第六章 存储器层次结构
存储器系统是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。
6.1 存储技术
一、了解三种常见存储技术：RAM/ROM/磁盘
1. 随机访问存储器：
分为静态RAM和动态RAM。 静态比动态更快。
（1）静态RAM（SRAM）
将每个位存储在一个双稳态的存储器单元里。
（2）动态RAM（SRAM）
将每个位存储为对一个电容的充电。电容很小，大约有30毫微微法拉。每个单元由一个电容和一个访问晶体管组成。 DRAM对干扰非常敏感。当电容的电压被扰乱后（暴露在光线下），将永远不会恢复。
两者比较：
2.传统的DRAM芯片
传统的DRAM芯片中的单元（位）被分为d个超单元，每个超单元由w个DRAM单元组成。一个d*w位的DRAM总共存储了dw位信息。
3.存储器模块
DRAM芯片芯片（插在主板的扩展槽上）包装在存储器模块中。常见的包括168引脚的双列直插存储器模块和７２引脚的单列直插存储器模块，分别以６４位和３２位为块传送数据到存储控制器和从存储控制器中传出数据。
4.增强的DRAM
快页模式DRAM（FPM DRAM）
扩展数据输出DRAM（EDO DRAM）
同步DRAM（SDRAM）
双倍数据速率同步DRAM（DDR SDRAM）
Rambus DRAM（RDRAM）
视频DRAM（VDRAM）
5.非易失性存储器
只读存储器——ROM。
ROM是以能够被重编程（写）的次数和对他们进行重编程所用的机制来划分的。ROM有PROM，EPROM，E2PROM，FLASH。
可编程ROM（PROM），只能被编程一次。每个存储器单元有一种熔丝，它只能用高电流熔断一次。
可擦写可编程ROM（EPROM）能够被擦除和重编程的次数的数量级可以达到1000次。电子可擦除ROM（EEPROM）类似于EPROM，但可以直接在印刷电路卡上编程。
闪存——基于EEPROM。基于闪存的新型的磁盘驱动器为固态硬盘（SSD）。
固件——存储在ROM中的程序。
6.访问主存
数据流通过称为总线的共享电子电路在处理器和DRAM主存之间来回。CPU和主存之间的数据传送通过一系列步骤来完成，这些步骤叫做总线事务。读事务：从主存传送数据到CPU。写事务：从CPU传送数据到主存。
！总线是一组并行的导线，能携带地址、数据和控制信号。
！重点理解：
二、磁盘存储
1.磁盘构造
磁盘结构：盘片、磁道、扇区、间隙、柱面；磁盘驱动器 磁盘是由盘片构成的。表面覆盖着磁性记录材料。
2.磁盘容量
3.磁盘操作
磁盘以扇区大小的块来读写数据。 对扇区的访问时间有三个主要部分：寻道时间、旋转时间和传送时间。
寻道时间：移动传动臂所需的时间成为寻道时间。其依赖于读/写头以前的位置和传动臂在盘面上移动的速度。一次寻道的最大时间可高达20ms。
旋转时间：依赖于当读写头到达目标扇区时盘面的位置和磁盘的旋转速度。最大旋转延迟是：
传送时间：依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数目。估计一个扇区以秒为单位的平均传送时间：
4.逻辑磁盘块
（这个很重要，内存可以看成字节数组、磁盘可以看成块数组） 现代磁盘构造一个B个扇区大小的逻辑块的序列，编号0—B-1。磁盘中有一个小的硬件/固件设备，成为磁盘控制器。可将一个逻辑块号翻译成一个（盘面、磁道、扇区）三元组。
5.连接到I/O设备
系统总线和存储器总线是与CPU相关的。 I/O总线比系统总线和存储器总线慢，但可以容纳种类繁多的第三方I/O设备。三种不同的设备连接到I/O总线：
6.访问磁盘
概要描述：
直接存储器访问——设备自己执行读或写总线事务，不需要CPU的干涉。这种数据传送成为DMA传送。
三、固态硬盘
