20145317《信息安全系统设计基础》第7周学习总结1

教材学习内容总结

基本存储技术：SRAM存储器 DRAM存储器 ROM存储器 旋转硬盘 固态硬盘

1.存储技术

三种常见存储技术：RAM/ROM/磁盘

（1）随机访问存储器RAM

• 两类：静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）
• 静态RAM（SRAM）比动态RAM（DRAM）更快，但也贵很多。
• 静态RAM
  • SRAM将每个位存储在一个双稳态的存储器单元里，每个单元是用一个六晶体管电路来实现的。
  • 这个电路的一个属性：它可以无限制地保持在两个不同的电压配置或状态之一。其他任何状态都是不稳定的。
  • - 特点：由于SRAM的双稳态特性，只要有电，它就会永远地保持它的值，即使有干扰，如电子噪音，来扰乱电压，当干扰消除，电路也能恢复到稳定值。

- 应用：SRAM用来作为高速缓存存储器，即可以在CPU芯片上，也可以在片下。

• 动态DRAM
  • DRAM将每个位存储为对电容的充电。电容约为30×10-15F。
  • - 特点：对干扰特别敏感，当电容的电压被扰乱之后，它就永远不会恢复了。暴露在光线下会导致电容电压改变。

- 应用：DRAM用来作为主存以及图形系统的帧缓冲区。

（2）非易失性存储器（ROM）

• ROM的区分：能被重编程的次数和对他们进行重编程所用的机制。
• - PROM：只能被编程一次。
• - EPROM：可擦写可编程ROM，紫外线光照清除单元内容，可擦写次数数量级1000。
• - E2PROM：电子可擦除PROM，可以直接在印制电路卡上编程，可擦写次数数量级10^5。

- FLASH：闪存，基于EEPROM。（固态硬盘SSD基于闪存）

• 存储在ROM设备中的程序通常称为固件。

（3）访问主存

- 读事务：从主存传送数据到CPU。

- 写事务：从CPU传送数据到主存。

- 总线：一组并行的导线，能携带地址、数据的控制信号。

数据总线、控制总线、地址总线

• 读事务语句

movl A,%eax

- CPU将地址A放到存储器总线

- 主存从总线读出A，接收字x，然后将x放到总线上

- CPU从总线读出字x，并将它copy到寄存器eax中。

• 写事务语句

movl %eax,A

- CPU将地址A放到存储器总线，主存读出这个地址，等待接收数据字

- CPU将数据字y放到总路上

- 主存从总线读数据字y，并将它存储在地址A。

（4）磁盘存储

• 磁盘构造
  • 由盘片构成，每个盘片有两面或者称为表面，表面覆盖着磁性记录材料。盘片中央有一个可以旋转的主轴，使得盘片以固定的旋转速率旋转，通常是5400~15000转每分钟（RPM）
  • 每个表面是由一组称为磁道的同心圆组成；每个磁道被划分成一组扇区；每个扇区包含相等数量的数据位（通常是512字节）；这些数据编码在扇区上的磁性材料中。扇区之间由一些间隙分隔开，这些间隙中不存在数据位。间隙存储用来标识扇区的格式化位。

• 磁盘容量
  • 一个磁盘上可以记录的最大位数称为它的最大容量/容量。
  • 磁盘容量的决定因素：
  • - 记录密度：磁道一英寸的段可以放入的位数。
  • - 磁道密度：从盘片中心出发半径上一英寸的段内可以有的磁道数。

- 面密度：记录密度与磁道密度的乘积。

• 磁盘容量（敲不出来）

• 即扇区大小×每条磁道平均扇区数×每个面磁道的磁道数×每个盘片的面数×每个磁盘的盘数
• 例子：
  
• 对于与DRAM和SRAM容量相关的单位，通常

K ＝ 210，M ＝ 220，G ＝ 230

• 对于磁盘和网络这样的I/O设备容量相关的单位，通常

K ＝ 103，M ＝ 106，G ＝ 109

• 磁盘操作
  • 磁盘用读写头来读写存储在磁性表面的位，而读写头连接到一个转动臂一端。寻道就是通过沿着半径轴前后移动这个转动臂，使得驱动器可以将读写头定位在盘面上的任何磁道上。

• 任何时刻，所有的读写头都位于同一柱面上。
• 在传动臂末端的读/写头在磁盘表面高度约0.1微米处一层薄薄的气垫上飞翔，速度大约为80km/h。
• 磁盘以扇区大小的块来读写数据。
• 对扇区的访问时间有三个主要的部分：
• - 寻道时间：为了读取某个目标扇区的内容，传动臂把读/写头首先定位到包含目标扇区的磁道上，所需时间即为寻道时间，约等于最大旋转时间。
• - 寻道时间Tseek依赖于读写头以前的位置和转动臂在盘面上移动的速度。
• - 旋转时间：定位到期望的磁道后，驱动器等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头下。依赖于当读写头到达目标扇区时盘面的位置和磁盘旋转速度。
• - 定位到期望的磁道后，驱动器等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头下。
• - 最大旋转时间 = 1/最大旋转数率
• - 平均旋转时间 = (1/2) * 最大旋转时间。
• - 传送时间：当目标扇区的第一个位位于读写头下时，驱动器就可以开始读或者写该扇区的内容。依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数目。

