CSAPP 深入理解计算机系统 第六章存储器

6.1.1随机访问存储器

RAM分为两类：SRAM&DRAM.

速度：SRAM>>DRAM

价格：SRAM>>>DRAM

1.静态RAM（SRAM）

基本单元：双稳态的存储器单元 

原理：六晶体管电路->可以无限制地保存在两个不同的电压配置或状态之一。

特点：抗干扰性强，可迅速在干扰消除时恢复稳定状态。

2.动态RAM（DRAM）

基本单元：一个电容+一个访问晶体管（电容充电-存储每位）

特点：对干扰非常敏感，电容电压被扰乱后，无法恢复。DRAM单元10-100毫秒内会失去电荷

应用：数码照相机&摄像机的传感器

计算机中处理：内存系统周期性读出，重写刷新每一位。

 

3.传统DRAM

组成：单元位有d个超单元组成，每个超单元由w个DRAM单元组成。存储共d*w位信息。超单元排列为r行c列的长方形，rc=d.

 

内存控制器工作原理：a)一次传入w位至DRAM中

                    b)一次从DRAM中传出w位 具体步骤：1.内存控制器发送行地址（RAS）给DRAM,再发送列地址（CAS）(DRAM先讲整行内容复制到一个内部行缓冲区，等待列命令，再把所求i，j单元内容复制到内存控制器中。）

                                                    2.DRAM把超单元的内容（i，j）传给内存控制器.

                    注：若要获得1,2；1,3；1,4内容，必须发送3次行地址，3次列地址，不可合并

 

4.内存模块

DRAM芯片封装在内存模块中，插到主板的扩展槽上。

内存模块基本思想：每个超单元存储主存的一个字节，面对相应超单元地址为(i,j)的8个超单元表示主存中字节地址为64位字。

                  DRAM 0 中存储第一个（低位）字节，DRAM 1 存储下一个，以此类推。

取出内存步骤：目的：取出内存地址A处的一个字

               1.内存控制器将A转换为一个超单元地址（i，j），发送到内存模块

               2.内存模块将i和j广播到每个DRAM中

               3.每个DRAM输出它的（i,j）超单元8位内容

               4.模块中电路手机输出，合并为一个64字，返回给内存控制器。

5.增强的DRAM

• 快页模式（FAST PAGE MODE）DRAM:允许对行地址的重复使用 e.g:（RAS CAS CAS CAS）连续取同一行中不同列数据

• 扩展数据输出（Extended data out）DRAM:快页模式DRAM的增强形式，允许各个CAS信号在时间上靠的紧密一些。

• 同步（Synchrounus）DRAM：常规DRAM与内存控制器通信使用异步信号，SDRAM使用外部时钟信号的上升沿替代原来控制信号。最终效果：SDRAM更快输出超单元内容。

• 双倍数据速率同步 （Double data-rate Synchrounous）DRAM:DDR SDRAM是对SDRAM的增强。

• 视频RAM：使用在图形系统的帧缓冲区。

6.非易失性存储器

断电后，DRAM,SRAM会丢失数据，非易失性（Nonvlatile memory）不会。

1. 可擦写可编程ROM（Erasable progtammable rom）&电子可擦除PROM

2. 闪存（flash memory）

7.访问主存：

总线：一组并行的导线，可携带地址，数据和控制信号。

总线事务：1.读事务：主存传送数据->CPU

           2.写事务：CPU->主存

计算机系统配置：CPU芯片 与 I/O桥连接器的芯片组 与内存模块

6.1.2 磁盘存储

1. 磁盘构造

构成：盘片——两面/表面：磁性记录材料

              中央可旋转主轴5400-15000转每分钟。

磁盘表面结构：磁道同心圆，每个磁道划为一组扇区，扇区包含相等数据位，扇区间空隙：标识扇区位的格式化位。

柱面：所有盘面上到主轴中心的距离相等的磁道的集合。

 

