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第六章 存储器层次结构

存储器系统是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。

局部性是计算机程序的一个基本属性。

存储器山：一种描绘某台机器上存储器层次结构的性能的方法。

6.1  存储技术

• SRAM（静态）：高速缓存存储器。将每个位存储在一个双稳态的存储器单元里面。（每个单元用一个六晶体管电路来实现；其属性是可以无限期保持在两个不同的典雅配置或者状态之一，其他的任何状态都是不稳定的）
• DRAM（动态）：将每个位存储为对一个电容的充电（这个电容很小）。存储单元对干扰（如光线、噪音等）很敏感；当电容的电压被扰乱之后就永远不会恢复。优势是密集度低，成本低。
• DRAM的芯片中的单元被分成d个超单元，每个超单元都由w个DRAM单元组成。一个d*w的DRAM总共存储了dw位的信息。超单元被组织成一个r行c列的长方形阵列，这里rc = d。信息通过引脚的外部连接器流入和流出芯片。
• 每个DRAM芯片被连接到某个称为存储控制器的电路，这个电路可以一次传送w位到每个DRAM芯片或者依次从每个芯片传出w位。电路设计者将DRAM组织成二维而不是线性数组的一个原因是降低芯片上地址引脚的数量。
• DRAM芯片包装在存储器模块中，它是插到主版的扩展槽上的。
• 磁盘是保存大量数据的存储设备；但读取速度慢。

• 磁盘有若干盘片组成，密封在容器（磁盘驱动器）内；每个盘片的两个表面都有一组被称为磁道的同心圆；每个同心圆由一些间隙分隔成一组等容量磁道（通常是512字节），间隙中存储的是标识扇区的格式化位。
• 柱面：所有盘片表面到主轴中心距离相等的磁道的集合

• PROM：只能被编程一次。
• 可擦可写编程ROM（EPROM）：被擦除和重写的次数可以达到10^3次
• 电子可擦除PROM（EEPROM）：能够被编程的次数可以达到10^3次。
• 闪存：基于EEPROM。基于此的磁盘驱动器称为固态硬盘 存储在ROM设备中的程序通常称为固件；当一个计算机系统通电之后，它会运行存储在ROM中的固件

• 容量是指一个磁盘上可以记录的最大位数。决定因素：
• 记录密度；磁道密度；面密度（前两者乘积）

• 读写通过连在传动臂一段的读写头完成；可以定位在盘面上的任何磁道上；这样的机械运动称为寻道。每个盘面对应一个读写头。所有的读写头一致行动，即在任意时刻，所有的读写都发生在同一盘面上

6.2 局部性

• 计算机程序倾向于引用邻近于其他最近引用过的数据项的数据或其本身；这种倾向性，被称为局部性原理。包括：时间局部性，空间局部性。有良好局部性的程序比局部性差的程序运行的更快。
• 体现：在硬件层，局部性原理允许计算机设计者通过引入称为高速缓存器的小而快的存储器来保存最近被引用的指令和数据项；在操作系统级，局部性原理允许系统使用主存作为虚拟地址空间最近被使用的磁盘块。
• 重复引用一个变量的程序具有良好的时间局部性；对于取指令来说，循环具有良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 存储器层次结构

• 存储器层次结构的中心思想是：对于每个k，位于k层的更快更小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。
• 第（k+1）层的存储器被划分成连续的数据对象片，称为块；数据总是以块大小为传送单元在相邻两层之间来回拷贝的；在任何时刻，第k层的缓存包括第（k+1）层块的一个子集的拷贝。
• 缓存命中：当程序需要第(k+1)层的数据对象d的时候，首先会在第k层找d；如果d刚好缓存在第k层，那么就叫做缓存命中；反之，不命中

• 如果缓存不命中，那么第k层缓存就从第（k+1）层取出包含该数据的块，有可能会覆盖现有的块。覆=决定替换哪个块是由缓存的替换策略来控制的；例如，一个具有随机替换策略的缓存会随机选择；而LRU替换策略会选择被访问时间距今最远的块

6.4 高速缓存存储器

• 作用：连接CPU和主存
• 每个存储器地址有m位，形成M=2^m个不同地址。这m位被划分成t个标记位、s个组索引位和b个块偏移位。
• 这样一个机器的高速缓存被组织成S=2^s个高速缓存组的数组；每个数组包含E个高速缓存行；每行由一个B=2^b字节的数据块、一个有效位（指明这个行是否包含有效信息）、t=m-(b+s)个标记位（唯一标识存储在这个高速缓存行中的块）组成
• 高速缓存确定一个请求是否命中，然后抽搐被请求字的过程，分为：组选择，行匹配，字抽取

• 组选择：从w的地址中抽取组索引；这些位被解释成对应于一个组号的无符号整数
• 行匹配：对于直接映射高速缓存，行匹配是容易而且快的；因为每个组只有一行
• 字匹配：块偏移提供的是这个字的第一个字节是从哪个位置开始的

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