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2018-2019-1 20165306 《信息安全系统设计基础》第五周学习总结

教材学习内容总结

6.1存储技术

6.1.1随机访问存储器

• 静态RAM（SRAM）：双稳态特性，只要有电，它就会永远地保持它的值。即使有干扰来扰乱电压，当干扰消除时，电路就会恢复到稳定值。

• 动态RAM（DRAM）：当电容的电压被扰乱之后，它就永远不会恢复了。

• 传统的DRAM：行地址i称为RAS请求，列地址j称为CAS请求，注意RAS和CAS请求共享相同的DRAM地址引脚。

• 增强的DRAM
  • FTP DRAM（快页模式）：允许对同一行连续地访问可以直接从行缓冲区得到服务。
  • EDO DRAM（扩展数据输出）：允许各个CAS信号在时间上靠的更紧密一点。
  • SDRAM（同步）：更快。
  • DDR SRAM（双倍数据速率）：使用两个时钟沿作为控制信号，从而使DRAM的速度翻倍。
  • VRAM（视频）：用在图形系统的帧缓冲区中。
• 非易失性存储器
  • PROM（可编程）：只能被编程一次；EPROM（可擦写可编程）：1000次；EEPROM（电子可擦除）：10^5次。
  • 闪存：基于闪存的磁盘驱动器称为SSD（固态硬盘），更快速、更强健、更低能耗。

• 固件：存储在ROM设备中的程序。

• 总线是一组并行的导线，能携带地址、数据和控制信号。

6.1.2磁盘存储

• 磁盘构造：
  - 磁盘由盘片构成，每个盘片有两个表面。
  - 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）。
  - 间隙存储用来标识扇区的格式化位。
  - 柱面是所有盘片表面上到主轴中心的距离相等的磁道的集合。

• 磁盘以扇区大小的块来读写数据。访问一个磁盘扇区内容的平均时间为平均寻道时间、平均旋转延迟和平均传送时间之和。
  - 访问一个磁盘扇区中512个字节的时间主要是寻道时间和旋转延迟。
  - 将寻道时间乘2是估计磁盘访问时间的简单而合理的方法。

6.2局部性

• 局部性原理：引用临近于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。

• 步长为1的引用模式为顺序引用模式。一般而言，随着步长的增加，空间局部性下降。

• 循环体里的指令是按照连续地内存顺序执行的，因此循环具有良好的空间局部性。因为循环体会被执行多次，所以它也有良好的时间局部性。

• 重复引用相同变量的程序有良好的时间局部性。步长越小，空间局部性越好。

6.3存储器层次结构

• 存储器层次结构的中心思想：位于k层的更快更小的存储设备作为位于k+1层的更大跟慢的存储设备的缓存。
• 数据总是以块大小为传送单元在第k层和第k+1层之间来回复制的。虽然在层次结构中任何一对相邻的层次之间块大小是固定的，但是其他的层次对之间可以有不同的块大小。
• 缓存不命中：冷缓存（强制性不命中或冷不命中）；冲突不命中；容量不命中。
• 存储器层次结构的本质：每一层存储设备都是较低一层的缓存。
• 基于缓存的存储器层次结构行之有效，是因为较慢的存储设备比较快的存储设备更便宜，还因为程序倾向于展示局部性（时间、空间）。

6.4高速缓存存储器

• 高速缓存的结构将m个地址划分成了t个标记位、s个索引位和b个块偏移位。
• （S，E，B，m）C=S×E×B

• 直接映射高速缓存：E=1
  - 组选择：高速缓存从w的地址中间抽取出s个组索引位。
  - 行匹配：当且仅当设置了有效位，而且高速缓存行中的标记与w的地址中的标记相匹配时，这一行中包含w的一个副本。
  - 字选择：块偏移位提供了所需要的字的第一个字节的偏移。
  - 不命中时的行替换：用新取出的行替换当前的行。

6.5编写高速缓存友好的代码

• 让最常见的情况运行的快。
• 尽量减小每个循环内部的缓存不命中数量。
• 对局部变量的反复引用是好的，步长为1的引用模式是好的。

6.6综合：高速缓存对程序性能的影响

• 存储器山：读带宽的时间和空间局部性的二维函数。存储器系统的性能不是一个数字就能描述的，相反，它是一座时间和空间局部性的山，这座山的上升高度差别可以超过一个数量级。

• 在程序中利用局部性：
  - 将你的注意力集中在内循环上；
  - 以步长为1来读数据；
  - 一旦从存储器中读入了一个数据对象，就尽可能地多使用它。

教材问题及解决

• 练习题6.4见书P411，答案见P459

解析中有一句话不太理解这个文件由2000个512字节的逻辑块组成。

• 参考资料

书P409：对于与像磁盘和网络这样的I/O设备容量相关的计量单位，通常K=10^3，M=10^6，G=10^9，T=10^12。

我的理解是：1MB=10^6字节，512≈5×10^2，10^6/(5×10^2)=2000。

上周考试错题总结

• 书中P261：组合逻辑电路可以设计成在字级数据上执行许多不同类型的操作。算术/逻辑单元（ALU）是一种很重要的组合电路。

• 书中P262：为了产生时序电路，也就是有状态并且在这个状态上进行计算的系统，我们必须引入按位存储信息的设备。存储设备都是由同一个时钟控制的，时钟是一个周期性信号，决定什么时候要把新值加载到设备中。
  - 时钟寄存器（简称寄存器）存储单个位或字。时钟信号控制寄存器加载输入值。
  - 随机访问存储器（简称内存）存储多个字，用地址来选择该读或该写哪个字。

2018-2019-1 20165306 《信息安全系统设计基础》第五周学习总结

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