20145209 《信息安全系統設計基礎》第7周學習總結

教材學習內容總結

一.存儲技術

存儲器系統是一個具有不同容量、成本和訪問時間的存儲設備的層次結構。CPU寄存器保存著最常用的數據。靠近CPU的小的、快速的高速緩存存儲器作為一部分存儲在相對慢速的主存儲器中數據和指令的緩沖區域。主存暫時存放存儲在容量較大的、慢速磁盤上的數據，而這些磁盤常常又作為存儲在通過網絡連接的其他機器的磁盤或磁帶上的數據的緩沖區域。

1.隨機訪問存儲器（RAM，Random-access memory）

靜態RAM（SRAM）

（1）靜態RAM（SRAM）比動態RAM（DRAM）更快，但也貴很多。SRAM用來作為高速緩存存儲器，即可以在CPU芯片上，也可以不在CPU芯片上。DRAM用來作為主存以及圖形系統的幀緩沖區。

（2）SRAM將每個位存儲在一個雙穩態存儲器單元中。每個單元是用一個六晶體管電路來實現的。

（3）由于SRAM的雙穩態特性，只要有電，它就會永遠地保持它的值。

動態RAM（DRAM）

（1）DRAM將每個位存儲為對電容的充電。電容約為30×10-15F。

（2）DRAM存儲器單元對干擾非常敏感。

（3）當電容的電壓被擾亂之后就永遠不會恢復。

（4）優勢是密集度低，成本低。

傳統的DRAM

（1）DRAM的芯片中的單元被分成d個超單元，每個超單元都由w個DRAM單元組成。一個d*w的DRAM總共存儲了dw位的信息。超單元被組織成一個r行c列的長方形陣列，這里rc = d。信息通過引腳的外部連接器流入和流出芯片。

（2）信息通過稱為引腳的外部連接器流入/流出芯片，每個引腳攜帶一個1位信號。

（3）每個DRAM信號被連接到稱為存儲控制器的電路，電路每次傳輸量為8位。行地址i，RAS請求；列地址j，CAS請求共享相同的DRAM地址引腳。

存儲器模塊

（1）雙列直插存儲器模塊（Dual Inline Memory Module,DIMM）：168個管腳，它以64位為塊傳送數據到存儲控制器和從存儲控制器傳出數據。

（2）單列直插存儲器模塊（Single Inline Memory Module,SIMM）：72個管腳，它以32位為塊傳送數據。

增強的DRAM

（1）快頁模式DRAM：允許對同一行連續的訪問可以直接從行緩沖區得到服務，避免內部行緩沖區使用一個丟棄其他的現象。

（2）擴展數據輸出DRAM：允許單獨的CAS信號在時間上靠的更緊密一點。

（3）同步DRAM：用驅動存儲控制器相同的外部時鐘信號的上升沿來替代許多的異步信號，速度更快。

（4）雙倍數據速率同步DRAM：通過使用兩個時鐘沿作為控制信號，使得DRAM的速度翻倍。

（5）RambusDRAM：增大了最大帶寬。

（6）視頻RAM：用在圖形系統的幀緩沖區中，允許對存儲器并行的讀和寫。

非易失性存儲器

（1）如果斷電，DRAM和SRAM都會丟失信息，非易失性存儲器——只讀存儲器：ROM。ROM是以他們能夠被重編程的次數和對他們重編程的機制來區分的。

（2）可編程ROM（PROM）：只能被編程一次。PROM每個存儲單元有一種熔絲，只能用高電流熔斷一次。

（3）閃存是一個類小的非易失性存儲器，基于EEPROM，支持插撥。

訪問主存

（1）總線：總線是一組并行的導線，能攜帶地址、數據和控制信號。

（2）讀事務（read transaction）從主存傳送數據到CPU；寫事務（write transcation）從CPU傳送數據到主存。

（3）總線是一組并行的導線，能攜帶地址、數據的控制信號。

2.磁盤存儲

磁盤構造：磁盤由盤片構成，表面覆蓋著磁性記錄材料，中央有一個可以旋轉的主軸 ，旋轉速率大約為5400-15000每分鐘。磁盤的每個表面是一組稱為磁道的同心圓組成，每個磁道被劃分為一組扇區，扇區之間由一些間隙隔開，間隙存儲用來標識扇區的格式化位。

磁盤容量：
磁盤容量=（字節數/扇區）（平均盤區數/磁道）（磁道數/表面）*（盤片數/磁盤）

磁盤操作：磁盤用讀/寫頭來讀寫存儲在磁性表面的位，而讀寫頭連接到一個傳動臂一端，通過移動轉動臂將讀寫頭定位在磁道上的機械運動稱為尋道。

邏輯磁盤塊：現代磁盤將盤面的構造視為一個B個扇區大小的邏輯塊序列，磁盤控制器維護著邏輯塊號和實際磁盤扇區之間的映射關系。邏輯塊號可識別為一個盤面、磁道、扇區三元組，唯一的標識了相對應的物理扇區。操作系統是以邏輯塊號為單位進行尋址操作的。

連接到I/O設備：所有的I/O設備都是通過I/O總線連接到CPU和主內存。

3.固態硬盤

固態硬盤是一種基于閃存的存儲技術，在某些情況下是傳統旋轉磁盤的極有吸引力的替代產品。

一個SSD包由一個或多個閃存芯片和閃存翻譯層組成，閃存芯片——對應旋轉磁盤中機械驅動器，而閃存翻譯層是一個硬件/固件設備，扮演與磁盤控制器相同的角色。

二.局部性

局部性原理：一個編寫良好的計算機程序傾向于引用鄰近于其他最近引用過的數據項，或者最近引用過的數據項本身。

局部性有兩種形式：時間局部性（temporal locality）：在一個具有良好時間局部性的程序中，被引用過一次的存儲器位置很可能在不遠的將來再被多次引用。

空間局部性（spatial locality）：在一個具有良好空間局部性的程序中，如果一個存儲器位置被引用了一次，那么程序很可能在不遠的將來引用附近的一個存儲器位置。

