存儲器層次結構
6.1 存儲技術
6.1.1 随機通路存儲器（RAM） 運存
·靜态（SRAM）：用來作為高速緩存存儲器。将每個位存儲在一個雙穩态的存儲器單元裡。
并無限期的保持在兩個狀态或配置之一。其他任何狀态都是不穩定的。
在有幹擾的情況下，當幹擾消除電路恢複穩定。
·動态（DRAM）：用來作為主存以及圖形系統的幀緩沖區。将每個位存儲為對一個電容的充電。
對幹擾十分敏感，當電容電壓被擾亂之後就不會恢複了。
靜态與動态的差別：
·隻要有供電SRAM就會保持不變，與DRAM不同不需要重新整理
·SRAM的存取比DRAM快
·SRAM對抗幹擾能力比DRAM強，而功耗更大
·傳統的DRAM
DRAM中的單元被分為d個超單元，超單元被分為r行c列的陣型，d=rc。每個超單元都由w個DRAM單元組成。
資訊通過外部引腳連接配接器流入和流出晶片
引腳可以傳送位元組date或者超單元位址addr
行位址i稱為RAS，列位址j稱為CAS，請求共享相同的位址引腳，中間會過渡一個内部行緩沖區
采用二位陣列而不是線性數組的優點是減少位址引腳的數量，缺點是必須分兩步發送位址增加通路時間
·增強的DRAM
快頁模式：傳統模式對同一行連續通路超單元需要發送多次請求，而快頁模式一次RAS或CAS後跟多個CAS請求可直接達到目的，進而時間更快。
擴充資料輸出：快頁模式的增強版，CAS信号在時間上靠的更緊
同步：同步比異步存儲器更快的輸出超單元的内容
雙倍資料速率同步：同步的增強模式，兩個時鐘沿作為控制信号，速度翻倍。
·非易失性存儲器（ROM） 記憶體
區分方式：被重新編寫的次數和重編所用的機制
·可程式設計ROM：隻能編寫一次
·可擦寫可程式設計ROM：多次編寫
·通路主存
資料流在處理器和DRAM中來回通過。讀事物指主存傳送資料到CPU;寫事物指CPU傳送資料到主存
I/O橋的作用：将系統總線的電子信号翻譯成存儲器總線的電子信号
讀寫事物基本分為三步：CPU讀位址→傳送資料字→存儲資料
6.1.2 磁盤存儲
·磁盤構造：由一個或多個盤片構成，盤片表面覆寫磁性記錄材料，通過中央的轉軸旋轉。
盤片上有同心圓圍成的磁道每個磁道劃分為一組扇區
·磁盤容量：可記錄的最大位數。決定因素：記錄密度、磁道密度、面密度
計算磁盤容量：
練習題6.2，可以根據公式算出，其中，有多少個柱面就代表有多少個磁道的集合
·磁盤操作：尋道：沿着半徑軸前後移動傳動臂，可以定位在任何磁道上。
對扇區的通路時間有三個主要的部分：（平均）
尋道時間：移動傳動臂所需的時間，依賴于讀寫頭以前的位置以及讀寫的速度
旋轉時間：驅動器等待目标扇區的第一個旋轉位的到達，依賴于讀寫頭到達目标磁道是盤面的位置和磁盤的旋轉速度
傳送時間：目标扇區第一個位位于讀寫頭下，依賴于旋轉速度和磁道的扇區數目
從公式可以看出：平均傳送時間 = 最大傳送時間 * 1/一個磁道的扇區數
·邏輯磁盤塊：維護着邏輯塊号和實際磁盤扇區之間的映射關系
三元組：盤面，磁道，扇區
·連接配接到I/O裝置：
·通用串行總線：連接配接USB總線，各種外圍I/O裝置。
·圖形卡;硬體和軟體邏輯，代表CPU在顯示器上畫像素。
·主機總線擴充卡：連接配接磁盤
·通路磁盤：CPU使用存儲器映射技術
6.1.3 固态硬碟：處理來自PCU的讀寫邏輯磁盤塊的請求
·順序讀比順序寫稍微快一點，但随即通路寫比讀慢一個數量級，原因：擦除塊需要時間；修改資料需要拷貝到新的塊。
·SSD的優缺點：由半導體儲存器構成，沒有移動的部件，是以通路速度快，能耗低，結實
但是容易磨損
6.2 局部性
時間局部性：被引用過的存儲器的位置在将來可能被多次引用 （同一存儲器）
空間局部性：被引用過的存儲器的位置在将來可能引用附近一個存儲器的位置 （不同存儲器）
