20145238 《信息安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第7周學(xué)習(xí)總結(jié)

教材學(xué)習(xí)內(nèi)容總結(jié)

存儲(chǔ)器系統(tǒng)

: 存儲(chǔ)器系統(tǒng)是一個(gè)具有不同容量、成本和訪問時(shí)間的存儲(chǔ)設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)。

1、RAM隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器

• 分類：SRAM（靜態(tài)）、DRAM（動(dòng)態(tài)）

• 特點(diǎn)：存儲(chǔ)單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容，即掉電失憶（常說的電腦內(nèi)存就是RAM的）。

-（1）SRAM
特點(diǎn)：1.不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。2.集成度較低，需要很大的體積。3.存取快。4.抗干擾。

應(yīng)用：一般用來作為計(jì)算機(jī)中的高速緩沖存儲(chǔ)器

優(yōu)點(diǎn):速度快，不必配合內(nèi)存刷新電路，可提高整體的工作效率。
缺點(diǎn):集成度低，功耗較大，相同的容量體積較大，而且價(jià)格較高，少量用于關(guān)鍵性系統(tǒng)以提高效率

-（2）DRAM
特點(diǎn)：每個(gè)位存儲(chǔ)為對(duì)電容的充電;周期性的用讀出然后寫回的方式刷新存儲(chǔ)器每個(gè)位。

應(yīng)用：一般用來作為計(jì)算機(jī)中的高速緩沖存儲(chǔ)器

2、ROM只讀存儲(chǔ)器

• 分類：PROM、EPROM、E2PROM、FLASH

• 特點(diǎn)：一次寫入，反復(fù)讀取，即非易失性。

-（1）PROM（可編程只讀存儲(chǔ)器）
只能被編程一次。每個(gè)存儲(chǔ)器單元有一種熔絲，只能用高電流熔斷一次。

-（2）EPROM（可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器）
可重復(fù)擦除和編程次數(shù)達(dá)到1000次。

-（3）EEPROM（E2PROM電子可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）
: 不需要獨(dú)立編程設(shè)備，可直接在印制電路卡上進(jìn)行。
: 編程次數(shù)可達(dá)100000次。

-（4）FLASH（閃存）
: 非易失性的內(nèi)存，基于EEPROM。

3、磁盤

（1）結(jié)構(gòu)、容量
由一些盤片構(gòu)成，盤片的正反面都能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每個(gè)盤片分成許多的磁道，每個(gè)磁道分成一些扇區(qū)。（通常一個(gè)扇區(qū)為512B。）
表面：每個(gè)盤片有兩個(gè)表面

• 主軸：盤片中央，可旋轉(zhuǎn)
• 旋轉(zhuǎn)速率：通常5400~15000/min
• 磁道：同心圓們
• 扇區(qū)：每個(gè)磁道被劃分為一組扇區(qū)
• 數(shù)據(jù)位：每個(gè)扇區(qū)包含相等數(shù)量的~，通常為512字節(jié)
• 間隙：存儲(chǔ)用來標(biāo)識(shí)扇區(qū)的格式化位
• 磁盤驅(qū)動(dòng)器-磁盤-旋轉(zhuǎn)磁盤

• 柱面：所有盤片表面上到主軸中心的距離相等的磁道的集合。

  磁盤的容量 = 每扇區(qū)大小每磁道扇區(qū)數(shù)磁道數(shù) 2 盤片數(shù)量

(2)磁盤操作

磁盤以扇區(qū)大小的塊來讀寫數(shù)據(jù)。對(duì)扇區(qū)的訪問時(shí)間有三個(gè)主要部分：尋道時(shí)間、旋轉(zhuǎn)時(shí)間、傳送時(shí)間

• 尋道時(shí)間：為了讀取某個(gè)目標(biāo)扇區(qū)的內(nèi)容，傳動(dòng)臂首先將讀寫頭定位到包含目標(biāo)扇區(qū)的磁道上。移動(dòng)傳動(dòng)臂所需的時(shí)間稱為尋道時(shí)間。
• 旋轉(zhuǎn)時(shí)間：最大旋轉(zhuǎn)延遲Tmax rotation=1/RPM * 60secs/1min。平均旋轉(zhuǎn)時(shí)間Tavg rotation的一半。
• 傳送時(shí)間：Tavg transfer=1/RPM * 1/(平均扇區(qū)數(shù)/磁道) * 60secs/1min
• 估計(jì)總訪問時(shí)間=Tavg seek+Tavg rotation+Tavg transfer。因?yàn)閷さ罆r(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲大致相等，所以將尋道時(shí)間乘以2可簡單估計(jì)磁盤訪問時(shí)間。

