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學(xué)習(xí)計(jì)時(shí)：共14小時(shí)

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第六章 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)

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

存儲(chǔ)技術(shù)

一、隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器

　　1.分類(lèi)：SRAM（靜態(tài)）、DRAM（動(dòng)態(tài)）

　　2.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(shuō)的電腦內(nèi)存就是RAM的）。

1、靜態(tài)RAM

　　用來(lái)作為高速緩存存儲(chǔ)器，每個(gè)位存儲(chǔ)在一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)的存儲(chǔ)器單元里。

　　雙穩(wěn)態(tài)：電路可以無(wú)限期的保持在兩個(gè)不同的電壓配置或者狀態(tài)之一。只要供電，就會(huì)保持不變。

　　1.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。

　　2.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。 ?

　　3.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、動(dòng)態(tài)RAM?

　　用來(lái)作為主存以及圖形系統(tǒng)的幀緩沖區(qū)。將每個(gè)位存儲(chǔ)為對(duì)一個(gè)電容的充電，當(dāng)電容的電壓被擾亂之后，他就永遠(yuǎn)都不會(huì)再恢復(fù)了。暴露在光線(xiàn)下會(huì)導(dǎo)致電容電壓改變。

　　1.特點(diǎn)：

　　　　① 每個(gè)位存儲(chǔ)為對(duì)電容的充電。

　　　　② DRAM存儲(chǔ)器單元對(duì)干擾非常敏感。

　　　　③ 周期性的用讀出然后寫(xiě)回的方式刷新存儲(chǔ)器每個(gè)位。

3、傳統(tǒng)的DRAM

　　1.DRAM芯片中的單元（位）被分成了d個(gè)超單元，每個(gè)超單元都由w個(gè)DRAM單元組成， 一個(gè)d*w的DRAM共存儲(chǔ)dw位信息。

　　2.超單元被組織成一個(gè)r行c列的長(zhǎng)方形陣列，rc=d。每個(gè)超單元的地址用（i，j）來(lái)表示（從零開(kāi)始）。設(shè)計(jì)成二維矩陣是為了降低芯片上地址引腳的數(shù)量。

　　3.信息通過(guò)稱(chēng)為引腳的外部連接器流入/流出芯片，每個(gè)引腳攜帶一個(gè)1位信號(hào)。

　　4.每個(gè)DRAM信號(hào)被連接到稱(chēng)為存儲(chǔ)控制器的電路，電路每次傳輸量為8位。行地址i，RAS請(qǐng)求；列地址j，CAS請(qǐng)求共享相同的DRAM地址引腳。

4、存儲(chǔ)器模塊

　　　雙列直插存儲(chǔ)器模塊（DIMM）：168個(gè)引腳，以64位為塊傳入/傳出數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)控制器。

　　　單列直插存儲(chǔ)器模塊（SIMM）：72個(gè)引腳，以32位為塊傳入/傳出數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)控制器。

5、增強(qiáng)的DRAM

　　1.快頁(yè)模式-FPM DRAM：允許對(duì)同一行連續(xù)的訪(fǎng)問(wèn)可以直接從行緩沖區(qū)得到服務(wù)。（原本的DRAM對(duì)同一行的四條指令時(shí)，每條指令取完后都會(huì)丟棄，然后重新讀取。）

　　2.擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出-EDO DRAM：允許單獨(dú)的CAS信號(hào)在時(shí)間上靠的更緊密一點(diǎn)。同步-SDRAM：用與驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)控制器相同的外部時(shí)鐘信號(hào)的上升沿來(lái)代替許多這樣的控制信號(hào)-比異步的更快。

　　3.雙倍數(shù)據(jù)速率同步-DDR SDRAM：通過(guò)使用兩個(gè)時(shí)鐘沿作為控制信號(hào)，從而使DRAM的速度翻倍。

　　4.分類(lèi)：DDR（2位）,DDR2（4位），DDR3（8位）。

6、非易失性存儲(chǔ)器

　　DRAM、SRAM斷電丟失數(shù)據(jù)，是易失的。

　　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(xiě)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。

