第6章 存储器层次结构
知识点
1、RAM随机访问存储器
分类：SRAM（静态）、DRAM（动态）
特点：存储单元的内容可按需随意取出或存入，这种存储器在断电时将丢失其存储内容，即掉电失忆（常说的电脑内存就是RAM的）。
（1）SRAM
1.特点：1.不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。2.集成度较低，需要很大的体积。3.存取快。4.抗干扰。
2.应用：一般用来作为计算机中的高速缓冲存储器
优点:速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。
缺点:集成度低，功耗较大，相同的容量体积较大，而且价格较高，少量用于关键性系统以提高效率
（2）DRAM
1.特点：1.每个位存储为对电容的充电。2.周期性的用读出然后写回的方式刷新存储器每个位。
2.应用：一般用来作为计算机中的高速缓冲存储器
2、ROM只读存储器
1.分类：PROM、EPROM、E2PROM、FLASH
2.特点：一次写入，反复读取，即非易失性。
（1）PROM（可编程只读存储器）
只能被编程一次。每个存储器单元有一种熔丝，只能用高电流熔断一次。
（2）EPROM（可擦写可编程只读存储器）
可重复擦除和编程次数达到1000次。
（3）EEPROM（E2PROM电子可擦除可编程只读存储器）
1.不需要独立编程设备，可直接在印制电路卡上进行。
2.编程次数可达100000次。
（4）FLASH（闪存）
非易失性的内存，基于EEPROM。
3、磁盘
（1）结构、容量
由一些盘片构成，盘片的正反面都能存储数据，每个盘片分成许多的磁道，每个磁道分成一些扇区。（通常一个扇区为512B。）
• 表面：每个盘片有两个表面
• 主轴：盘片中央，可旋转
• 旋转速率：通常5400~15000/min
• 磁道：同心圆们
• 扇区：每个磁道被划分为一组扇区
• 数据位：每个扇区包含相等数量的~，通常为512字节
• 间隙：存储用来标识扇区的格式化位
• 磁盘驱动器-磁盘-旋转磁盘
• 柱面：所有盘片表面上到主轴中心的距离相等的磁道的集合。
磁盘的容量 = 每扇区大小*每磁道扇区数*磁道数 *2 * 盘片数量
（2）访问时间
1.对扇区的访问时间包括：寻道时间，旋转时间和传送时间
1.寻道时间：将读写磁头放在包含要访问的扇区的磁道上。T(seek)，取决于磁头以前的位置和传动臂移动的速度。
2.旋转时间：定位到磁道后，转动盘片，直到指定的扇区到达磁头下。取决于读写头到达目标磁道时的位置和盘片的转速。
最大旋转时间就是盘片转一圈的时间了。
3.传送时间：读扇区内容需花费的时间。取决于转速和每条磁道的扇区数目。
2.计算时间公式
T(max rotation)=1/RPM * 60secs/1min ——最大旋转延迟时间
T(avg rotation)=1/2 * T(max rotation) ——平均延迟时间
T(avg transfer)=1/RPM * 1/(平均扇区数/磁道) * 60secs/1min ——平均传送时间
T(access)=T(avg seek)+T(avg rotation)+T(avg transfer) ——整个估计的访问时间
总结：访问一个磁盘扇区中512字节主要花在寻道时间和旋转延迟
（3）逻辑磁盘块
1.磁盘控制器，维护逻辑块号和物理磁盘扇区之间的映射关系。
2.要执行I/O操作时，操作系统发送一个命令到磁盘控制器，执行一个快速表查找，将一个逻辑块号翻译成一个三元组（盘面，磁道，扇区），唯一标识列对应的物理扇区。
3.解释三元组：将读写头移动到适当柱面，等待山区移动到读写头下，将读写头感知到的位放到控制器上的小缓冲区中，将它们拷贝到主存中。
（4）总线
数据总线、控制总线、地址总线、系统总线、存储总线、I/O总线
（这部分主要采用了对各个名词“百度”的方式进行学习了解）
存储总线：1.并行传递方式。
2.指令和数据向CPU传递时的通道。
3.细分为三组:数据总线(用于传递数据);地址总线(用于传递主存储器的地址);控制总线(用于各种内部控制指令的传递)。
系统总线：1.传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息。
2.数据总线（用于传送数据信息）；地址总线（用来传送地址的，地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口， 地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小）；控制总线（用来传送控制信号和时序信号）。
I/O总线：指缆线和连接器系统，用来传输I/O路径技术指定的数据和控制信号。