固态硬盘（SSD）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（一个硬件/固件设备）组成。
随即读和写的性能差别是由底层闪存基本属性决定的。随机写慢的两个原因是： 擦除块需要将相对较长的时间；如果写操作试图修改一个包含已经有数据的页p，那么这个块中所有带有用数据的页都必须拷贝到一个新的块，然后才能进行对页p的写。
四、存储技术趋势
1.不同的存储技术有不同的价格和性能中折。
2.不同存储技术的价格和性能属性以截然不同的速率变化着。
6.2 局部性
局部性原理：一种倾向性，倾向于引用邻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。 局部性有两种不同的形式：时间局部性和空间局部性。在一个具有良好时间局部性的程序中，被引用过一次的存储器位置很可能在不远的将来再被多次引用。在一个具有良好空间局部性的程序中，如果一个存储器位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用附近的一个存储器位置。
一、对程序数据引用的局部性
随着步长的增加，空间局部性下降。
二、取指令的局部性
代码区别于程序的一个重要属性是在运行时他不能被修改。当程序正在执行时，CPU只从存储器中读取他的指令，绝不会重写或修改这些指令。
三、量化评价局部性的简单原则：
6.3 存储器层次结构
一、 存储器层次结构中的缓存
使用高速缓存的过程成为缓存。 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层的更慢更大的存储设备的缓存。即每层存储设备都是下一层的“缓存”。 数据以块大小为传送单元。一般而言，层次结构中较低层的设备的访问时间较长，倾向于使用较大的快。
1.缓存命中
当程序需要k+1层的某个对象d时，他首先在当前存储在第k层的一个块中查找d。如果d刚好缓存在这层中，就是缓存命中。该程序直接从第k层读取d。
2.缓存不命中
第k层没有缓存数据对象d。此时，第k层的缓存从第k+1层缓存中取出包含d的那个块。如果第k层缓存已经满了的话，可能就会覆盖现存的一个块。
3.缓存不命中的种类
强制性不命中（或冷不命中）、冲突不命中(这个不太理解)、容量不命中。
4.缓存管理
每一层存储设备都是较低一层的缓存。 管理缓存的逻辑可是硬件、软件或是两者结合。
6.4 高速缓存存储器
早期存储器结构只有三层——CPU寄存器、DRAM主存储器和磁盘存储。后又添加L1（一级缓存，为SRAM高速缓存存储器）、L2或L3高速缓存。
高速缓存根据每个组的高速缓存行数E分类。
一、 通用的高速缓存存储器结构
高速缓存结构可以用元组（S，E，B，m）来描述。高速缓存的大小（容量）C指的是所有块大小的和。标记位和有效位不包括在内。因此C=SEB。
二、直接映射高速缓存
每个组只有一行（E=1）的高速缓存。 高速缓存确定一个请求是否命中，然后抽取出被请求字的过程分为三步：（1）组选择；（2）行匹配；（3）字抽取
直接映射高速缓存中不命中时的行替换：用新取出的行替换当前的行。
总结： 高速缓存用来选择组和标识行的机制极其简单。 ·标记位和索引位连起来唯一地标识了存储器中的每个块。 ·有8个存储器块，只有4个高速缓存组。多个块映射到同一个高速缓存组（即有相同的组索引）。 ·映射到同一个高速缓存组的块由标记位唯一地标识。 工作流程： 初始时，高速缓存是空的（即每个有效位都是0）。 理解例子：
三、全相联高速缓存
由一个包含所有高速缓存行的组组成的。
遇到的问题及解决方法：
一开始看书的时候并不能完全理解有些知识，可能基础还是不太扎实。然后通过上网查找资料明白了许多，最后在做习题的过程中又加深了一遍印象。
但是对于缓存不明中中的冲突不明中不太理解：
这样的话不就没有办法进行缓存了吗。
参考资料：《深入理解计算机系统》