存储器系统 - 软考备战（六十一）
存储器系统
目录
第一章：主存储器（RAM与ROM的家族树）
1.1 RAM家族（断电即忘）
SRAM（静态RAM）
只要不断电，数据就一直稳如泰山。
特点：极快、极贵、集成度低（容量小）。
★ 唯一绑定： “做 Cache（高速缓存）用”，选 SRAM。
DRAM（动态RAM）
用电容存数据，电容会漏电，所以必须每隔几毫秒“充电”一次（这叫刷新）。
特点：较慢、便宜、集成度高（容量大）。
★ 唯一绑定： “做主存（内存条）用”，选 DRAM。（你买的DDR4、DDR5内存条，本质都是DRAM的升级版）。
1.2 ROM家族（断电不丢，只读家族的“进化史”）
掩膜ROM
厂家生产时直接写死，你永远改不了。
PROM
你可以写一次，写完就变掩膜ROM了（好比一次性刻录光盘）。
EPROM
可以改多次，但改之前要拿“紫外线灯”照半天（芯片上有个透明的玻璃窗），极其麻烦。
EEPROM（E²PROM）
升级了，加电就能擦除改写，不用拿紫外线照了（常用于早期的BIOS芯片）。
★ Flash Memory（闪存）
EEPROM的终极进化版。断电不丢，读写极快，体积小。
应用：U盘、SD卡、固态硬盘（SSD）。
第二章：辅助存储器（磁盘计算与RAID阵列）
2.1 磁盘存储器
结构概念
盘片有正反两面（记录面），面上有许多同心圆（磁道），最外圈是0道。多个盘片上同一个位置的磁道组成一个“柱面”。
★ 存储容量公式
非格式化容量 = 位密度 × 最内圈周长 × 总磁道数（一般不考）
格式化容量 = 磁道数 × 扇区数 × 每扇区字节数（通常是512B） × 记录面数
注：也可以用 柱面数 × 扇区数 × 512B × 记录面数，结果一样。
★ 时间参数
寻道时间（找磁道）：机械臂移动，最慢。
旋转等待时间：盘片转，等那个扇区转到磁头下面。平均等待时间 = 磁盘转一圈时间 ÷ 2。
数据传输时间：真正读数据，相对较快。
2.2 ★ RAID 磁盘阵列
RAID 0
把数据切成小块，分散存到多个盘上（条带化）。
没有冗余，没有容错。坏一块盘，全盘皆输。优点是最快。
RAID 1
两张盘存一模一样的数据（镜像）。
最安全，但容量利用率只有 50%（买100G只能用50G）。
RAID 5
也是条带化，但额外算出一份“奇偶校验数据”，分散存放在各个盘里（没有 dedicated 专用校验盘）。
特征：
至少需要 3块盘。
允许坏 1块 盘（坏了拿校验码算回来）。
利用率 = (n-1)/n。
RAID 6
类似RAID 5，但算了两份独立的校验数据。
允许同时坏 2块 盘。
RAID 10 (1+0)
先做RAID 1（镜像），再做RAID 0（条带）。
兼顾了速度和安全，但成本极高。
第三章：Cache 存储器
3.1 为什么要有 Cache？
因为 CPU 太快了，内存太慢了。
为了不让 CPU 干等内存，在 CPU 内部塞了一块极小但极快的 SRAM，这就是 Cache。
程序的局部性原理（理论基础）
时间局部性
刚刚被访问过的数据，很快还会被访问（比如 for 循环里的变量 i）。
空间局部性
被访问数据附近的数据，很快也会被访问（比如遍历数组，存的是连续地址）。
3.2 地址映射方式（主存块怎么放进Cache里）
直接映射
主存里的第 X 块，只能放在 Cache 的第 Y 块（Y = X mod Cache块数）。
规矩死，容易冲突（明明Cache有空位，但因为不是它的“专属坑位”而放不进去）。
全相联映射
主存的块，爱放哪个Cache坑位放哪个。
极其灵活，不冲突，但找起来太慢（电路复杂）。
组相联映射
折中方案。先把Cache分组，组内全相联（随便放），组间直接映射（固定死）。
“n路组相联”（把Cache分成若干组，每组里有n个坑位，这n个坑位内可以随便放）。
3.3 Cache 的替换算法
当 Cache 满了，又要放新数据进来，踢谁？
LRU（最近最少使用）
把“最久没被碰过”的数据踢出去。（比如A是10分钟前用的，B是1分钟前用的，踢A）。
FIFO（先进先出）
把“最早进来”的踢出去。简单粗暴，但可能把常用的老数据踢掉。
RAND（随机）
随便踢一个，靠运气。
3.4 Cache 的写策略（如何与主存保持数据一致）
CPU 修改了 Cache 里的数据，主存里的数据怎么办？
写命中时（要改的数据在Cache里）
全写法
改 Cache 的同时，也把主存改了。慢，但一致性好。
写回法
只改 Cache，不立刻改主存。只有当这个块要被踢出 Cache 时，才写回主存。
快，但要给每个块加一个“脏位”，标记它被改过。
写不命中时（要改的数据不在Cache里）
写分配
把主存这块数据先调到 Cache 里，再在 Cache 里改（通常配合写回法）。
非写分配
不调入 Cache，直接去主存里改完拉倒（通常配合全写法）。
3.5 Cache 命中率与平均访问时间
核心公式
命中率 h = Cache命中次数 / (Cache命中次数 + 访问主存次数)
平均访问时间 Ta = h × Tc + (1 - h) × Tm
(Tc 是 Cache 的存取时间，Tm 是主存的存取时间)
同时查找 vs 顺序查找
顺序查找（先查Cache）
用上面那个标准公式。如果没命中，浪费了查Cache的时间。
同时查找（现代计算机常用）
CPU 发出请求后，Cache和主存同时开始找！
如果是同时查找，整体时间取决于谁慢，也就是 Ta 不可能超过 Tm。
第四章：例题总结
对口绑定
主存用 DRAM，Cache 用 SRAM。
RAID特征
看到“允许坏1块，利用率(n-1)/n” ➡️ RAID 5；
看到“安全性最高，利用率50%” ➡️ RAID 1。
替换算法
替换算法不用纠结，99%的题考的都是 LRU（最近最少使用）。
写回法标志
看到题目提到“脏位”这个词 ➡️ 立刻联想到 写回法。
容量计算易错点
算磁盘容量时，别忘了乘以“记录面数”（正反两面，通常是2），但不要乘以磁头数（因为磁头数通常就等于记录面数，乘了就重复了）。
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