- 平均传送时间 = (1/最大旋转数率) * （1/每磁道的平均扇区数）

（5）逻辑磁盘块

内存可以看成字节数组、磁盘可以看成块数组

• 现代磁盘构造复杂，有多个盘面，这些盘面上有不同的记忆区。为了对操作系统隐藏这样的复杂性，现代磁盘将他们的构造呈现为一个简单的试图，一个B个扇区大小的逻辑块的序列，编号为0，1，...，B-1。
• 磁盘中有一个小的硬件/固件设备，称为磁盘控制器，维护着逻辑块号和实际（物理）扇区之间的映射关系。
• 控制器上的固件执行一个快速表查找，将一个逻辑块号翻译一个（盘面、磁道、扇区）的三元组，这个三原则唯一地表示了对应的物理扇区。控制器上的硬件解释这个三元组，将读写头移动到适当的煮面，等待扇区移动到读写头下，将读写头感知到的位放在控制器上的一个小缓冲区中，然后将他们拷贝到主存中。

（6）连接到I/O设备

• 想图形卡、监视器、鼠标、键盘和磁盘这样的输入输出设备，都是通过I/O总线连接到CPU和主存的。
• 系统总线和存储器总线是与CPU相关的，I/O总线设计成与底层CPU无关。
• I/O总线比系统总线比存储器总线慢，但是它可以容纳种类繁多的第三方I/O设备。
• - 通用串行总线USB：2.0最大带宽60MB/S，3.0最大带宽600MB/S
• - 图形卡（适配器）

- 主机总线适配器

（7）访问磁盘

• CPU使用一种存储器映射I/O技术来向I/O设备发出命令，在使用存储器映射I/O的系统中，地址空间中有一块地址是为与I/O设备通信保留的，称为I/O端口。当一个设备连接到总线时，它与一个或多个端口相连。
• 直接存储器访问：设备可以自己执行读或者写总线事务，而不需要CPU干涉的过程。这种数据传送称为DMA传送。

（8）固体磁盘

• 固态硬盘是一种基于闪存的存储技术。
• 一个SSD包由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层组成，闪存芯片替代传统旋转磁盘中机械驱动器；闪存翻译层（一个硬件/固件设备）替代磁盘控制器，将对逻辑块的请求翻译成对底层物理设备的访问。
• 性能特性
• - 顺序读和写（CPU按顺序访问逻辑磁盘块）性能相当，顺序读比顺序写稍快一点。
• - 随机顺序访问逻辑块时，写比读慢一个数量级。

*读写性能差别是由底层闪存基本属性决定的。

• 优缺点
• 优点：
• - 由半导体构成，没有移动的部件
• - 随机访问时间比旋转磁盘要快、能耗低、结实
• 缺点

- 易磨损、更贵

（9）存储技术趋势

• 不同的存储技术有不同的价格和性能折中
• 不同存储技术的价格和性能属性以截然不同的速率变化着（增加密度从而降低成本比降低访问时间更容易）
• DRAM和磁盘的性能滞后于CPU的性能

随机访问存储器：

1 静态（SRAM）:双稳定特性、只要通电就能永远稳定，速度较快

2 动态（DRAM）：对干扰敏感，一旦电压被干扰，永远不能恢复，并且暴露在光线下会导致电容电压改变，速度较慢。

DRAM中=芯片单元分成M个超单元，每个超单元有N个DRAM单元组成，并有r行 c列。

读取过程：从16*8的DRAM中读取超单元（4,3），首先存储控制器发送行地址4，然后DRAM将4行的所有内容拷贝到内部行缓冲区，接着控制器再发送列地址3，DRAM将行缓冲区拷贝出超单元（4,3）中的8位并发送到存储控制器。

快业模式的DRAM: 存储控制器发送行地址的时候后面跟着三个列地址（1+3），相比原本的DRAM拷贝一次行就浪费一次要快得多。

VRAM： 输出时通过对行内部缓冲区的整个内容行位移得到，更快，并且允许对存储器并行的读和写。

非易失性存储器：

ROM（只读存储器）：

1 PROM（只能被编程一次，只能高电流熔断一次）

2 可擦写可编程ROM(光擦除的可擦写和冲编程的次数达1000次，电子可擦除的可达到10^5次)

3 闪存

固件：存储在ROM设备中的程序。

movl A，%eax的过程：

1 CPU将地址放到系统总线上

2 I/O桥将信号信号传递到存储器

3 存储器从系统总线上读取地址A

4 并读取除数据写到存储器总线上

5 I/O桥将存储器总线上的信号翻译成系统总线号，并传递到CUP。

6 CPU从总线上读数据并拷贝到寄存器%eax

movl %eax，A的过程：

1 CPU将地址A放到系统总线上（I/O桥信号翻译过程也在其中）

2 存储器从总线上读出地址A，等待数据送达

3 CPU将%eax中的数据字拷贝到系统总线上（和2同时）

4 主存从存储器总线独处数据字并存到DRAM的A地址中。

磁盘构造：

盘片（有两面，盘片中央有可旋转的主轴，旋转速度RPM）

每个表面有8个磁道，没个刺刀被划分为一组扇区，扇区间的空隙存储用来标识扇区的格式化位。

磁盘容量=字节数/扇区+平均扇区数/磁道+磁道数/表面+表面数/盘片+盘片数/磁盘

磁盘上一个扇区读取时间=寻道时间+传送时间+平均旋转时间（总传送时间的一半）

局部性：

1 时间局部性（被引用过一次的存储器位置不久后也有可能在被多次引用）

2 空间局部性（被引用过一次的存储器位置不久后将引用附近的位置）

具有步长为K的引用模式的程序，K越小空间局部性越好。

重复引用同一个变量的程序有良好的时间局部性。