20135323符運錦-資訊安全系統設計基礎第七周學習總結

學習計時：共11小時

讀書：5小時

代碼：2小時

作業：2小時

部落格：2小時

第六章 存儲器層次結構

第一節 存儲技術

1. 随機通路存儲器

• 1. 靜态RAM（SRAM）：用來作為高速緩存存儲器，每個位存儲在一個雙穩态的存儲器單元裡。雙穩态：電路可以無限期的保持在兩個不同的電壓配置或者狀态之一。隻要供電，就會保持不變。
• 2. 動态RAM（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，當電容的電壓被擾亂之後，他就永遠都不會再恢複了。暴露在光線下會導緻電容電壓改變。優勢是密集度低，成本低。

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  • 3.傳統的DRAM：DRAM晶片中的單元（位）被分成了d個超單元，每個超單元都由w個DRAM單元組成， 一個d*w的DRAM共存儲dw位資訊。超單元被組織成一個r行c列的長方形陣列，rc=d。每個超單元的位址用（i，j）來表示（從零開始）。設計成二維矩陣是為了降低晶片上位址引腳的數量。息通過稱為引腳的外部連接配接器流入/流出晶片，每個引腳攜帶一個1位信号。DRAM晶片包裝在存儲器子產品中，它是插到主版的擴充槽上的。
• 4.存儲器子產品：DRAM晶片包裝在存儲器子產品中，是插在主機闆的擴充槽上的。168個引腳的雙列直插存儲器子產品-以64位為塊傳送或傳出資料。72個引腳的單列直插存儲器子產品-以32位為塊傳送資料。

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• 5.增強的DRAM：

  快頁模式DRAM：許對同一行連續的通路可以直接從行緩沖區得到服務。

  擴充資料輸出DRAM：允許單獨的CAS信号在時間上靠的更緊密一點。

  同步DRAM：用驅動存儲控制器相同的外部時鐘信号的上升沿來替代許多的異步信号，比異步的更快。

  雙倍資料速率同步DRAM：通過使用兩個時鐘沿作為控制信号，使得DRAM的速度翻倍。

  

  

  • 6.非易失性存儲器：如果斷電，DRAM和SRAM都會丢失資訊。非易失型存儲器：即使在關電後，也仍然儲存着它們的資訊；稱為ROM。PROM：隻能被程式設計一次。可擦寫可程式設計ROM（EPROM）：紫外線光照射過視窗，EPROM就被清除為0，被擦除和重程式設計的次數為1000次。電子可擦除ROM（EEPROM）：不需要一個實體上獨立的程式設計裝置，是以可以直接在印制電路卡上程式設計，能夠程式設計的次數為10^3。閃存：基于EEPROM，為大量的電子裝置提供快速而持久的非易失性存儲。當一個計算機系統通電之後，它會運作存儲在ROM中的固件。
  • 7.通路主存：總線是一組并行的導線，能攜帶位址、資料和控制信号。資料流通過總線在處理器和DRAM主存之間來回。控制線攜帶的信号會同步事務，并辨別出目前正在被執行的事務的類型。CPU和主存之間的資料傳送是通過一系列步驟來完成的，稱為總線事務。.I/O橋、晶片組、主存：前兩者之間通過系統總線連接配接；後兩者通過存儲器主線連接配接。在讀寫事務中，均是分三步完成。

    

1. 磁盤存儲

1. 磁盤構造：磁盤由盤片構成，表面覆寫着磁性記錄材料，中央有一個可以旋轉的主軸 ，旋轉速率大約為5400-15000每分鐘。磁盤的每個表面是一組稱為磁道的同心圓組成，每個磁道被劃分為一組扇區，扇區之間由一些間隙隔開，間隙存儲用來辨別扇區的格式化位。磁盤是儲存大量資料的儲存設備；但讀取速度慢。柱面：所有盤片表面到主軸中心距離相等的磁道的集合。

   

2. 磁盤容量：一個磁盤上可以記錄的最大位數稱為最大容量，即容量。記錄密度：磁道一英寸的段中可以放入的位數；磁道密度：從盤片中心出發半徑上一英寸的段内可以有的磁道數；面密度：記錄密度與磁道密度的乘積。