1.對程序數據引用的局部性

程序指令是存放在存儲器中的，CPU讀取這些指令的過程中評價一個程序關于取指令的局部性。

代碼區別與程序數據的一個重要屬性是：在運行時指令是不能被修改的。

2.取指令的局部性

計算機程序傾向于引用鄰近于其他最近引用過的數據項的數據或其本身；這種傾向性，被稱為局部性原理。包括：時間局部性，空間局部性。有良好局部性的程序比局部性差的程序運行的更快。

體現：在硬件層，局部性原理允許計算機設計者通過引入稱為高速緩存器的小而快的存儲器來保存最近被引用的指令和數據項；在操作系統級，局部性原理允許系統使用主存作為虛擬地址空間最近被使用的磁盤塊。

重復引用一個變量的程序具有良好的時間局部性；對于取指令來說，循環具有良好的時間和空間局部性。循環體越小，循環迭代次數越多，局部性越好。

三.存儲器層次結構

存儲器層次結構的中心思想是：對于每個k，位于k層的更快更小的存儲設備作為位于（k+1）層的更大更慢的存儲設備的緩存。數據總是以塊大小作為傳送單元在第k層和k+1層之間來回拷貝的。第（k+1）層的存儲器被劃分成連續的數據對象片，稱為塊；數據總是以塊大小為傳送單元在相鄰兩層之間來回拷貝的；在任何時刻，第k層的緩存包括第（k+1）層塊的一個子集的拷貝。

四.高速緩存存儲器

1.直接映射高速緩存

每組只有一行（E=1）的高速緩存稱為直接映射高速緩存。高速緩存確定一個請求是否命中，然后抽取出被請求字的過程分為三步：組選擇/ 行匹配/ 字抽取

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個組索引位，這些位被解釋成一個對應于一個組號的無符號整數。

直接映射高速緩存中的行匹配：當且僅當設置了有效位，而且高速緩存行標記與w的地址中的行標記相匹配時，這一行中包含w的一個拷貝。

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字節的偏移。

直接映射高速緩存中不命中時的行替換：需要從存儲器層次結構中的下一層取出被請求的塊，然后將新的塊存儲在組索引位指示的組中的一個高速緩存行中。

2.組相連高速緩存

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，組索引位標識組。

組相連高速緩存中的行匹配和字選擇：把每個組看做一個小的相關聯存儲器，是一個（key，value）對的數組，以key為輸入，返回對應數組中的value值。高速緩存必須搜索組中的每一行，尋找有效的行其標記與地址中的相匹配。

組相連高速緩存中不命中時的行替換：最簡單的替換策略是隨機選擇要替換的行，其他復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。

3.全相連高速緩存

全相連高速緩存中的組選擇：只有一個組，沒有組索引位。

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，但規模大很多，因此只適合做小的高速緩存，例如虛擬存儲系統中的翻譯備用緩沖器。

4.有關寫的問題

直寫：立即將w的高速緩存塊寫回到緊接著的低一層中。

寫回: 盡可能推遲存儲器更新，只有當替換算法要驅逐已更新的塊時，才把它寫回存儲器。

寫分配：即加載相應的存儲器塊到高速緩存中，然后更新這個高速緩存器。

5.高速緩存參數的性能影響

有許多指標來衡量高速緩存的性能：

（1）不命中率：它是這樣計算的：不命中數量／引用數量

（2）命中率：命中的存儲器引用比率

（3）命中時間：命中時間的數量級是幾個時鐘周期

（4）不命中處罰

五.編寫高速緩存友好的代碼

確保代碼高速緩存友好的基本方法：

（1）讓最常見的情況運行的快。

（2）在每個循環內部緩存不命中數量最小。

六.高速緩存對程序性能的影響

1.存儲器山

一個程序從存儲系統中讀數據的速率稱為讀吞吐量，或者讀帶寬，通常以兆字節每秒（MB/s）為單位。

讀帶寬的時間和空間局部性的二維函數稱為存儲器山。

2.在程序中利用局部性

將你的注意力集中在內循環上，大部分計算和存儲器訪問都發生在這里。

通過按照數據對象存儲在存儲器中的順序、以步長為1的來讀數據，從而使得你程序中的空間局部性最大。

一旦從存儲器中讀入了一個數據對象，就盡可能多地使用它，從而使得程序中的時間局部性最大。

代碼托管鏈接

https://git.oschina.net/null_363_2267/linux-besti-is-2016-2017-1-20145209

本周代碼托管截圖

其他（感悟、思考等，可選）

這一章概念類的知識比較多，需要在看書的同時消化理解。另外，這次我自己單獨使用git進行第二次上傳，沒有按照老師的要求一個一個上傳，而是一起上傳了，上傳后經同學檢查才發現這個問題，以后我會按老師要求上傳代碼。

學習進度條

代碼行數（新增/累積）博客量（新增/累積）學習時間（新增/累積）重要成長

目標	5000行	30篇	400小時
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

參考資料

• 《深入理解計算機系統V2》學習指導
• ...

轉載于:https://www.cnblogs.com/liuyiyang/p/6013842.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的20145209 《信息安全系统设计基础》第7周学习总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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