第六章------存储器层次结构

第六章------存储器层次结构

1.随机访问存储器

      随机访问存储器(Random-Access Memory，RAM)分为两类:静态的和动态的。静态RAM(SRAM)比动态RAM(DRAM)更快，但也贵得多。SRAM用来作为高速缓存存储器，既可以在CPU芯片上，也可以在片下。DRAM用来作为主存以及图形系统的帧缓冲区。典型地，一个桌面系统SRAM不会超过几兆字节，但是DRAM却有几百或几千兆字节。

      ● 静态RAM

      SRAM将每个位存储在一个双稳态的存储器单元里。每个单元使用一个六晶体管电路来实现的。由于SRAM存储器单元的双稳态特性，只要有电，它就会永远的保持它的值。即使有干扰(例如电子噪音)来扰乱电压，当干扰消除时，电路就会恢复到稳定值。

      ●动态RAM

      DRAM将每个位存储为对一个电容的充电。在这个电容非常小，通常只有大约30毫微法拉。与SRAM不同，DRAM存储器对于干扰非常敏感。 当电容的电压被干扰之后，它就永远不会恢复了。暴露在光线下会导致电容电压改变 。实际上，数码照相机和摄像机中的传感器本质上就是DRAM单元的阵列。

      幸运的是，计算机运行的时钟周期是以纳秒来衡量的，所以相对而言这个保持时间是比较长的。内存系统必须周期性的通过读出，然后重写来刷新内存的每一位。

2.访问主存

      数据流通过称为总线的共享电子电路在处理器和DRAM主存之间来来回回。每次CPU和主存之间的数据传送都是通过一系列步骤来完成的，这些步骤称为总线事务。读事务从主存传送数据到CPU。写事务从CPU传送数据到主存。

      总线是一组并行的导线，能携带地址、数据和控制信号。

      下图展示了一个示例计算机系统的配置。主要部件是CPU芯片、我们将称为I/O桥接器(I/O)的芯片组(其中包括内存控制器)，以及组成主存的DRAM内存模块。这些部件由一对总线连接起来，其中一条是系统总线，它连接CPU和I/O桥接器，另一条总线是内存总线，它连接I/O桥接器和主存。I/O桥接器降系统总线和内存总线连接到I/O总线，像磁盘和图形卡这样的I/O设备共享I/O总线。

3.磁盘存储

       磁盘是广为应用的保存大量数据的存储设备，存储数据的数量级可以达到几百到几千兆字节，而给予RAM的存储器只能有几百或几千兆字节。不过，从磁盘上都信息的时候为毫秒级，比从DRAM读慢了10万倍，比从SRAM读慢了100万倍。

      1）磁盘构造

       磁盘由盘片构成的。每个盘片有两面或者称为表面，表面覆盖着磁性记录材料。盘片中央有一个可以旋转的主轴，它使得盘片以固定的旋转速度旋转，通常是5400~15000转每分钟。

      下图a展示了一个典型的磁盘表面的结构。每个表面由一组称为磁道的同心圆组成的。每个磁道被划分为一组扇区。每个扇区包含相等数量的数据位(通常是512字节)，这些数据编码在扇区上的磁性材料中。扇区之间由一些间隙分隔开，这些间隙中不存储数据位，间隙存出用来标识扇区的格式化位。

       磁盘是由一个或多个叠放在一起的盘片组成的，它们被封装在一个密封的包装里，如下图b，整个装置通常被称为磁盘驱动器，我们通常简称为磁盘。有时也称为旋转磁盘，以使之区别于基于闪存的固态硬盘(SSD)。

    2）磁盘操作

       如下图，磁盘用读/写头来读写存储在磁性表面的位，而读写头连接到传动臂一端，如下图所示，通过沿着半径轴前后移动这个传动臂，驱动器可以将读/写头定位在盘面上的任何磁道上。这样的机械运动称为寻道。一旦读/写头定位到了期望的磁道上，那么当磁道上的每个位通过它的下面时，读/写头就可以感知这个位的值(读该位)。

       当操作系统想要执行一个I/O操作时，例如读一个磁盘扇区的数据到主存，操作系统会发送一个命令到磁盘控制器，让它读某个逻辑块号。控制器上的固件执行一个快速查表查找，将一个逻辑块号翻译成一个(盘面，磁道，扇区)的三元组，这个三元组唯一地标识了对应的物理扇区。控制器上的硬件会解释这个三元组，将读/写头移动到适当的柱面，等待扇区移动到读写/头下，将读/写头感知到的位放到控制器上的一个小缓冲区，然后将它们复制到主存中。

4.存储器层次结构

        1）下图是一个典型的存储器层次结构 ，一般而言，从高层往底层走，存储设备变得更慢、更便宜和更大。在最高层（L0），是少量快速的CPU寄存器，CPU可以在一个时钟周期内访问它们。

       

       2）存储器层次结构中的缓存

       一般而言，高速缓存(cache)是一个小而快速的存储设备，它作为存储器更大、也更慢的设备中的数据对象的缓冲区域。使用高速缓存的过程称为缓存。

       存储器层次结构的中心思想是，对于每个K，位于k层的更快更小的存储设备作为位于k+1层的更大更慢的存储设备的缓存。换句话说，层次结构中的每一层都缓存来自较低一层的数据对象。

       类似的，第k层的存储器被划分成较少的块(第k+1层的存储器被划分成连续的数据对象组块(chunk)，称为块(block))的集合，每个块的大小与k+1层的块的大小一样。在任何时刻，第k层的缓存包含第k+1层块的一个子集的副本，如下图所示，第k层的缓存有4个块的空间，当前包含块4、9、14和3的副本。

       

       缓存命中和缓存不命中： 当程序需要第k+1层的某个数据对象d时，它首先在当前存储在第k层的一个快种查找d。如果刚好缓存在第k层中，那么就是我们所说的缓存命中，否则为缓存不命中。