csapp-计算机存储

CSAPP- P6 计算机存储

​ 计算机系统中，CPU进行执行指令，存储器系统用来为CPU存储指令和数据。

​ 存储器系统是一个具有不同容量，成本和访问时间的多层次结构。

1. 靠近CPU的高速存储器(cache memory)
2. 主存(main memory)
3. 磁盘（Disk）

存储技术

1.随机访问存储器(Random-Access Memory)

​ 随机访问存储器分为静态(SRAM)和动态(DRAM)两类，静态RAM更快，但是更贵。在生产中SRAM长用作高速缓存存储器，在CPU芯片上使用，DRAM长用来作为主存或图片系统的缓存设备；

一个传统的DRAM的结构如图所示，内存会传输行地址，列地址到DRAM芯片，芯片会传输该路径的内容返回到控制器。

​ 内存控制器通过先发送行地址，DRAM将行数据赋值到内部行缓冲区，再从行缓冲区中复制列信息作为相应。由于行和列信号共享引脚，这样设计有效的降低了引脚的数量。

2. 访问主存

​ 数据流通过总线（Bus）在处理器和DRAM之间进行来回。每次CPU和主存之间的数据都通过总线事务来进行传输。

​ 总线实际上是并行的导线，携带地址，数据，控制信号。

CPU执行 move A, %rax 时发生了什么？

1.CPU的总线接口在电路总线上发起读事务。

1）CPU将地址A放在系统总线上。

2）I/O桥将信号传递到地址总线。

3）主存感知到总线上的地址信号，从内存总线读地址，获取数据，并回写至内存总线；

4）CPU将内存总线会传，并翻译过的数据回写至寄存器。

3.磁盘存储

机械磁盘

盘面 + 磁道 + 扇区共同定位block的传统结构，具体细节不在赘述

固态硬盘(Solid State Disk)

​ 一种基于闪存的存储技术。一块封装好的SSD由一个or多个闪存芯片和闪存翻译层(flash translation layer)组成。

局部性原则(locality)

​ 程序倾向于引用已经引用过的数据临近的数据，这被称为局部性原理。

存储器层次结构

存储器层次结构下的缓存

​ 层次中的每一层都缓存来自下一层的数据对象。如，主存为磁盘上的数据缓存，高速缓存为主存做缓存。

​ 如图展示了存储器层次结构中缓存的一般性概念。第k+1的存储器被划分为练粗的数据对象组块(chunk)，称其为(block)。每个block存在标记，区分于其他块，块可以是固定大小的，也可以是可变大小的。

​ 第K层会以block为基本单元缓存K+1层的数据。数据总是以block大小为传送单元(transfer unit)在两层之间复制。

缓存命中

​ CPU想要取K+1的某个block数据，如果在K层缓存，就直接取出返回即可。

缓存不命中

​ 如果缓存不命中时，会去k+1层将数据返回，并缓存至k层；

​ 如果k层已经全部缓存，则需要驱逐一块，具体驱逐哪一块存在两种策略。常用的是随机替换和 LRU两种策略。

​ 缓存不命中存在不同的情况：

1. 如果k层的缓存是空的，则对任何数据对象的访问都会不命中。一个空的缓存有时会被称为冷缓存(cold cache)，此类不命中，表示其是存储系统往往是处于初始化or其他非常态的情况，是一个短暂态，不会在反复访问存储器，使得缓存稳定后出现。
2. 只要发生了不命中，缓存系统就必须执行放置策略，来确定将K+1层的数据放置在哪里。高层的缓存是使用硬件来实现的，速度是最优的。硬件缓存通常是使用更严格的放置策略，将K+1层的某个块限制放置在第k层块的第一个小的子集中。（实际就是硬件上，k+1层的block，每次会映射到k层的固定几个位置）。但是这样就会引发冲突不命中(conflict miss)问题。

高速缓存存储器

​ 一个计算机系统中，每个存储器地址有m位，形成M = 2 ^ m 个不同的地址。每个机器的高速缓存被组织成一个有S = 2 ^ s 个高速缓存组(cache set)的数组。每个数组包含E个高速缓存行(cache line)。每个行是由一个B = 2 ^ b字节的数据块组成的。一个有效位(valid bit)指明该行是否包含有意义的信息。 t = m - (b + s)个标记位(tag bit) ，作为该块的唯一标志位。

可以用这样的形式组织(S,E,B,m); S 个cache sets, 每个set E 行，每行数据块为B字节，总计m个地址。

​ 当CPU从主存地址A读一个字时，其会将地址发送至高速缓存，如果已经被缓存，则立刻返回。高速缓存可以通过地址位检查，就能快速的校验数据是否被缓存。 简单的工作原理如下：

​ 参数S和B将m个地址位分为三段，地址A中的s位，让我们确定在那个组中，t中告知我们在那个行中存在该字，block位，告知字在整个block中的偏移量，协助我们定位到字。![截屏2023-03-07 12.24.30](/Users/alberthaoluchen/Library/Application

直接映射高速缓存

当cache set中仅存在一个行时，被称为直接映射高速缓存。通过这个简单的模型，来对工作原理进行解析。

​ 假设存在一个系统，存在一个CPU，一个寄存器文件，一个L1高速缓存和一个主存。当CPU执行一条读内存字w的指令，它向L1高速缓存请求这个字，如果L1高速缓存存有一个w的副本，则命中返回。否则L1则向主存请求w。请求的过程可以分解成三步：1）组选择；2）行匹配 ；3）字抽取。

1.组选择

从地址w中抽取出s位，作为组索引位。可以将cache sets看作一个一维数组，那么我们就能通过索引选择目标组；

2.行匹配

当选择组中的行，有效位为1 且 标记位 和 地址中标记位一致时，命中目标行

3.字匹配

如上图，偏移量决定了目标字地址，将其内容返回。