（3）邏輯磁盤塊

• 目的是為了向操作系統(tǒng)隱蔽磁盤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。磁盤將其呈現(xiàn)為一個(gè)有B個(gè)扇區(qū)的邏輯塊的序列；磁盤中有一個(gè)固件設(shè)備——磁盤控制器，維護(hù)者邏輯酷愛號(hào)和實(shí)際磁盤扇區(qū)之間的映射關(guān)系。操作系統(tǒng)是以邏輯塊號(hào)為單位進(jìn)行尋址操作的。

(4)總線

• （I/O）設(shè)備是通過I/O總線（例如intel的PCI）連接到CPU和主存的。雖然它比系統(tǒng)總線和存儲(chǔ)器總線要慢，但是可以容納種類眾多的第三方I/O設(shè)備。比如：通用串行總線；圖形卡；主機(jī)總線適配器。

（5）I/O端口

• CPU使用一種稱為存儲(chǔ)器映射I/O的技術(shù)來向I/O設(shè)備發(fā)出命令的。在使用其的系統(tǒng)中，地址空間中，有一塊地址是為與I/O設(shè)備通信保留的；叫做I/O端口。

4、存儲(chǔ)技術(shù)趨勢

1.不同的存儲(chǔ)技術(shù)有不同的價(jià)格和性能折中。
2.不同存儲(chǔ)技術(shù)的價(jià)格和性能屬性以截然不同的速率變化著。
3.DRAM和磁盤的性能滯后于CPU的性能。

局部性：

• 計(jì)算機(jī)程序傾向于引用鄰近于其他最近引用過的數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)或其本身；這種傾向性，被稱為局部性原理。包括：時(shí)間局部性，空間局部性。有良好局部性的程序比局部性差的程序運(yùn)行的更快。
• 體現(xiàn)：在硬件層，局部性原理允許計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者通過引入稱為高速緩存器的小而快的存儲(chǔ)器來保存最近被引用的指令和數(shù)據(jù)項(xiàng)；在操作系統(tǒng)級(jí)，局部性原理允許系統(tǒng)使用主存作為虛擬地址空間最近被使用的磁盤塊。
• 重復(fù)引用一個(gè)變量的程序具有良好的時(shí)間局部性；對(duì)于取指令來說，循環(huán)具有良好的時(shí)間和空間局部性。循環(huán)體越小，循環(huán)迭代次數(shù)越多，局部性越好。

5、存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)

1.中心思想：每層存儲(chǔ)設(shè)備都是下一層的“緩存”。

2.任何時(shí)刻，第k層的緩存包含第k+1層塊的一個(gè)子集的拷貝。

結(jié)構(gòu)

• 高速緩存是一個(gè)小而快速的存儲(chǔ)設(shè)備，它作為存儲(chǔ)在更大也更慢的設(shè)備中的數(shù)據(jù)對(duì)象的緩沖區(qū)域。使用高速緩存的過程稱為緩存。
• 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的中心思想：對(duì)于每個(gè)k，位于k層的更快更小的存儲(chǔ)設(shè)備作為位于k+1層的更大更慢的存儲(chǔ)設(shè)備的緩存。
• 第k+1層的存儲(chǔ)器被劃分成連續(xù)的數(shù)據(jù)對(duì)象片，稱為塊。數(shù)據(jù)總是以塊大小為傳送單元，在第k層和第k+1層之間來回拷貝。雖然在層次結(jié)構(gòu)中任何一對(duì)相鄰的層次之間塊的大小是固定的，但是其他層次對(duì)之間可以有不同的塊大小。

1. 緩存命中：當(dāng)程序需要第k+1層的某個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象d時(shí)，首先在當(dāng)前存儲(chǔ)于第k層的一個(gè)塊中查找d，且d剛好緩存在第k層。

2. 緩存不命中：當(dāng)程序需要第k+1層的某個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象d時(shí)，首先在當(dāng)前存儲(chǔ)于第k層的一個(gè)塊中查找d，且第k層沒有緩存數(shù)據(jù)對(duì)象d。
覆蓋一個(gè)現(xiàn)存的塊的過程稱為替換或驅(qū)逐這個(gè)塊，被驅(qū)逐的這個(gè)塊也稱為犧牲塊。決定該替換哪個(gè)塊由緩存的替換策略控制。

