局部性原理

• 上篇讲了RAM易失型存储器，只能在有电情况下存储，掉电时数据消失。并引入了SRAM、DRAM，DRAM是计算机主存的主要技术，成本较低，只需要1个晶体管+一个电容；SRAM成本高，需要6个晶体管构成单元，速度快，性能好，应用在高速缓存和空间计算机上

一种非易失性存储器：磁盘

• 磁盘包括多个盘片，每个盘片有两个面。每个面有多个同心圆，称为磁道，每个磁道又分为多个扇区。扇区是最基本的读入读出单位。

密度定义	内容
记录密度	同心圆周长方向上，单位长度能存储的容量
磁道密度	磁盘半径方向上，单位长度能存储的容量
面密度	每个同心圆单位面积能存储的容量，等于记录密度和磁道密度的积

• 扇区是最基本的读入读出单位，每个扇区存储容量相同。如所有磁道等分扇区，必须以最内部同心圆为单位（最小的），这样外边的就会有浪费；若每个扇区分别记录其容量，又太麻烦。因此我们提出了记录区的概念，让周长相近的同心圆位于同一记录区，记录区内的扇区等分。这是存储容量和管理灵活度上的折中（trade-off）

磁盘中扇区如何访问

• 在平面上，读写头不挨着磁盘，但是距离磁盘很近。读写头通过沿半径方向前后滑动，来访问不同磁道；
• 在立体上，一个读写头在一个瓷面上。从这里也能看到柱面的概念：所有读写头连到一个读写臂上，故而所有磁头在一个柱面上

扇区访问过程：磁头位于起始位置上，磁头不动，盘旋转，等扇区划过磁头，数据就被读出来。扇区的访问分为三个过程

过程	介绍
寻道	磁头沿半径方向内外移动，寻找下个扇区所在磁道。在磁头移动的同时，扇区也在旋转。但是寻道完成后，一般扇区不会到达磁头位置
旋转	等待扇区起始位置旋转到磁头位置
读取	扇区划过磁头，完成读写

• 因此，对于扇区访问需要寻道、旋转和读取三个时间，总时间为三个时间的平均值之和。（这三个值都是不确定的，因此我们取平均值）如寻道，磁头位置和读取的扇区位置可能在同一磁道，也可能位于圆心和圆边，取平均值为半个半径。旋转扇区可能在磁头11点方向，也可能在1点方向，取平均值半圈，位于六点钟方向。传输，由于记录区的存在，不同扇区的长度可能不同，故而划过扇区花费的时间不同，取平均时间
• 寻道时间大约为3~9ms，比较慢（与之相比，处理器的时间是ns级）；旋转时间大约为4ms，（现代计算机的磁盘转数一般7200r/min）；传输大约为0.02ms，一个磁道平均有400个扇区故而一圈时间/400；平均总时间为13.02ms
• 由上可见，整个扇区访问的大量时间在寻道、旋转上，故而访问扇区的第一个比特代价是最昂贵的（找到这个扇区时间开销最大）。因此理想情况是能让磁头连续读取相邻扇区，这样就只需找到第一个扇区要花费寻道和旋转的时间
• 由上也能看出，内存的访问时间远快于硬盘。SRAM为4ns，DRAM为60ns，磁盘则是ms级

逻辑扇区号

• 应用程序对磁盘读写时，根据扇区号进行访问。扇区号编号有两套，分别为物理扇区号和逻辑扇区号。物理扇区号可以描述出扇区在磁盘的绝对位置。而访问扇区却根据逻辑扇区号

为何访问扇区根据逻辑扇区号

• 每个扇区有寿命，一段时间后会坏掉；而且无法保证每个扇区生产出来都是正常的。因此磁盘生产厂商只提供一部分扇区作为磁盘容量，会留一部分作为预留区。容量里可能有一部分开始就是坏的，或者后来的使用过程中坏了。此时我们使用预留区，将损坏的i扇区号映射到预留空间。这样，从物理角度看，i扇区坏了；但是从逻辑角度，i仍然可以使用。从而延长了磁盘寿命。