   

3. 磁盤操作：磁盤用讀/寫頭來讀寫存儲在磁性表面的位，讀寫頭連接配接到傳動臂，前後移動傳動臂可以到達任何磁道，定位到了期望的道，磁道旋轉每個位通過時就可讀寫該位。多個盤片針對每一個都有獨立的讀寫頭，且位于同一柱面上。對扇區的通路主要有三個部分：尋道時間：依賴于讀/寫頭以前的位置和傳動臂在盤面上移動的速度。旋轉時間：驅動器等待目标扇區的第一個位旋轉到讀/寫頭下，依賴于盤面位置和旋轉速度。最大旋轉延遲。傳送時間：依賴于旋轉速度和每條磁道的扇區數目，平均傳送時間。通路一個磁盤扇區内容的平均時間為平均尋道時間，平均旋轉延遲和平均傳送時間之和。

   

   

   

4. 邏輯磁盤塊：的是為了向作業系統隐蔽磁盤的結構複雜性。磁盤将其呈現為一個有B個扇區的邏輯塊的序列；磁盤中有一個固件裝置——磁盤控制器，維護者邏輯酷愛号和實際磁盤扇區之間的映射關系。作業系統是以邏輯塊号為機關進行尋址操作的。
5. 連接配接到I/O裝置：輸入輸出裝置都是通過I/O總線連接配接到CPU和主存的。與系統總線和存儲器總線不同，它可以設計成與CPU無關的。通用串行總線：一個廣泛的使用标準，用于連接配接各種外圍I/O裝置。圖形卡（或擴充卡）包含硬體和軟體邏輯，代表CPU在顯示器上畫像素。主機總線擴充卡将一個或多個磁盤連接配接到I/O總線，使用特别的主機總線接口定義的通信協定。其他裝置，如網絡擴充卡，插入到主機闆上空的擴充槽，進而連接配接到I/O總線。
6. 通路磁盤：CPU使用一種稱為存儲器映射I/O的技術來向I/O裝置發出指令的。在使用其的系統中，位址空間中，有一塊位址是為與I/O裝置通信保留的；叫做I/O端口

   

   

   

   

   1. 固态硬碟

7. 固态硬碟是一種基于閃存的存儲技術。一個硬碟包由一個或者多個閃存晶片和記憶體翻譯層組成，閃存晶片替代旋轉磁盤中的機械驅動器，而閃存翻譯層将對邏輯塊的請求翻譯成對底層實體裝置的通路

   

   SSD優點：随機通路時間比旋轉磁盤更快，能耗更低，更結實。SSD缺點：容易磨損，較貴，容量通常隻是旋轉磁盤的1%

   1. 存儲技術趨勢

• 不同的存儲技術有不同的價格和性能折中。不同存儲技術的價格和性能屬性以截然不同的速率變化着。增加密度進而降低成本比降低通路時間更容易，DRAM和磁盤的性能滞後于cpu的性能。

第二節 局部性

1. 對程式資料引用的局限性

1. 時間局部性(temporal locality)：被引用過一次的存儲器位置在未來會被多次引用（通常在循環中）。
2. 空間局部性(spatial locality)：如果一個存儲器的位置被引用，那麼将來他附近的位置也會被引用。
3. 一個連續變量中，每隔k個元素進行通路，就被稱為步長為k的引用模式。

   1. 取指令的局限性

4. 程式指令是存放在存儲器中的，CPU必須取出（讀出）這些指令。

   1. 局限性小結

第三節 存儲器層級結構

1. 存儲器層次結構中的緩存

1.存儲器層次結構的中心思想是：對于每個k，位于k層的更快更小的儲存設備作為位于（k+1）層的更大更慢的儲存設備的緩存。第（k+1）層的存儲器被劃分成連續的資料對象片，稱為塊；資料總是以塊大小為傳送單元在相鄰兩層之間來回拷貝的；在任何時刻，第k層的緩存包括第（k+1）層塊的一個子集的拷貝。

