CSAPP阅读笔记(3)－存储器层次结构

　　 原来总把memory理解为 内存，在这里是不合适的，还是称为存储器更具有一般性。存储器是计算机体系结构中不可或缺的一部分，在冯·诺依曼结构中是必要的组成部分。PC中常见的存储器有寄存器，高速缓存(即CPU上的Cache)，主存(即常说的内存)以及磁盘。另外，也有人把远端机器的存储介质也算在内。这样，就形成了存储器的层次结构，如下图所示。

　　这张图中划分中更为细致，共分了六级，从0到5。从上到下依次是寄存器，L1 cache，L2 cache，主存，磁盘，远端存储介质。这张图呈现了存储器的金字塔型构造。左侧的箭头表明，处于金字塔高端的存储器具有较高的访问速度以及较贵的价格，而处于金字塔低端的存储器具有较低的访问速度以及较便宜的价格。在这两个因素的平衡下，在单个系统中，高级存储器容量一般较小，而低级存储器容量较大。

下表是各级存储器的访问速度。

存储器类型	访问速度(以时钟周期计)
寄存器	0
高速缓存	1~10
主存	50~100
磁盘	20,000,000
远端存储介质	~=20,000,000

　　由上表可以看出，前面几级的速度基本差不多，差距最大的是磁盘，其速度与前面差了N个数量级。这是存储器层次结构必须存在的原因之一。

 

 

 

 

 

　　

 

    下面从其本质来看。寄存器与CPU紧密相连，在此不讨论。从高速缓存到主存都属于随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)。RAM分为两类，静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)。这里的静态和动态之分，是看存储内容是否需要动态刷新。在通电情况下，SRAM不用刷新，而DRAM需要以某种策略来刷新数据。(有意思的是，其内部刚好相反，由于SRAM中采用触发器来存储，其内部一直有电流流动，故实际上是动态的，而DRAM采用电容来存储，故实际上是静态的。从这个意义上来说，SRAM比DRAM耗能要多)DRAM不断的发展变化，产生新的产品，我就不一一举例了。从我开始使用电脑时，只见过SDRAM以及后来的DDR了。SDRAM的S表示Synchronous，即同步。该技术比它的先趋所采用的异步技术，在访问速度上有了提高。DDR，全称Double Data-Rate Synchronous DRAM，即双倍速率的SDRAM。其利用时钟触发的上升沿和下降沿来访问数据，使其速率比SDRAM快了一倍。至于再往后的DDR2，DDR3除了升频之外，不知道还有没有结构上的变化。另外，显存与通常的主存还是不一样的。本来嘛，它的应用需求就不同。显卡要求显存具有更大的数据吞吐率，因此显存一般都支持并发的读/写操作。

　　前面讲述的RAM都属于易失性存储器，即数据的保持需要电源供应。下面介绍非易失性存储器。通常称为ROM(Read-Only Memory)，字面译为只读存储器。由于历史原因一直沿用至今。现在的ROM不仅可读也可写。ROM常用于主板上的固存，用于存储BIOS以及开机自检等基本程序。后来发展有EPROM，称为可擦写ROM，实际上是光可擦写，一般可反复存储1000次左右。近来有EEPROM，即俗称的E平方PROM，称作电可擦写ROM。现在广泛使用的U盘就是采用这一存储技术。

 

 

 

 

 

　　

    再来看一下磁盘，其结构示意图如下所示。

 

　　 上左图是单个盘片示意图，上右图是整个磁盘示意图。由于盘片是双面存储，故三个盘片就有六个表面，每个表面由一系列同心圆构成，一个同心圆称为一个磁道。一个磁道上分为多个扇区，每个扇区上存储固定容量的数据。此时，就会有一个问题，同心圆大小不一，因此，不同的磁道存储能力不同。一种方式是不管其大小，各磁道存储量相同，这样对于越靠近外边缘的磁道，存在的浪费越多(图中的gaps)。另一种方式，是将磁道按到圆心距离分组，同组的磁道存储量相同，这样有助于减少浪费，但同时提升了磁盘操作的复杂性。不管哪种方式，gaps是一定存在的。这些gaps可以利用来做些冗余备份机制以提高存储的可靠性(当然，这是较高级的磁盘才有的特性)。

　　关于磁盘转速，在这里废话一下呵。PC机常用5400RPM和7200RPM，笔记本常用5400RPM，这个速率似乎一直没有提升。服务器使用的磁盘可能会达到10000RPM或15000RPM，并且使用一些可靠性技术。

　　现在来考虑一下磁盘的访问速度。前面看到，磁盘访问的速度低了很多，最根本的原因是其依赖于数据读写机械臂的运动。机械运动的速度和电子运动的速度是不具备可比性的。磁盘访问时间一般由三部分组成，即寻道时间+磁轴旋转时间+数据传输时间。这三部分时间中，后两者对于同一磁盘而言，基本认为是常数，产生差异的主要是前者。不同的寻道方式消耗时间差距较大，因此就有各种各样的磁盘访问算法产生，主要就是针对这部分时间进行优化。由于磁盘的访问速率较慢，因此利用中断机制配合DMA(Direct Memory Access)机制在磁盘和主存中传输数据。

　　存储器层次结构(即缓存结构)存在的原因之二，是由于数据访问的时间和空间局部性原理，即数据访问在时间和空间上都趋于相同或相近的数据。但是时空特性的好坏因程序的不同而不同(人为写出时空特性狂差的程序还是很有可能地)，所以必须要强调这一局部性原理。由于这一原理的存在，可将最近最常使用的数据或代码放在离CPU较近的缓存中，以提高访问速率。关于具体的编程需要注意的细节，还是即时查书的好，作为总结不必要了。

 

　　至于cache的结构，一般也是采用将地址分段的方法来检索。低位表示块内部寻址，中间表示选择索引，高位表示标签，用于在集合内部依序查找。其示意图如下所示。

　　 在上图中，set index的定位可以一次性匹配，而在set内部，只能依据tag值进行匹配判断。多个tag存在的一个问题就是，当需要进行置换时，采用什么样的置换策略呢？在L1 Cache中，采用了直接映射缓存，即每个set中只包含一个tag。这避免了置换策略的问题，是为了简化设计，同时也是因为置换算法在那种级别的访问速度上效果不明显。一般的置换算法(如LRU等)多用于主存和磁盘这一级别。

　　

　　这章内容蛮多的，不少东西没有概括到，但主线基本已经覆盖到。便于以后查找。