wear-leading：负载均衡

• 对磁盘中某些频繁读写的热点，由于频繁读写，寿命会降低。而预留区是有限的，当预留区用完后，再有扇区损坏，就没法再正常工作（没有空闲区域替换）。但此时这个磁盘只有20%频繁使用的损坏，其余80%基本不用，仍然没坏。
• 所以我们引入了负载均衡概念，向i写入数据时，不一定真的写入i或者对应的预留区。而是再进一步扩展，不是向i，而是向寿命最高的写入。这样在逻辑上对一个频繁写入，而实际上却是对多个物理扇区写入，将使用率平均化。
• 负载均衡算法，确保写入时均衡分配到各个扇区上

dma协处理器

• 桥分为低速和高速，磁盘就是低速设备。当CPU通知磁盘访问那个扇区，将此扇区内容传输到内存某个对应位置时。尽管CPU是冯诺依曼体系结构的核心，理论上所有操作都要经过CPU，但是磁盘数据到内存没有经过CPU。这是由于dma直接内存访问机制的存在，对于简单的数据搬运操作，不经过CPU而由dma协处理器完成，从而给CPU留出更多时间去做复杂运算。但是dma协处理器做数据搬运时会占据总线，因此此时如果涉及内存访问，CPU也会停下来（此时总线被dma占用）。因此CPU此时不是所有操作都能做，但是现代高速缓存的引入有效解决了这个问题

固态硬盘：SSD

• 采用闪存技术实现，以flash为基本储存单位。在内部以块和叶为单位存储。一个块含有32~128页，一页大约是4~512KB。
• 块是擦除的基本单位，页是读写的基本单位。因此若修改一个页，必须修改整个块，先将所有页复制，然后修改要修改的页，最后还原不需修改的页。故而SSD的读非常快，写却很慢。
• SSD以半导体形式存储，寿命低于磁盘，大约读写一万次，因此也要考虑负载均衡

SSD和磁盘区别

SSD物理上更加坚固结实，不怕震荡；半导体构成，耗电少；但是读写寿命不如磁盘，价格也要更高

几种存储技术的发展趋势

| 类型 | 内容 |
| --- | --- |
| SRAM | 单位存储容量成本减为320分之一，访问时间提高200倍，容量64k到800mb，提升高|
| DRAM |单位容量成本130000分之一，访问时间（性能）提高9倍|
| 磁盘 | 成本下降160万倍，性能提高29倍 |

• 随着计算机技术发展，存储成本下降，性能提高。但是CPU在同期性能提高了一万倍，处理器性能提升速度远远高于储存器提升速度，存储器和处理器速度差距越拉越大。所以导致现代计算机体系结构的重要问题，不是处理器能否快速处理指令，而是存储器不能及时提供指令和数据。存储瓶颈是现代计算机体系结构的最重要问题

局部性原理

• 我们采用局部性原理来解决存储瓶颈问题：对于应用程序来讲，有这样一种趋势，程序总是趋向于访问最近已经使用过的指令或数据，或者附近的指令或数据。
• 从两个纬度分析，时间局部性原理：这个指令或数据刚刚被用过，在不远的时间内可能被再次用到；空间局部性原理：刚刚访问的指令数据，其附近的指令数据在不远的时间内被访问到

例子

• 在上边for循环中，数组访问这一操作具有空间局部性，对于数组数据而言则有空间局部性；对于sum数据的访问具有时间局部性，从指令角度，指令的顺序执行本身就有空间局部性
• 存储器越快，容量越小（容量变大的话，成本高，功耗大，散热大，芯片可能破坏）

存储器层次结构

• 快速设备做不了太大，而CPU、主存的速率差距越拉越大，因此在CPU与主存间做一个存储设备。由于程序有良好局部性特征，尽管内存占用大，但是频繁使用的存储热区实际上是非常小的存储空间，我们将这部分热区放到最快的存储设备。
• 存储器层次结构是金字塔形状，这种层次结构可以设计并优化性能是基于缓存的基本思想

缓存思想

一个更小更快的设备把大而慢的设备的一个子集存储起来，这个子集必须为是使用频率最高的子集，从而提升存储器速度。值得注意的是，顶层设备不是存储新的数据，而是存储下一层设备中存储的，但是是最常用的。

在上边，我们从存储器发展趋势看出存储器和处理器的性能差距越拉越大，导致系统中的存储瓶颈现象，为了解决瓶颈现象，我们提出了存储器层次结构这一解决方法，存储器层次结构能解决存储瓶颈的理论支持是局部性原理，工作机制是缓存这一工作机制。