深入理解计算机系统之存储系统

存储器的层次结构

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，其成本与层次结构最底层的便宜的存储设备相当，接近于最高层的存储设备的高速率。

随机访问存储器分为静态和动态两类。静态存储器（SRAM）用来作为高速缓存存储器。动态存储器（DRAM）用来作为主存和图形系统的帧缓冲区。SRAM的每个单元是有一个六晶体管电路（双稳态存储单元）来实现的，可以无限期的保持在两个不同的电压（0和1）配置，抗干扰能力强。DRAM通过对电容的充放电表示每一位的存储，DRAM单元在很短的时间内会是去电荷，所以要不断的充电刷新，且对噪声十分敏感，当电压被扰乱后就不会恢复了。SRAM比DRAM存取速度快，但是集成度低，成本高，功耗大。

随机访问存储器属于易失性存储器，有一类非易失性存储器（ROM），在断电后仍然能保存它们的信息。以能重复编程的次数和它们重复编程的机制来划分：PROM（可编程ROM）只能被编程一次。可擦写可编程ROM：EPROM光可擦除；EEPROM电子可擦除。flash（闪存）基于EPROM，是一种重要的存储技术。存储在ROM中的程序的称为固件，当计算机启动之后，会先运行ROM中的固件。

为什么有不同的存储结构：

1.CPU速度的提高，使CPU与主存之间的传输速度差别拉大，为了弥补CPU与存储设备的存取速度差别，同时降低存储器成本，设计了存储器的层次结构，使其成本与便宜的底层的存储设备相当，速度接近于昂贵的最高层的存储设备。

2.程序往往都有展现出局部性，利用局部性的特点设计的存储器层次结构，缓存经常运行的指令和数据。

存储器层次结构

L0：寄存器

L1：L1高速缓存，分icache和dcache。

L2：L2高速缓存

L3：L3高速缓存

L4：主存

L5：本地二级存储（本地磁盘）

L6：远程二级存储（分布式文件系统、web服务器）

高速缓冲存储器cache

数据总是以快大小为传送单元，相邻层次之间的块大小是固定的，其他层次之间有不同的块大小。

缓存管理：编译器管理寄存器文件，L1/L2/L3的缓存由内资在缓存中的硬件逻辑来管理，虚拟存储器系统中，DRAM作为存储在磁盘上的数据块的缓存，由操作系统和地址翻译硬件MMU来管理。

高速缓存地址和数据的映射方式分为直接映射高速缓存、组相联高速缓存、全相联高速缓存。高速缓存通过组选择和行匹配确定一个请求是否命中，m位的地址被解释成t位标记，s位组索引和b为块偏移。组索引确定地址映射在高速缓存的哪一组中，在确定了组之后，通过有效位的判断和标记的匹配，确定数据存在哪一行中。块偏移确定数据的在高速缓存块中的起始地址，这一步叫字选择。

直接映射告诉缓存每组只有一行，全相联高速缓存只有一组，组相联高速缓存是两者的折中。

高速缓存参数的性能影响

高速缓存大小：较大的高速缓存能提高命中率，但会增加命中时间(包括组选择，行确认和字选择)。高速缓存大小的性能影响对L1很重要，L1的命中时间要很短才能匹配CPU的速度。

块大小的影响：较大的块能利用程序的空间局部性提高命中率，但是不利于时间局部性好的程序，同时较大块的数据传送时间也很大，不命中处罚也就大。现代系统的高速缓存快大小为32-64字节。

相联度的影响：较高的相联度降低了冲突不命中出现抖动的可能性，但是会造成较高的成本，因为需要更多的标记位和额外的LRU位和额外的控制逻辑。因为复杂性增加了，命中时间和不命中处罚也增加了。

虚拟存储器