存储器的层次结构学习记录

重要知识点

三种常见的存储技术

RAM,ROM,磁盘。

随机访问存储器（RAM）

• 分类：静态RAM(SRAM)和动态RAM（DRAM）。
• 两类RAM区别：静态RAM比动态RAM更快，但也贵得多且功耗更大。
• SRAM的特点：SRAM每个位都存储在一个双稳态的存储器单元里，因此其存储单元具有双稳态特性，只要有电，它就会永远保持它的值。即使有干扰，例如：电子噪音，来扰乱电路，当干扰消除时，电路就会恢复到稳定值。
• DRAM的特点：DRAM将每一个位存储为对每个电容的充电。所以其存储器单元对干扰非常敏感。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。

非易失性存储器（ROM）

　　RAM断电会丢失它们的信息，所以它们是易失的，而ROM即使断电后也仍然保存着它们的信息。由于历史原因，虽然ROM中有的类型即可以读也可以写，但是它们整体上都称为只读存储器。ROM是以它们能够被重编程（写）的次数和它们进行重编程所用的机制进行区分。

• PROM（Programmable ROM）只能被编程一次。PROM的每个存储单元都有一种熔丝，它只能用高电流熔断一次。
• EPROM（Erasable Programmanble ROM 可擦写可编程ROM）能够擦除和重新编程的数量级能够达到1000次。
• EEPROM(Electrically Erasable PROM 电子可擦除ROM)能够被编程的次数的数量级可以达到次。
• FLASH（flash memory 闪存）是一类非易失性存储器，基于EEPROM，它已经成为了一种重要的存储技术。

访问主存

　　数据流通过称为总线的共享电子电路在处理器和DRAM主存之间来来回回。每次CPU和主存之间的数据传送都是通过一系列的步骤来完成的，这些步骤称为总线事物。

• 读事物：从主存传送数据到CPU。
• 写事物：从CPU传送事物到主存。
• 总线：一组并行的导线，能携带地址、数据和控制信号。

  |--可分为数据总线、控制总线、地址总线、系统总线、存储总线、I/O总线等。如下图所示：

  

磁盘存储

　　磁盘是广为应用的保存大量数据的存储设备，存储数据的数量级可以达到几百到几千千兆字节。

　　磁盘由盘片构成的。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，它使得盘片以固定的旋转速率旋转，通常是5400~15000转每分钟。磁盘通常包含一个或多个这样的盘片，并封装在一个密封的容器内。

　　磁盘的每个表面是由一组称为磁道的同心圆组成的。每个磁道被划分为一组扇区。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，这些间隙中不存储数据位。间隙存储用来标识扇区的格式化位。磁盘制造商通常用术语柱面来描述多个盘片驱动器的构造，这里，柱面是所有盘片表面上到主轴中心的距离相等的磁道距离的集合。

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，或者简称为容量。磁盘容量是由以下因素决定的：

• 记录密度（位/英寸）：磁盘一英寸的段中可以放入的位数。
• 磁道密度（道/英寸）：从盘片中心出发半径上一英寸的段内可以有的磁盘数。
• 面密度（位/平方英寸）：记录密度与磁道密度的乘积。

计算公式如下：

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传动臂的一端。

寻道：通过沿着传动臂，驱动器将读/写头定位在盘面上的任何磁道上。

磁盘以扇区大小的块来访问数据。对扇区的访问时间有三个主要的部分：

1. 寻道时间：为了读取某个目标扇区的内容，传动臂首先将读/写头定位到包含目标扇区的磁道上。移动传动臂在盘面上所需时间称为寻道时间。
2. 旋转时间：一旦读/写头定位到了期望的磁道，驱动器等待扇区的第一个位旋转到读/写头下。这个步骤的性能依赖于当读/写头到达目标磁道时盘面的位置和磁盘的旋转速度。在最坏的情况下，读写头刚刚错过了目标扇区，必须等待磁盘转一整圈。因此最大旋转延迟如下：

