20145329 《信息安全系统设计基础》第七周学习总结
教材学习内容总结
存储技术
基本存储技术：SRAM存储器 、DRAM存储器、ROM存储器、旋转硬盘、固态硬盘
- 静态RAM（SRAM）
将每个位存储在一个双稳态的存储器单元里，每个单元是用一个六晶体管电路来实现的。
特点：它可以无限制地保持在两个不同的电压配置或状态之一。其他任何状态都是不稳定的。只要有电，它就会永远地保持它的值，即使有干扰，如电子噪音，来扰乱电压，当干扰消除，电路也能恢复到稳定值。
应用：SRAM用来作为高速缓存存储器，即可以在CPU芯片上，也可以在片下。
- 动态RAM（DRAM）
DRAM将每个位存储为对一个电容的充电，由一个电容和一个访问晶体管组成。
特点：对干扰特别敏感，当电容的电压被扰乱之后，它就永远不会恢复了。暴露在光线下会导致电容电压改变。
应用：DRAM用来作为主存以及图形系统的帧缓冲区。
- 静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）对比
只要供电，SRAM就会保持不变。与DRAM不同，它不需要刷新。SRAM存取比DRAM快。SRAM对诸如光和噪声这样的干扰不敏感，代价是SRAM单元比DRAM单元使用更多的晶体管，因而密集度低，而且更贵，功耗较大
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传统DRAM
DRAM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共存储了dw位信息。 -
ROM的区分：能被重编程的次数和对他们进行重编程所用的机制。
PROM：只能被编程一次。
EPROM：可擦写可编程ROM，紫外线光照清除单元内容，可擦写次数数量级1000。
EEPROM：电子可擦除PROM，可以直接在印制电路卡上编程，可擦写次数数量级10^5。
FLASH：闪存，基于EEPROM。 -
磁盘存储
由盘片构成，每个盘片有两面或者称为表面，表面覆盖着磁性记录材料。盘片中央有一个可以旋转的主轴，使得盘片以固定的旋转速率旋转。
每个表面是由一组称为磁道的同心圆组成；每个磁道被划分成一组扇区；每个扇区包含相等数量的数据位（通常是512字节）；这些数据编码在扇区上的磁性材料中。扇区之间由一些间隙分隔开，这些间隙中不存在数据位。间隙存储用来标识扇区的格式化位。
对扇区的访问时间有三个主要的部分：
寻道时间：为了读取某个目标扇区的内容，传动臂把读/写头首先定位到包含目标扇区的磁道上，所需时间即为寻道时间，约等于最大旋转时间，寻道时间Tseek依赖于读写头以前的位置和转动臂在盘面上移动的速度。
旋转时间：定位到期望的磁道后，驱动器等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头下。依赖于当读写头到达目标扇区时盘面的位置和磁盘旋转速度。
传送时间：当目标扇区的第一个位位于读写头下时，驱动器就可以开始读或者写该扇区的内容。依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数目。
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连接到I/O设备
I/O总线比系统总线比存储器总线慢，但是它可以容纳种类繁多的第三方I/O设备。
通用串行总线USB：连接到USB总线的设备的中转机构
图形卡（适配器）：包含硬件和软件逻辑，负责代表CPU在显示器上画像素
主机总线适配器：将一个或多个磁盘连接到I/O总线 -
固体磁盘
固态硬盘是一种基于闪存的存储技术，一个SSD包由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层组成，闪存芯片替代传统旋转磁盘中机械驱动器；闪存翻译层（一个硬件/固件设备）替代磁盘控制器，将对逻辑块的请求翻译成对底层物理设备的访问。
性能特性： 顺序读和写（CPU按顺序访问逻辑磁盘块）性能相当，顺序读比顺序写稍快一点。随机顺序访问逻辑块时，写比读慢一个数量级。
局部性
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局部性原理
一个编写良好的计算机程序常常具有良好的局部性，即倾向于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。 -
两种不同形式
空间局部性
时间局部性 -
对程序数据引用的局部性