2.磁盘容量

• 记录密度：磁道一英寸的段中可放入的位数

• 磁道密度：从盘片中心出发半径一英寸的段内可以有的磁道数

• 面密度：磁道密度*记录密度

                    字节数*平均扇区数*磁道数*表面数*盘片数

 磁盘容量=  ————————————————————

                                 扇区*磁道*表面*盘片*磁盘

3.磁盘操作

读写：读/写头存储在磁盘表面的位，读写头连接在一个传动臂一端，通过半径轴前后移动。

对扇区访问时间：

• 寻道时间：移动传动臂所需的时间

• 旋转时间：读/写头定位到磁道上，等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头的时间

• 传送时间：依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数目。

4.逻辑磁盘块

磁盘封装中有一个小的磁盘控制器，维护逻辑块号和实际磁盘扇区之间的映射关系。

逻辑块号翻译为（盘面，磁道，扇区）三元组。

5.连接I/O设备

• 通用串行总线控制器：；连接到USB总线设备的中转机构

• 图形卡：负责代表CPU在显示器上画像素

• 主机总线适配器 将一个或多个磁盘连接到 I.O总线上，使用主机总线接口协议

 

6.访问磁盘

内存映射技术：地址空间中一块地址是为与I/O设备通信保留的I/O端口，设备连接到总线时，与一个或多个端口相关联。

6.1.3固态硬盘

SSD封装到I/O总线上标准硬盘插槽。一个SSD封装由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层组成。闪存翻译层扮演磁盘控制器的

组成：由B个块的序列组成，每个块由P页组成，页的大小为512字节~4KB 块由32-128页组成，大小为16KB~512KB

• 数据以页为单位读写，只有在一页所属的块被擦除后，才可以写这一页、

• 随机写慢。-擦除需要时间较长 -写操作试图修改一个包含已经有的数据的页p，则这个块中所有带有数据的页都必须被复制到一个新的块，才能对p进行重写。

优点：1.没有移动的部件，所以随机访问时间比旋转磁盘快，能耗低。

缺点：SSD容易磨损。

 

6.2 局部性

1. 时间局部性：被引用过一次的数据很可能在不远的将来被再次引用，是较好的时间局部性

2. 空间局部性：一个内存位置被引用了，那么程序在不久的将来会引用其附近的一个内存位置。

• 局部性总结：1.重复引用相同变量的程序有良好的时间局部性。

                  2.对与具有步长为k的引用模式的程序，步长越小，空间局部性越好。

                  3.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 存储器的层次结构

6.3.1 存储器层次结构中的缓存

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

• 存储器层析结构中缓存的一般性概念：K+1层的存储器被划分为连续的数据对象组块——块。每个块有唯一的地址或名字。

• 数据以块为传送单元，在K层与K+1层来回复制。

1.缓存命中

当程序需要K+1层中的数据对象d中，在第K层的一个块中寻找d，若d存在缓存K层中，称为缓存命中。

2.缓存不命中

第K层没有缓存数据对象d，则为缓存不命中。

此时第K层的缓存从K+1层中取出包含d的块，放入K层（若K层已满，则需覆盖一个块）。

• 牺牲块：被覆盖替换的现存块。

3.缓存不命中的种类

• 强制性不命中/冷不命中 冷缓存（cold cache）：第K层缓存是空的，对任何数据对象的访问都不命中。

      发生不命中，K层必须采用严格的放置策略，确定K+1层的块放在K层何处。限制性放置策略确定k+1层的块放在k层的（i mod n）中。

• 冲突不命中：限制性放置策略引起的不命中。数据对象会映射到同一个缓存块，然后缓存会一直不命中。

• 容量不命中：每个阶段访问缓存块的某个相对稳定的集合。当工作集的大小超过缓存的大小，缓存会容量不命中。（缓存太小，不能处理工作集）

4.缓存管理

存储器层次结构的本质：每一层存储设备都是较低一层的的缓存。

在一个虚拟内存的系统中，DRAM主存作为存储在磁盘上的数据块的缓存，由操作系统软件和CPU上的地址翻译硬件共同管理。

 

6.4 高速缓存存储器

6.4.1 通用的高速缓存存储器组织结构

高速缓存 S=2^s个高速缓存组,每组E个高速缓存行。每行由B=2^b字节数据块组成。

一个有效位+t个标记位+B字节内容 有效位指明是否包含有意义信息，标记位为内存地址位的一个子集

 

高速缓存可用元祖（S,E,B,m）表示，C=S*E*B

• S,B将m个地址位分为三个字段，地址A中s个组索引位是一个到S个组的索引，先由A中的s位得出组号，t告诉我们这个组的哪一行包含这个字，b表明在B个字节中数据块中字的偏移。

有关内存缓冲命中的 下一篇单独讲，整理太长了，贴起来好累