计算机组成内存拓展,计算机组成原理9-CPU组成、缓存、内存

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1、存储器(原文)

SRAM:CPU 高速缓存。只要处在通电状态,里面的数据就可以保持存在。而一旦断电,里面的数据就会丢失了。电路简单,访问速度快。

DRAM:动态随机存取存储器,密度更高,容量更大。

存储器的层级结构:

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从 Cache、内存,到 SSD 和 HDD 硬盘,一台现代计算机中,就用上了所有这些存储器设备。其中,容量越小的设备速度越快,而且,CPU 并不是直接和每一种存储器设备打交道,而是每一种存储器设备,只和它相邻的存储设备打交道。比如,CPU Cache 是从内存里加载而来的,或者需要写回内存,并不会直接写回数据到硬盘,也不会直接从硬盘加载数据到 CPU Cache 中,而是先加载到内存,再从内存加载到 Cache 中。

这样,各个存储器只和相邻的一层存储器打交道,并且随着一层层向下,存储器的容量逐层增大,访问速度逐层变慢,而单位存储成本也逐层下降,也就构成了存储器层次结构。

2、局部性原理(原文)

缓存:服务端系统遇到的第一个性能瓶颈,往往就发生在访问数据库的时候。使用“缓存”,通过使用 Redis 或者 Memcache 这样的开源软件,在数据库前面提供一层缓存的数据,来缓解数据库面临的压力,提升服务端的程序性能。

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局部性原理:CPU 速度快,但造价高。存储速度慢,但造价低。既享受 CPU Cache 的速度,又享受内存、硬盘巨大的容量和低廉的价格。

时间局部性:将用户的个人信息,从存储在硬盘的数据库读取到内存的缓存中来。

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空间局部性:如果一个数据被访问了,那么和它相邻的数据也很快会被访问。 在存储数据的时候,数组内的多项数据会存储在相邻的位置。加载的时候,也会一并加载。

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有了时间局部性和空间局部性,我们不用再把所有数据都放在内存里,也不用都放在 HDD 硬盘上,而是把访问次数多的数据,放在贵但是快一点的存储器里,把访问次数少的数据,放在慢但是大一点的存储器里。这样组合使用内存、SSD 硬盘以及 HDD 硬盘,使得我们可以用最低的成本提供实际所需要的数据存储、管理和访问的需求。如何进行存储器的硬件规划。你需要考虑硬件的成本、访问的数据量以及访问的数据分布,然后根据这些数据的估算,来组合不同的存储器,能用尽可能低的成本支撑所需要的服务器压力。

3、高速缓存(原文)

CPU运转速度快,但是内存运转速度慢。运行程序的时间主要花在了将对应的数据从内存中读取出来,加载到 CPU Cache 里。CPU 从内存中读取数据到 CPU Cache 的过程中,是一小块一小块来读取数据的,而不是按照单个数组元素来读取数据的。这样一小块一小块的数据,在 CPU Cache 里面,叫作 Cache Line(缓存块)。现代 CPU 进行数据读取的时候,无论数据是否已经存储在 Cache 中,CPU 始终会首先访问 Cache。只有当 CPU 在 Cache 中找不到数据的时候,才会去访问内存,并将读取到的数据写入 Cache 之中。当时间局部性原理起作用后,这个最近刚刚被访问的数据,会很快再次被访问。而 Cache 的访问速度远远快于内存,这样,CPU 花在等待内存访问上的时间就大大变短了。

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4、MESI协议(原文)

[1]缓存一致性问题

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某个数据,1号核心刚刚更新过,这个更新的信息,只出现在 1 号核心的 L2 Cache 里,而没有出现在 2 号核心的 L2 Cache 或者主内存里面。这个问题,就是所谓的缓存一致性问题,1 号核心和 2 号核心的缓存,在这个时候是不一致的。

解决方式:

第一点叫写传播(Write Propagation)。写传播是说,在一个 CPU 核心里,我们的 Cache 数据更新,必须能够传播到其他的对应节点的 Cache Line 里。

第二点叫事务的串行化(Transaction Serialization),事务串行化是说,我们在一个 CPU 核心里面的读取和写入,在其他的节点看起来,顺序是一样的。

[2] MESI协议

总线嗅探:解决的是多个 CPU 核心之间的数据传播问题。本质上就是把所有的读写请求都通过总线(Bus)广播给所有的 CPU 核心,然后让各个核心去“嗅探”这些请求,再根据本地的情况进行响应。

MESI 协议:一种写失效(Write Invalidate)的协议。在写失效协议里,只有一个 CPU 核心负责写入数据,其他的核心,只是同步读取到这个写入。在这个 CPU 核心写入 Cache 之后,它会去广播一个“失效”请求告诉所有其他的 CPU 核心。其他的 CPU 核心,只是去判断自己是否也有一个“失效”版本的 Cache Block,然后把这个也标记成失效的就好了。与之对应的写广播(Write Broadcast)协议。在那个协议里,一个写入请求广播到所有的 CPU 核心,同时更新各个核心里的 Cache。

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5、内存(原文)

想要把虚拟内存地址,映射到物理内存地址,最直观的办法,就是来建一张映射表。这个映射表,能够实现虚拟内存里面的页,到物理内存里面的页的一一映射。这个映射表,在计算机里面,就叫作页表(Page Table)。

一个内存地址转换,其实就是这样三个步骤:

把虚拟内存地址,切分成页号和偏移量的组合;

从页表里面,查询出虚拟页号,对应的物理页号;

直接拿物理页号,加上前面的偏移量,就得到了物理内存地址。

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多级页表:

解决单页表占用内存空间大的问题。在一个实际的程序进程里面,虚拟内存占用的地址空间,通常是两段连续的空间。而不是完全散落的随机的内存地址。而多级页表,就特别适合这样的内存地址分布。

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