步长为k的定义：一个连续变量中，每隔k个元素进行访问。
步长为1的引用模式：就是顺序访问一个向量的每个元素，有时也被称为顺序引用模式，它是程序中空间局部性常见和重要的来源。
一般来说，随着步长增加，空间局部性下降。
C语言中数组在存储器中是按照行顺序存放的
量化评价一个程序中局部性的简单原则：
重复引用同一个变量的程序有良好的时间局部性
对于具有步长为k的引用模式的程序，步长越小，空间局部性越好
对于取指令来说，循环有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。
存储器层次结构
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存储技术：不同的存储技术的访问时间差异很大，速度较快的技术每字节的成本要比速度较慢的技术高，而且容量较小，CPU和主存之间的速度差距在增大。
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高速缓存与缓存：高速缓存cash是一个小而快速的存储设备，它作为存储在更大、更慢的设备中的数据对象的缓冲区域。使用高速缓存的过程称为缓存。
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存储器层次结构的中心思想：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，即每层存储设备都是下一层的“缓存”
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缓存命中
当程序需要第k+1层的某个数据对象d时，首先在当前存储在第k层的一个块中查找d，如果d刚好缓存在第k层中，就称为缓存命中。 -
缓存不命中
即第k层中没有缓存数据对象d。 -
替换策略：
决定替换哪个块
随机替换策略：随机选择一个牺牲块
最近最少被使用替换策略：选择最后被访问的时间距现在最远的块 -
高速缓存存储器
L1高速缓存：位于CPU寄存器文件和主存之间，访问速度2-4个时钟周期
L2高速缓存：位于L1高速缓存和主存之间，访问速度10个时钟周期
L3高速缓存：位于L2高速缓存和主存之间，访问速度30或40个时钟周期
- 通用的高速缓存存储器结构
高速缓存是一个高速缓存组的数组，高速缓存的结构将m个地址划分成了t个标记位，s个组索引位和b个块偏移位。
它的结构可以用元组（S,E,B,m）来描述：
m：每个存储器地址有m位，形成M=2^m个不同的地址
S：这个数组中有S=2^s个高速缓存组
E：每个组包含E个高速缓存行
B：每个行是由一个B=2^b字节的数据块组成的
标记位：t=m-(b+s)个，唯一的标识存储在这个高速缓存行中的块
有效位：每个行有一个有效位，指明这个行是否包含有意义的信息
- 直接映射高速缓存
高速缓存确定一个请求是否命中，然后取出被请求的字的过程，分为三步：
组选择
行匹配
字抽取
-直接映射高速缓存中的冲突不命中
原因：在块之间抖动，即这些块被映射到了同一个高速缓存组，高速缓存反复的加载和驱逐相同的高速缓存块的组
解决方法：在每个数组的结尾放B字节的填充（B字节是一个块的长度，一行是一个块，相当于分开了行）从而使得他们映射到不同的组。
- 写
直写：立即将w的高速缓存块协会到紧接着的低一层中
写回：只有当替换算法要驱逐更新过的块时，才写到紧接着的低一层中。
写不命中的处理方法：
写分配（对应写回）：加载相应的低一层中的块到高速缓存中，然后更新这个高速缓存块。
非写分配（对应直写）：避开高速缓存，直接把这个字写在低一层中。
感悟
本章内容总体来说还是很有趣的，比较之前的抽象概念有比较多的实际的知识。
学习进度条
| 代码行数（新增/累积） | 博客量（新增/累积） | 学习时间（新增/累积） | 重要成长 | |
|---|---|---|---|---|
| 目标 | 5000行 | 30篇 | 400小时 | |
| 第一周 | 50/50 | 1/1 | 20/20 | |
| 第二周 | 50/100 | 1/2 | 30/50 | |
| 第三周 | 100/200 | 1/3 | 20/70 | |
| 第四周 | 0/200 | 0/3 | 20/90 | |
| 第五周 | 50/250 | 1/4 | 20/110 | |
| 第六周 | 50/300 | 1/5 | 20/130 | |
| 第七周 | 0/300 | 1/6 | 20/150 |