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二、磁盤(pán)存儲(chǔ)

1、磁盤(pán)構(gòu)造

　　磁盤(pán)由盤(pán)片構(gòu)成，表面覆蓋著磁性記錄材料，中央有一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的主軸?，旋轉(zhuǎn)速率大約為5400-15000每分鐘。磁盤(pán)的每個(gè)表面是一組稱(chēng)為磁道的同心圓組成，每個(gè)磁道被劃分為一組扇區(qū)，扇區(qū)之間由一些間隙隔開(kāi)，間隙存儲(chǔ)用來(lái)標(biāo)識(shí)扇區(qū)的格式化位。柱面是所有盤(pán)片表面上到主軸中心的距離相等的磁道的集合。

2、磁盤(pán)容量

　　1.一個(gè)磁盤(pán)上可以記錄的最大位數(shù)稱(chēng)為他的最大容量，簡(jiǎn)稱(chēng)容量。由以下因素決定：

　　　　·記錄密度（位/英寸）:磁道一英寸的段中可以放入的位數(shù)。

　　　　·磁道密度（道/英寸）：從盤(pán)片中心出發(fā)半徑上一英寸的段內(nèi)可以有的磁道數(shù)。

　　　　·面密度（位/平方英寸）：記錄密度與磁道密度的乘積。

　　2.磁盤(pán)容量計(jì)算公式：

3、磁盤(pán)操作

　　1.磁盤(pán)用讀/寫(xiě)頭來(lái)讀寫(xiě)存儲(chǔ)在磁性表面的位，而讀寫(xiě)頭連接到一個(gè)傳動(dòng)臂?一端，通過(guò)移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂將讀寫(xiě)頭定位在磁道上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為尋道。磁盤(pán)以扇區(qū)大小的塊來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，對(duì)扇區(qū)的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間有三個(gè)主要的組成部分：

　　　　·尋道時(shí)間：轉(zhuǎn)動(dòng)臂將讀/寫(xiě)頭定位到包含目標(biāo)扇區(qū)的磁道上所需時(shí)間。

　　　　·旋轉(zhuǎn)時(shí)間：驅(qū)動(dòng)器等待目標(biāo)扇區(qū)的第一個(gè)位旋轉(zhuǎn)到讀/寫(xiě)頭下的時(shí)間。最大為

　　　　　　【平均旋轉(zhuǎn)時(shí)間是Tmax的一半。】

　　　　·傳送時(shí)間：讀寫(xiě)并傳送該扇區(qū)內(nèi)容的時(shí)間。平均傳送時(shí)間為：

4、邏輯磁盤(pán)塊

　　1.磁盤(pán)控制器，維護(hù)邏輯塊號(hào)和物理磁盤(pán)扇區(qū)之間的映射關(guān)系。

　　2.要執(zhí)行I/O操作時(shí)，操作系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)命令到磁盤(pán)控制器，執(zhí)行一個(gè)快速表查找，將一個(gè)邏輯塊號(hào)翻譯成一個(gè)三元組（盤(pán)面，磁道，扇區(qū)），唯一標(biāo)識(shí)列對(duì)應(yīng)的物理扇區(qū)。

　　3.三元組：將讀寫(xiě)頭移動(dòng)到適當(dāng)柱面，等待山區(qū)移動(dòng)到讀寫(xiě)頭下，將讀寫(xiě)頭感知到的位放到控制器上的小緩沖區(qū)中，將它們拷貝到主存中。

5、連接到I/O設(shè)備

　　所有的I/O設(shè)備都是通過(guò)I/O總線(xiàn)連接到CPU和主內(nèi)存。有三種不同類(lèi)型：

　　　　·通用串行總線(xiàn)：一個(gè)廣泛的使用標(biāo)準(zhǔn)，用于連接各種外圍I/O設(shè)備。

　　　　·圖形卡（或適配器）：包含硬件和軟件邏輯，代表CPU在顯示器上畫(huà)像素。

　　　　·主機(jī)總線(xiàn)適配器： 將一個(gè)或者多個(gè)磁盤(pán)連接到I/O總線(xiàn)，使用一個(gè)特別的主機(jī)總線(xiàn)接口定義的通信協(xié)議。