3. 緩存不命中的種類：如果第k層的緩存為空，則對(duì)任何數(shù)據(jù)對(duì)象的訪問都會(huì)不命中。

• 冷緩存：空的緩存，此類不命中稱為強(qiáng)制性不命中（冷不命中）。通常是短暫的事件，不會(huì)在反復(fù)訪問存儲(chǔ)器使得緩存暖身之后的穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)。
• 只要發(fā)生了不命中，第k層的緩存就必須執(zhí)行某個(gè)放置策略，確定把它從第k+1層中取出的塊放在哪里。
• 當(dāng)工作集的大小超過緩存的大小時(shí)，緩存會(huì)經(jīng)歷容量不命中。

4.緩存管理：存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是每一層存儲(chǔ)設(shè)備都是較低一層的緩存，在每一層上，某種形式的邏輯必須管理緩存。即某個(gè)東西要將緩存劃分成塊，在不同的層之間傳送塊，判斷是命中還是不命中，并處理它們。

6、高速緩存存儲(chǔ)器

• 作用：連接CPU和主存
• 每個(gè)存儲(chǔ)器地址有m位，形成M=2^m個(gè)不同地址。這m位被劃分成t個(gè)標(biāo)記位、s個(gè)組索引位和b個(gè)塊偏移位。
• 這樣一個(gè)機(jī)器的高速緩存被組織成S=2^s個(gè)高速緩存組的數(shù)組；每個(gè)數(shù)組包含E個(gè)高速緩存行；每行由一個(gè)B=2^b字節(jié)的數(shù)據(jù)塊、一個(gè)有效位（指明這個(gè)行是否包含有效信息）、t=m-(b+s)個(gè)標(biāo)記位（唯一標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)在這個(gè)高速緩存行中的塊）組成

直接映射高速緩存：

• 高速緩存確定一個(gè)請(qǐng)求是否命中，然后抽搐被請(qǐng)求字的過程，分為：組選擇，行匹配，字抽取
• 組選擇：從w的地址中抽取組索引；這些位被解釋成對(duì)應(yīng)于一個(gè)組號(hào)的無符號(hào)整數(shù)
• 行匹配：對(duì)于直接映射高速緩存，行匹配是容易而且快的；因?yàn)槊總€(gè)組只有一行
• 字匹配：塊偏移提供的是這個(gè)字的第一個(gè)字節(jié)是從哪個(gè)位置開始的

教材學(xué)習(xí)中的問題和解決過程

課本習(xí)題

6.2
磁盤容量 = 512字節(jié)/扇區(qū)400扇區(qū)/磁道10 000磁道/表面2表面/盤片2盤片/磁盤 = 8 192 000 000 字節(jié) = 8.192G

6.3
訪問時(shí)間 = Taveseek+Taverotation+Tavetransfer = 8ms+0.51/15000RPM60secs.min1000ms/s+1/15000RPM1/50060secs/min1000ms/s=8ms+2ms+0.008ms=10.008ms

6.4
(1)最好的情況即順序映射：T=Taveseek+Taverotation+2Tmaxrotation=5ms+3ms+26ms=20ms (2)非順序映射，讀每一塊都需要Taveseek+Tavgrotation=8ms。所以讀2000塊總時(shí)間為T = 8ms*2000=16000ms=16s

6.11
在填充了之后，對(duì)于x和y數(shù)組，只有在引用第0個(gè)和第4個(gè)元素的時(shí)候發(fā)生不命中。因而命中率為75%

代碼調(diào)試中的問題和解決過程

本周主要學(xué)習(xí)存儲(chǔ)技術(shù)及其原理，對(duì)于高速緩存的一步一步的過程理解的還是有點(diǎn)不夠深入，還需要自己多動(dòng)手一步一步模擬cpu執(zhí)行讀取時(shí)發(fā)生了什么。

本周代碼托管

代碼托管鏈接

學(xué)習(xí)進(jìn)度條

代碼行數(shù)（新增/累積）博客量（新增/累積）學(xué)習(xí)時(shí)間（新增/累積）重要成長

目標(biāo)	5000行	30篇	400小時(shí)
第一周	200/200	2/2	20/20
第二周	300/500	2/4	18/38
第三周	500/1000	3/7	22/60
第四周	300/1300	2/9	30/90
第五周	500/1000	3/12	22/120
第六周	100/1300	2/15	30/150
第七周	500/1000	3/18	22/180

參考資料

• 《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)V2》學(xué)習(xí)指導(dǎo)
• ...

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/20145238jym/p/6013561.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的20145238-荆玉茗 《信息安全系统设计基础》第7周学习总结的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。