信息安全设计基础第七周学习总结

第六章 存储器层次结构

序言：

存储器系统是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。

CPU寄存器、高速缓存存储器、主存储器、磁盘。

6.1 存储技术

一、随机访问存储器（RAM）

RAM分类：

• 静态的SRAM-更快，更贵，作为高速缓存存储器，CPU片上或片下
• 动态的DARM-作为主存以及图形系统的帧缓冲区

传统的DRAM

存储控制器一次传入或传出w位。

存储器模块

DRAM芯片包装在存储器模块中，是插在主板的扩展槽上的。

非易失性存储器——ROM

RAM断电丢失数据，是易失的；

ROM是非易失的，统称为只读存储器

（1）分类

• PROM-可编程ROM，只能被编程一次
• EPROM-可擦写可编程ROM
• EEPROM，电子可擦除PROM，能够被编程的次数的数量级在10的五次方。
  •  

（2）闪存FLASH

基于EEPROM，为大量的电子设备提供快速而持久的非易失性存储。

（3）固件

存储在ROM设备中的程序通常被称为固件，当一个计算机系统通电以后，他会运行存储在ROM中的固件。

l  访问主存

（1）总线    一组并行的导线，能携带地址、数据和控制信号。

总线分类：

l  系统总线——连接CPU和I/O桥

l  存储器总线——连接I/O桥和主存

l  I/O总线

二、磁盘存储

1.磁盘构造

• 盘片
• 表面：每个盘片有两个表面
• 主轴：盘片中央，可旋转
• 旋转速率：通常5400~15000/min
• 磁道：同心圆们
• 扇区：每个磁道被划分为一组扇区
• 数据位：每个扇区包含相等数量的~，通常为512字节
• 间隙：存储用来标识扇区的格式化位
• 磁盘驱动器-磁盘-旋转磁盘
• 柱面：所有盘片表面上到主轴中心的距离相等的磁道的集合。
• 记录密度-位/英寸
• 磁道密度-道/英寸
• 面密度-位/平方英寸

2.磁盘容量——一个磁盘上可以记录的最大位数

（1）影响因素：

提高面密度即可提高容量。

（2）现代大容量磁盘——多区记录

一个区中的每个柱面的每条磁道都有相同数量的扇区，这个扇区的数量由该区中最里面的磁道所能包含的扇区数确定

3.磁盘操作 磁盘以扇区大小的块来读写数据。

访问时间的分类：

（1）寻道时间——移动传动臂所用的时间。

（2）旋转时间——驱动器等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头下

平均旋转时间是最大值的一半。

（3）传送时间

访问一个磁盘扇区内容的平均时间为平均寻道时间，平均旋转延迟和平均传送时间之和。

结论：

1.主要时间是寻道时间和旋转延迟。

2.将寻道时间x2是估计磁盘访问时间的简单而合理的方法。

3.逻辑磁盘块

盘面，磁道，扇区，这个三元组唯一的标识了对应的物理扇区。

4.连接到I/O设备（I/O总线）I/O总线连接了CPU，主存和I/O设备。

• 通用串行总线USB：2.0最大带宽60MB/S，3.0最大带宽600MB/S
• 图形卡（适配器）
• 主机总线适配器

5.访问磁盘

DMA：直接存储器访问
——设备可以自己执行读或者写总线事务，而不需要CPU干涉

三、固体磁盘

固态硬盘是一种基于闪存的存储技术【区别于旋转磁盘：固态磁盘没有移动的部分。

1.组成

一个SSD包由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层组成

2.读/写

（1）顺序读写

（2）随机读写数据是以页为单位读写的。

6.2 局部性

局部性原理：一个编写良好的计算机程序，常常倾向于引用临近于其他最近引用过的数据项的数据项，或者最近引用过的数据项本身。

分类：时间局部性&&空间局部性

应用：

1.硬件层：通过引入高速缓存存储器来保存最近被引用的指令和数据项，从而提高对主存的访问速度。

2.操作系统级：系统使用主存作为虚拟地址空间最近被引用块的高速缓存，用主存来缓存磁盘文件系统中最近被使用的磁盘块

3.应用程序中：Web浏览器将最近被引用的文档放在本地磁盘上。

一、对程序数据引用的局部性

1.步长为k的引用模式

定义：一个连续变量中，每隔k个元素进行访问，就被称为步长为k的引用模式。

步长为1的引用模式：就是顺序访问一个向量的每个元素，有时也被称为顺序引用模式，它是程序中 空间局部性常见和重要的来源。

一般来说，随着步长增加，空间局部性下降。

二、取指令的局部性

程序指令是存放在存储器中的，CPU必须取出（读出）这些指令。

但是代码区别于程序数据的一个重要属性是：在运行时它是不能被修改的。

三、局部性小结

量化评价一个程序中局部性的简单原则：

• 重复引用同一个变量的程序有良好的时间局部性
• 对于具有步长为k的引用模式的程序，步长越小，空间局部性越好
• 对于取指令来说，循环有好的时间和空间局部性。循环体越小，循环迭代次数越多，局部性越好。

6.3 存储器层次结构

每层存储设备都是下一层的“缓存”