　　　　·訪(fǎng)問(wèn)磁盤(pán)：CPU使用一種稱(chēng)為存儲(chǔ)器映射I/O的技術(shù)向I/O設(shè)備發(fā)出命令，地址空間中為I/O設(shè)備通信保留的地址稱(chēng)為I/O端口。

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三、固態(tài)硬盤(pán)

　　1.固態(tài)硬盤(pán)是一種基于閃存的存儲(chǔ)技術(shù)。一個(gè)硬盤(pán)包由一個(gè)或者多個(gè)閃存芯片和內(nèi)存翻譯層組成，閃存芯片替代旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)中的機(jī)械驅(qū)動(dòng)器，而閃存翻譯層將對(duì)邏輯塊的請(qǐng)求翻譯成對(duì)底層物理設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)。

四、存儲(chǔ)技術(shù)趨勢(shì)

　　·不同的存儲(chǔ)技術(shù)有不同的價(jià)格和性能折中。

　　·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。

　　·DRAM和磁盤(pán)的性能滯后于CPU的性能。

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局部性

　　1.一個(gè)編寫(xiě)良好的計(jì)算機(jī)程序傾向于引用鄰近于其他最近引用過(guò)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，或者最近引用過(guò)的數(shù)據(jù)項(xiàng)本身。有良好局部性的程序比局部性差的程序運(yùn)行的更快，在硬件層引入高速緩存存儲(chǔ)器就體現(xiàn)了局部性原理。

　　2.時(shí)間局部性、空間局部性。

一、對(duì)程序數(shù)據(jù)引用的局部性

　　1.時(shí)間局部性(temporal locality)：被引用過(guò)一次的存儲(chǔ)器位置在未來(lái)會(huì)被多次引用（通常在循環(huán)中）。

　　2.空間局部性(spatial locality)：如果一個(gè)存儲(chǔ)器的位置被引用，那么將來(lái)他附近的位置也會(huì)被引用。

　　3.一個(gè)連續(xù)向量中，每隔k個(gè)元素進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，被稱(chēng)為步長(zhǎng)為k的引用模式，具有步長(zhǎng)為1的引用模式稱(chēng)為順序引用模式，隨著步長(zhǎng)增加空間局部性下降。

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二、取指令的局部性

　　1.程序指令是存放在存儲(chǔ)器中的，CPU讀取這些指令的過(guò)程中評(píng)價(jià)一個(gè)程序關(guān)于取指令的局部性。

　　2.代碼區(qū)別與程序數(shù)據(jù)的一個(gè)重要屬性就是在運(yùn)行時(shí)指令是不能被修改的。

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三、局部性小結(jié)

　　評(píng)價(jià)一個(gè)程序中局部性的簡(jiǎn)單原則：

　　　　1.重復(fù)引用同一個(gè)變量從的程序有良好的時(shí)間局部性。

　　　　2.對(duì)于步長(zhǎng)為k的引用模式的程序，步長(zhǎng)越小，空間局部性越好。具有步長(zhǎng)為1的引用模式的程序有很好的空間局部性。

　　　　3.對(duì)于取指令來(lái)說(shuō)，循環(huán)有很好的時(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。

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存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)

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一、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中的緩存

　　高速緩存是一個(gè)小而快速的存儲(chǔ)設(shè)備，作為存儲(chǔ)在更大、更慢的設(shè)備中的數(shù)據(jù)對(duì)象的緩沖區(qū)域。每一層存儲(chǔ)器被劃分成連續(xù)的數(shù)據(jù)對(duì)象片，稱(chēng)為塊，每個(gè)塊都有唯一的對(duì)象和名字。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(lái)回拷貝。

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)的第k層的一個(gè)塊中查找d，如果d剛好在第k層中，則稱(chēng)為緩存命中。