4、局部性
1.有良好局部性的程序比局部性差的程序运行的更快。
2.分为时间、空间局部性
（1）数据引用局部性
对于sum来说，有很好的时间局部性，因为sum是标量，对于sum来说，没有空间局部性；对于变量v，有很好的控件局部性，但是因为每个向量元素只被访问一次，因此时间局部性很差。因此，总体来说，sumvec函数有很好的局部性。
（2）取指令局部性
上述一维数组示例中，for循环中的指令是按照连续的存储器顺序执行的，因此循环有良好的空间局部性。因为循环体会被执行多次，所以也有很好的时间局部性。
（3）局部性小结
评价一个程序中局部性的简单原则：
1.重复引用同一个变量从的程序有良好的时间局部性；
2.对于步长为k的引用模式的程序，步长越小，空间局部性越好。具有步长为1的引用模式的程序有很好的空间局部性；
3.对于取指令来说，循环有很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。
5、存储层次结构
1.中心思想：每层存储设备都是下一层的“缓存”。
2.任何时刻，第k层的缓存包含第k+1层块的一个子集的拷贝。
（1）缓存命中
若需要访问k+1层里的数据块d，如果d已经缓存在第k层，则称缓存命中。
（2）缓存不命中
若d不在第k层，则是缓存不命中。第k层缓存会从第k+1层缓存中取出包含d的那个块。如果第k层缓存已满，就可能会覆盖现存的一个块。
替换策略：1.随机替换策略-随机牺牲一个块。2.最少被使用替换策略LRU-牺牲最后被访问的时间距离现在最远的块。
（3）缓存不命中的种类
1.强制性不命中（冷不命中）
一个空的缓存称为冷缓存，对任何数据对象的访问都不会命中。通常是短暂事件，不会在反复访问存储器使得缓存暖身之后的稳定状态中出现。
2.冲突不命中
限制性的放置策略——将第k+1层的某个块限制放置在第k层块的一个小的子集中。
3.容量不命中
当工作集的大小超过缓存的大小时，缓存会经历容量不命中，就是说缓存太小了，不能处理这个工作集。
6、高速缓存结构
（1）通用的高速缓存存储器结构
。
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
标记位：t=m-(b+s)个，唯一标识了存储在这个高速缓存行中的块
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。
（2）直接映射高速缓存
1.每组只有一行的高速缓存叫直接映射高速缓存。
2.高速缓存确定一个请求是否命中，然后抽取出被请求的字的过程，分为三步：1）组选择 2）行匹配 3）字抽取
a）组选择
如果把高速缓存看做一个关于组的一维数组，那么这些组的索引位就是一个到这个数组的索引。
b）直接映射高速缓存行匹配
当且仅当设置了有效位，而且告诉缓存行中的标记与w的地址中标记相匹配时，这一行中包含w的一个拷贝。（有效位+标记）
c）直接映射高速缓存中的子选择
块偏移位提供了所需要的字的第一个字节的偏移。
d）直接影射高速缓存中时的行替换
如果缓存不命中，那么它需要从存储器层次结构的下一层去除被请求的块，然后将新的块存储在组索引位指示的组中的一个高速缓存行中。
（3）组相联高速缓存
1.组选择
与直接映射高速缓存中的组选择一样，组索引位标识组。
2.行匹配和字选择
把每个组看做一个小的相关联存储器，是一个（key，value）对的数组，以key为输入，返回对应数组中的value值。高速缓存必须搜索组中的每一行，寻找有效的行其标记与地址中的相匹配。
形式是(key, value)，用key作为标记和有效位去匹配，匹配上了之后返回value。
组中的任意一行都可以包含任何映射到这个组的存储器块，所以告诉缓存必须搜索组中的每一行。
3.组相连高速缓存中不命中时的行替换：
随机替换
最不常使用策略LFU：替换在过去某个时间窗口内引用次数最少的那一行。
最近最少使用策略LRU：替换最后一次访问时间最久远的那一行。
（4）全相连高速缓存
1.组选择
只有一个组，没有组索引位。
2.行匹配和字选择
与组相连高速缓存是一样的，但规模大很多，因此只适合做小的高速缓存，例如虚拟存储系统中的翻译备用缓冲器。
遇到问题及解决
1.书上说：DRAM每个位存储为对电容的充电。
解决：我理解的意思是：电容里有电就是1，没电就是0。
2.针对书上图6-20为什么行扫描是"i<N","j<M"？
解决：我发现小组中有同学提问。我的理解是i的循环先进一次到j的循环，直到j的条件不满足再次进行i的循环，所以是：先i<N,再j<M(j率先完成一轮循环——即是行扫描)。
其他
总结体会
看本章第一节内容时感觉小的知识点很多，学起来没有清晰的线路，之后按照老师的教材导读给出的知识点进行学习是比较清晰的。
参考资料
《深入理解计算机系统》