   

3. 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了。一个扇区的传送时间依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数目。因此，我们可以粗略第估计一个扇区以秒为单位的平均传送时间如下：

   

逻辑磁盘块

　　为了对操作系统隐藏磁盘构造的复杂性，现代磁盘将它们的构造呈现为一个简单的视图，一个B个扇大小的逻辑块序列，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）磁盘扇区之间的映射关系。

操作系统的I/O操作的具体过程

例：当读一个磁盘扇区的数据到主存，操作系统会发送一个命令道磁盘控制器，让它读某个逻辑块号。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成一个（盘面，磁道，扇区）的三元组，这个三元组唯一地标识了对应的物理扇区，控制器上的硬件解释这个三元组，将读/写头移动到适当的柱面，等待扇区移动到读/写头下，将读/写头感知到的位放到控制器上的一个小缓冲区中，然后将它们拷贝到主存中。

局部性原理

　　一个编写良好的计算机程序常常具有良好的局部性。也就是说，它们倾向于引用临近与其他最近引用过的数据项的数据项，或者最近引用过的数据项本身。这种倾向性被称为局部性原理。

　　局部性通常有两种不同的形式：

• 时间局部性：在一个具有良好时间局部性的程序中，被引用过一次的存储器位置很可能在不远的将来多次引用。
• 空间局部性：在一个具有良好的空格局部性的程序中，如果一个存储器位置被引用一次，那程序可能在不远的将来引用附近一个位置的存储器。

　　数据引用局部性：对于具有步长为k的引用模式的程序，步长越小，空间局部性越好。具有步长为1的引用模式的程序有很好的空间局部性。在存储器以大步长跳来跳去的程序空间局部性会很差。

　　取指令局部性：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。

存储器的层次结构

存储器结构的中心思想：对于每一个k，位于k层的更小更快的存储设备作为位于k+1层的更大更慢的存储设备的缓存。

高速缓存结构

　　若一个计算机系统，其中每个存储器地址有m位，形成M=个不同的地址。如下图所示，这样的一个机器的高速缓存被组织成一个S=个高速缓存组的数组。每个数组包含E个高速缓存行。每一行是由一个B=字节的数据块组成的，一个有效位指明这个行是否包含有意义的信息，还有t=m-(b+s)个标记位（是当前块的存储器地址的位的一个子集），它们唯一地标识存储在这个高速缓存行中的块。

　　　　高速缓存确定一个请求是否命中，然后抽取出被请求的字的过程，分为三步：1）组选择，2）行匹配，3）字抽取。

分类：

　　　　1.直接映射高速缓存：每组只有一行（E=1）的高速缓存。

2.组相连高速缓存：每个组都保存多于一行的高速缓存行（1<E<C/B）。

3.全相连高速缓存：由一个包含所有高速缓存行的组（即E=C/B）组成。

遇到的问题及解决方法

问题：

磁盘为什么需要转两圈才能读完一个扇区？

解决方法：

    在博客园提问。因为磁盘有两面。

家庭作业

6.29

由练习题6.13图得

组7中命中的十六进制存储器地址为：

（1101111011100)=0x1BDC

（1101111011101)=0x1BDD

（1101111011110)=0x1BDE

（1101111011111)=0x1BDF

组5中命中的十六进制存储器地址为：

（0111000110100)=0x0E34

（0111000110101)=0x0E35

（0111000110110)=0x0E36

（0111000110111)=0x0E37

组4中命中的十六进制存储器地址为：

（1100011110000)=0x18F0

（1100011110001)=0x18F1

（1100011110010)=0x18F2

（1100011110011)=0x18F3

（0000010110000)=0x00B0

（0000010110001)=0x00B1

（0000010110010)=0x00B2

（0000010110011)=0x00B3

组2中没有命中的存储器地址。

6.30

A．

B．

参考资料

《深入理解计算机系统》第6章存储器层次结构。