2、緩存不命中

　　如果k層中沒(méi)有緩存數(shù)據(jù)d，則稱(chēng)為緩存不命中，此時(shí)要從k+1層取出包含d的塊，可能會(huì)覆蓋（替換/驅(qū)逐）現(xiàn)在的一個(gè)塊（犧牲塊）。決定該替換哪個(gè)快是緩存的替換策略來(lái)控制的。（例如，隨機(jī)替換策略/LRU策略）

3、緩存不命中的種類(lèi)

　　利用時(shí)間局部性： 一旦一個(gè)數(shù)據(jù)在第一次不命中時(shí)被拷貝到緩存中，我們就會(huì)期望后面對(duì)該目標(biāo)有一系列的訪(fǎng)問(wèn)命中。

4、強(qiáng)制性不命中/冷不命中

　　第k層緩存是空的（冷緩存），只是短暫的狀態(tài)，不會(huì)在反復(fù)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器使得緩存暖身之后的穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)。

5、沖突不命中

　　第k+1層的第i塊，必須放置在第k層的塊（i?mod 4）中，這種限制性的放置策略引起沖突不命中。

6、利用空間局部性　

　　塊通常包含多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，我們通常期望后面對(duì)該塊中其他對(duì)象的訪(fǎng)問(wèn)能夠補(bǔ)償不命中后拷貝該塊的花費(fèi)。

二、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)概念小結(jié)

　　利用時(shí)間局部性： 一旦一個(gè)數(shù)據(jù)在第一次不命中時(shí)被拷貝到緩存中，我們就會(huì)期望后面對(duì)該目標(biāo)有一系列的訪(fǎng)問(wèn)命中。

　　利用空間局部性：塊通常包含多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，我們通常期望后面對(duì)該塊中其他對(duì)象的訪(fǎng)問(wèn)能夠補(bǔ)償不命中后拷貝該塊的花費(fèi)。

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高速緩存存儲(chǔ)器

一、通用的高速緩存存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

　　1.一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)每個(gè)存儲(chǔ)地址有m位，形成M=2^m個(gè)不同的地址。

　　2.高速緩存被組織成一個(gè)有S=2^s個(gè)高速緩存組的數(shù)組，每個(gè)組包含E個(gè)高速緩存行，每個(gè)行是由一個(gè)B=2^b字節(jié)的數(shù)據(jù)塊、一位有效位以及t=m-(b+s)個(gè)標(biāo)記位組成，唯一標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)在這個(gè)高速緩存行中的塊。

　　3.高速緩存的結(jié)構(gòu)用元組（S,E,B,m）來(lái)描述，高速緩存的大小C = S * E * B。

　4、地址：?? t位?????????? ? s位?????????? b位 ???????　　 標(biāo)記??? ??????? 組索引??? ????? 塊偏移

　　　　·s個(gè)組索引位：一個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)，說(shuō)明字必須存儲(chǔ)在哪個(gè)組中。
　　　　·t個(gè)標(biāo)記位：組中的哪一行包含這個(gè)字。
　　　　·b個(gè)塊偏移位：在B個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)塊中的字偏移。

二、直接映射的高速緩存

　　每組只有一行（E=1）的高速緩存稱(chēng)為直接映射高速緩存。高速緩存確定一個(gè)請(qǐng)求是否命中，然后抽取出被請(qǐng)求字的過(guò)程分為三步：

　　　　1）組選擇

　　　　2）行匹配

　　　　3）字抽取

　　1.直接映射高速緩存中的組選擇

　　　　高速緩存從要抽取的字的地址中抽取出S個(gè)組索引位，這些位被解釋成一個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)組號(hào)的無(wú)符號(hào)整數(shù)。

　　2.直接映射高速緩存中的行匹配

　　　　當(dāng)且僅當(dāng)設(shè)置了有效位，而且高速緩存行標(biāo)記與w的地址中的行標(biāo)記相匹配時(shí)，這一行中包含w的一個(gè)拷貝。