6.2.1 對程式資料引用的局部性
·順序引用模式：步長為1的引用模式。随着步長的增加，空間局部性下降
6.2.2 取指令的局部性：程式指令是放在存儲器中的，CPU必去讀取指令，是以能評價程式關于取指令的局部性
CPU隻能讀取指令不能修改或重寫
·對于取指令來說，循環良好的時間和空間局部性，循環體越小，疊代次數越多，局部性越好。
練習題6.8 步長為1，遵循行優先順序來通路，從内到外。
練習題6.9 關鍵是明白數組在存儲器中排列的。
函數1，步長為1，始終遵循從内到外，空間性最好
函數2，N個結構中的每一個局部性最好，但是需要跳轉到下個結構。
函數3，結構内跳轉，結構與結構之間跳轉，是以空間性最差
6.3 存儲器層次結構
6.3.1 存儲器結構中的緩存
·中心思想：位于k層的更小更快的儲存設備作為位于k+1層更大更慢的儲存設備的緩存
資料總是以塊大小為傳送單元在上下層之間來回拷貝。離CPU越遠，使用的塊越大。
·緩存命中：需要k+1層的某個資料d，剛好在k層找到
·緩存不命中：覆寫現象：從k=1層取出包含d的塊到k層，如果k層滿則覆寫
6.3.2 小結
6.4 高速緩存存儲器
6.4.1 通用的高速緩存存儲器結構
·高速緩存包含S個高速緩存組2^s
·每個組包含E個高速緩存行
·每個行有2^b位元組的資料塊
是以高速緩存的大小 C = S * E * B
·練習題6.10 根據6-28的表推理計算
6.4.2 直接映射高速緩存：高速緩存行數隻有一行
·組選擇：高速緩存從w位的位址中抽取s組索引位
·行比對：确定是否有字w的一個拷貝存儲在組i包含的一個高速緩存行中。每個組隻有一行。
·字選擇：确定所需的字在快中從哪裡開始。塊偏移提供了所需的字的第一個位元組的偏移
·不命中時的行替換：從存儲器層次結構中的下一層取出被請求的塊
·綜合
·标記位和索引位連接配接起來唯一的标示了存儲器中的每個塊
·多個塊同一映射到一個高速緩存組
·映射到同一高速緩存組的塊由标記位唯一标示
·CPU執行一系列讀時都發生了什麼
1）讀位址0的字：緩存不命中，從第一層取出塊0并傳回存儲器位置0的内容
2）讀位址1的字：高速緩存命中，立即從高速緩存行的塊1中傳回
3）讀位址13的字：緩存不命中，是以塊6加載到組2
4）讀位址8的字緩存不命中，但是緩存行有效，标記位不比對，塊4加載到組0。
·沖突不命中：即使有良好的空間局部性且好俗緩存中也有足夠的空間，但是引用還是會導緻沖突不命中，因為：
這些塊被映射到了同一個高速緩存組，導緻速度下降
每組隻有一行
6.4.3 組相連的高速緩存
·組選擇：與直接映射高速緩存相同
·行比對和字選擇：高速緩存必須搜尋組中的每一行，尋找一個有效的行标記與位址中的标記相比對
！圖6-36 ！
·不命中時對的行替換：替換政策就是随機選擇要替換的行
6.4.4 全相連高速緩存
·是有一個包含所有高速緩存行的組組成
·組選擇：注意位址中沒有組索引位，位址被劃分為标記和塊偏移
·行比對和字選擇：與組相連是規模大小的差別
6.4.5 有關寫的問題
·直寫：立即将w的高速緩存塊寫回到緊挨着的低一層
·寫回：盡可能的推遲存儲器更新直到替換算法要驅逐更新過的塊
·寫配置設定：加載相應的低一層中的塊到高速緩存中，然後更新這個高速緩存塊
6.4.7 高速緩存參數的性能影響
·不命中率：不命中數量/引用數量
·命中率：1-不命中率
·命中時間：高速緩存傳送一個字到CPU的時間
·不命中處罰：
·高速緩存大小的影響、塊大小的影響、相連度的影響、寫政策的影響。
6.5 編寫高速緩存友好的代碼
基本方法：讓最常見的情況運作得快
在每個循環内部緩存不命中數量最小
6.6 綜合：高速緩存對程式性能的影響
6.6.1 存儲山