主存储器中。

缺点是访问速度慢，可能会有高达100,000 个时钟周期的延迟。

在较早的系统中，虚拟内存的实现可能存在安全问题，导致敏感数据被泄露。