　　3.直接映射高速緩存中的字抽取

　　　　塊偏移位提供了所需要的字的第一個(gè)字節(jié)的偏移。

　　4.直接映射高速緩存中不命中時(shí)的行替換

　　　　需要從存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中的下一層取出被請(qǐng)求的塊，然后將新的塊存儲(chǔ)在組索引位指示的組中的一個(gè)高速緩存行中。

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三、組相連高速緩存

　　1.組相連高速緩存中的組選擇

　　　　與直接映射高速緩存中的組選擇一樣，組索引位標(biāo)識(shí)組。

　　2.組相連高速緩存中的行匹配和字選擇

　　　　把每個(gè)組看做一個(gè)小的相關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器，是一個(gè)（key，value）對(duì)的數(shù)組，以key為輸入，返回對(duì)應(yīng)數(shù)組中的value值。高速緩存必須搜索組中的每一行，尋找有效的行其標(biāo)記與地址中的相匹配。

　　3.組相連高速緩存中不命中時(shí)的行替換

　　　　最簡(jiǎn)單的替換策略是隨機(jī)選擇要替換的行，其他復(fù)雜的策略則使用了局部性原理，例如最不常使用、最近最少使用，等。

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四、全相聯(lián)高速緩存

　　1.全相連高速緩存中的組選擇

　　　　只有一個(gè)組，沒(méi)有組索引位。

　　2.全相連高速緩存中的行匹配和字選擇

　　　　與組相連高速緩存是一樣的，但規(guī)模大很多，因此只適合做小的高速緩存，例如虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中的翻譯備用緩沖器。

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五、高速緩存參數(shù)的性能影響

　　影響性能的因素：

　　　　·高速緩存大小的影響：較大的高速緩存可能會(huì)提高命中率，但使大存儲(chǔ)器運(yùn)行的更快是更難一些的。

　　　　·塊大小的影響：較大的塊能利用程序中可能存在的空間局部性，幫助提高命中率；但塊越大意味著高速緩存行較少，損害時(shí)間局部性。

　　　　·相聯(lián)度的影響：相聯(lián)度較大（E值較大）優(yōu)點(diǎn)是降低了高速緩存由于沖突不命中出現(xiàn)抖動(dòng)的可能性，但成本較高。

　　　　·寫(xiě)策略的影響：直寫(xiě)高速緩存易實(shí)現(xiàn)，而且能使用獨(dú)立于高速緩存的寫(xiě)緩沖區(qū)，用來(lái)更新存儲(chǔ)器，不命中開(kāi)銷(xiāo)小。寫(xiě)回高速緩存引起的傳送比較少，允許更多的到存儲(chǔ)器的寬帶用于執(zhí)行DMA的I/O設(shè)備。越下層越可能使用寫(xiě)回。

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編寫(xiě)高速緩存友好的代碼

基本方法：

　　讓最常見(jiàn)的情況運(yùn)行的快?

　　在每個(gè)循環(huán)內(nèi)部緩存不命中數(shù)量最小

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存儲(chǔ)器山

　　1.一個(gè)程序從存儲(chǔ)系統(tǒng)中讀數(shù)據(jù)的速率稱(chēng)為讀吞吐量，或者讀帶寬，通常以兆字節(jié)每秒（MB/s）為單位。

　　2.讀帶寬的時(shí)間和空間局部性的二維函數(shù)稱(chēng)為存儲(chǔ)器山。

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參考資料

1.教材：第六章《處理器體系結(jié)構(gòu)》，詳細(xì)學(xué)習(xí)指導(dǎo)：http://group.cnblogs.com/topic/73069.html

2.課程資料：https://www.shiyanlou.com/courses/413?實(shí)驗(yàn)六，課程邀請(qǐng)碼：W7FQKW4Y

3.教材中代碼運(yùn)行、思考一下，讀代碼的學(xué)習(xí)方法：http://www.cnblogs.com/rocedu/p/4837092.html

4.閆佳歆博客：http://www.cnblogs.com/20135202yjx/p/4907828.html

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轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/20135231hj/p/4906677.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的20135231 —— 第六周任务总结报告的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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