一、缓存

高速缓存：是一个小而快速的存储设备，它作为存储在更大、更慢的设备中的数据对象的缓冲区域。

缓存：使用高速缓存的过程称为缓存。

数据总是以块大小为传送单元在第k层与第k+1层之间来回拷贝。任一对相邻的层次之间块大小是固定的，但是其他的层次对之间可以有不同的块大小。

1.缓存命中

当程序需要第k+1层的某个数据对象d时，首先在当前存储在第k层的一个块中查找d，如果d刚好缓存在第k层中，就称为缓存命中。

该程序直接从第k层读取d，比从第k+1层中读取d更快。

2.缓存不命中

即第k层中没有缓存数据对象d。

这时第k层缓存会从第k+1层缓存中取出包含d的那个块。如果第k层缓存已满，就可能会覆盖现存的一个块

覆盖——替换/驱逐

替换策略：

• 随机替换策略-随机牺牲一个块
• 最近最少被使用替换策略LRU-牺牲最后被访问的时间距离现在最远的块。

3.缓存不命中的种类

（1）强制性不命中/冷不命中

即第k层的缓存是空的（称为冷缓存），对任何数据对象的访问都不会命中。

（2）冲突不命中

由于一个放置策略：将第k+1层的某个块限制放置在第k层块的一个小的子集中，这就会导致缓存没有满，但是那个对应的块满了，就会不命中。

（3）容量不命中

当工作集的大小超过缓存的大小时，缓存会经历容量不命中，就是说缓存太小了，不能处理这个工作集。

4.缓存管理

某种形式的逻辑必须管理缓存，而管理缓存的逻辑可以是硬件、软件，或者两者的集合。

6.4 高速缓存存储器

L1高速缓存：

L2高速缓存：

L3高速缓存：

一、通用的高速缓存存储器结构

高速缓存是一个高速缓存组的数组，它的结构可以用元组（S,E,B,m）来描述

高速缓存的结构将m个地址划分成了t个标记位，s个组索引位和b个块偏移位。

高速缓存的大小/容量C

指所有块的大小的和，不包括标记位和有效位，所以：

C=S*E*B

 

二、直接映射高速缓存

根据E（每个组的高速缓存行数）划分高速缓存为不同的类，E=1的称为直接映射高速缓存，以此为例：

高速缓存确定一个请求是否命中，然后取出被请求的字的过程，分为三步：组选择行匹配字抽取

缓存不命中时的行替换——用新取出的行替换当前的行。

.后运行中的直接映射高速缓存

• 标记位和索引位连起来唯一的标识了存储器中的每个块
• 映射到同一个高速缓存组的块由标记位唯一地标识

直接映射高速缓存中的冲突不命中

（1）抖动：

——高速缓存反复的加载和驱逐相同的高速缓存块的组

（2）原因：

这些块被映射到了同一个高速缓存组。

（3）解决方法：

在每个数组的结尾放B字节的填充（B字节是一个块的长度，一行是一个块，相当于分开了行）从而使得他们映射到不同的组。

组相联高速缓存

E路组相联高速缓存：1<E<C/B

1.组选择

2.行匹配和字选择

形式是(key, value)，用key作为标记和有效位去匹配，匹配上了之后返回value。

重要思想：组中的任意一行都可以包含任何映射到这个组的存储器块，所以告诉缓存必须搜索组中的每一行。

判断匹配的标准依旧是两个充分必要条件：1.有效2.标记匹配

3.行替换

四、全相联高速缓存（E=C/B）

1.组选择

只有一个组，默认组0，没有索引位，地址只被划分成了一个标记和一个块偏移。

2.行匹配和字选择

五、写

1.写命中时，更新低一层中的拷贝的方法：

（1）直写，立即将w的高速缓存块协会到紧接着的低一层中

（2）写回，只有当替换算法要驱逐更新过的块时，才写到紧接着的低一层中

2.写不命中的处理方法

（1）写分配---通常写回对应

加载相应的低一层中的块到高速缓存中，然后更新这个高速缓存块。

（2）非写分配---通常直写对应

避开高速缓存，直接把这个字写在低一层中。

六、真实的高速缓存层次结构：

高速缓存既保存数据，也保存指令。

• 只保存指令的：i-cache
• 只保存程序数据的：d-cache
• 既保存指令又保存数据的：统一的高速缓存
• 不命中率 = 不命中数量/引用数量
• 命中率 = 1 - 不命中率
• 命中时间
• 不命中处罚：因为不命中所需要的额外的时间
• 高速缓存大小：命中率+，命中时间+
• 块大小：空间局部性+，命中率+，高速缓存行数-，时间局部性-，不命中处罚+
• 相联度：E值大，抖动-，价格+，命中时间+，不命中处罚+，控制逻辑+【折中为不命中处罚低的，相联度低，不命中处罚高的，使用高相联度】
• 写策略：越往下，越可能用写回而不是直写

七、高速缓存参数的性能影响

1.性能：

2.具体影响：

存储器山

把存储器系统的性能用关于时间和空间局部性的山表示。

参考资料

• 《深入理解计算机系统》
• 20135202闫佳歆的学习总结
• 百度百科-总线

遇到的问题及解决

1. P384里第一段：DRAM芯片中的单元被分成d个单元，每个超单元都有w个DRAM单元组成。---------------困惑：第一个单元和第二个单元的区别是啥，按理来说应该不是同种单元，但是看着让人觉得歧义，看了好几遍还是很绕
2.  64位双字，ＩＡ３２会称６４位为四字。――――――――６４位是８个字节，双字不是应该是３２位吗？
3. 题-６.１　确定２的幂数的阵列维数是什么意思？　―――――２^n 的意思？
4. 多区记录记录的技术到底是什么样的，百度上，没有找到对应课本的介绍。什么叫做柱面的集合被分割成不相交的子集合。对于磁盘的结构。-------百度百科，硬盘扇区

体会

     本章学习的内容较少，有更多的内容可以看细，但是在看细的过程中，对有些具体内容就并不是理解透彻了，前几章的学习渐渐发现了一些问题，就是有的知识点没有学仔细，考试的时候考到了，却不懂，问同学的时候自己也是听得似懂非懂的。在做家庭作业的时候，越发觉得要把之前的知识点更要仔细看一下，有的知识点，常用的觉得可以适当背一下的。