存儲器層次結構 --《深入了解計算機系統》第六章讀書筆記

1.幾種存儲技術

• 随機通路存儲器RAM，RAM又分為兩類：靜态的SRAM和動态的DRAM。
  • 靜态SRAM特點：容量較小，速度較之動态DRAM要快很多，故而價格也較高。一般用作CPU與記憶體的緩存。
  • 動态DRAM特點：容量較大，速度比SRAM慢，價格相對較低。一般用作系統記憶體。
• 磁盤存儲，存盤屬于外部I/O裝置，其特點是存儲容量大，但讀取速度更慢，價格也更加便宜。一般而言，從磁盤上讀資訊的時間為毫秒級，從DRAM讀比從磁盤讀快10萬倍，從SRAM讀比從磁盤讀快100萬倍。
  • 因為磁盤的構造是一個圓盤，盤上分布着一條條磁道（不同半徑就有不同的磁道），每次通路都要找到相應的磁道，然後磁盤旋轉到對應的啟示位置，故而，磁盤扇區通路時間=尋道時間+旋轉時間+傳輸時間。

2.局部性

　　在程式中，程式傾向于引用鄰近于其他最近引用過的資料項的資料項，或者就是最近引用的資料項本身，這種傾向，稱為局部性原理。打個比方，在如下一個二維數組的循環中，循環1的局部性就比循環2的更優秀。

/*有良好局部性的程式*/
int loop1( int array[M][N] ){
    int i = 0,j = 0,sum = 0;
    for( i = 0;i < M;i++ ){
        for( j = 0;j < N;j++ )
            sum += a[i][j];
    return sum;
}      

/*局部性很差的程式*/
int loop2( int array[M][N] ){
    int i = 0,j = 0,sum = 0;
    for( i = 0;i < M;i++ ){
        for( j = 0;j < N;j++ )
            sum += a[j][i];
    return sum;
}      

 　　程式局部性可以總結為以下：

• 重複引用一個變量的程式有良好的時間局部性。
• 對于具有步長為k的引用模式的程式，步長越小，空間局部性越好。相對得，在存儲器中以大步長跳來跳去的程式空間局部性會很差。
• 對于取指令來說，循環有好的時間和空間局部性。循環體越小，循環疊代次數越多，局部性越好。

3.高速緩存存儲器

　　随着CPU與主存之間的速度差距不見增加，故而早期的系統設計者被迫在CPU寄存器和主存之間插入了一個小的SRAM告訴緩存存儲器。而後來随着系統内部各存儲器結構之間速度差距的不斷增大，緩存這項技術也被用到了各存儲器結構之間，比如磁盤和記憶體。

　　緩存是為了減少各存儲器層次結構之間的速度差異而存在的，其作用就是在通路更低級的存儲器結構的時候，直接低層次存儲器結構的一個較大的塊存放到緩存存儲器中。這樣，下次要通路之前資料的鄰近資料時，就能快速得從緩存存儲器中得到資料。要編寫局部性良好的程式也是基于這個原因。