2.緩存命中：當程式需要第k+1層的某個資料對象d時，首先在目前存儲的第k層的一個塊中查找d，如果d剛好在第k層中，則稱為緩存命中。緩存不命中：如果k層中沒有緩存資料d，則稱為緩存不命中，此時要從k+1層取出包含d的塊，可能會覆寫（替換/驅逐）現在的一個塊（犧牲塊）。決定該替換哪個快是緩存的替換政策來控制的。

3.緩存不命中的種類：強制性不命中/冷不命中：第k層的緩存為空（稱為冷緩存），任何通路都會不命中。沖突不命中：放置政策為将第k+1層的塊限制放置在第k層塊的一個小的子集中。容量不命中：每個階段通路緩存塊的某個相對穩定不變的集合，稱為這個階段的工作集。

4.緩存管理：指某個東西要将緩存劃分成塊，在不同層之間傳遞塊，判定是命中還是不命中，并處理他們。

1. 存儲器層次結構概念小結

第四節 存儲器層級結構

L1高速緩存：2~4個時鐘周期。L2高速緩存：10個時鐘周期。L3高速緩存：30~40個時鐘周期

1. 通用的高速緩存存儲器結構

1.S：這個數組中有S=2^s個高速緩存組。E：每個組包含E個高速緩存行。B：每個行是由一個B=2^b位元組的資料塊組成的。m：每個存儲器位址有m位，形成M=2^m個不同的位址

2. 有效位：每個行有一個有效位，指明這個行是否包含有意義的資訊。标記位：t=m-(b+s)個，唯一的辨別存儲在這個高速緩存行中的塊。組索引位：s。塊偏移位：b

3.

二、直接映射高速緩存

1、根據E（每個組的高速緩存行數）劃分高速緩存為不同的類，E=1的稱為直接映射高速緩存。

2

3．組選擇：高速緩存從要抽取的字的位址中抽取出S個組索引位，這些位被解釋成一個對應于一個組号的無符号整數。

4. 行比對：當且僅當設定了有效位，而且高速緩存行标記與w的位址中的行标記相比對時，這一行中包含w的一個拷貝。

5. 字抽取：塊偏移位提供了所需要的字的第一個位元組的偏移。

6. 直接映射高速緩存中不命中時的行替換：需要從存儲器層次結構中的下一層取出被請求的塊，然後将新的塊存儲在組索引位訓示的組中的一個高速緩存行中。

三、組相連高速緩存

每個組都儲存有多于一個的高速緩存行。一個 1<E<C/B 的高速緩存通常稱為E路組相聯高速緩存。

1.組選擇：組索引位辨別組

2. 行比對和字選擇：行比對更複雜，必須檢查多個行的标記位和有效位，字選擇與前面一樣。

不命中時的行替換：緩存不命中時，高速緩存從存儲器中取出包含這個字的塊，替換行時，如果沒有空行，按照替換政策替換。

四、全相連高速緩存

1. 組選擇：隻有一個組，沒有組索引位。

2. 行比對和字選擇：與組相連高速緩存是一樣的，但規模大很多，是以隻适合做小的高速緩存，例如虛拟存儲系統中的翻譯備用緩沖器。

五、有關寫的問題

1.

直寫，立即将w的高速緩存塊協會到緊接着的低一層中。

2. 寫回，隻有當替換算法要驅逐更新過的塊時，才寫到緊接着的低一層中

3. 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。

4. 非寫配置設定：避開高速緩存，直接把這個字寫到低一層中。

六、高速緩存參數的性能影響

3相聯度的影響：降低了高速緩存由于沖突不命中出現抖動的可能性

第五節 編寫高速緩存友好的代碼

1. 讓最常見的情況運作的快。

2. 在每個循環内部緩存不命中數量最小。

第六節 綜合：高速緩存對程式性能的影響

參考資料

• www.Topsage.com（深入了解計算機系統）PDF
• http://www.cnblogs.com/rocedu/p/4837092.html

遇到的問題

存儲器山那個圖像感覺半知半解，希望老師能做系統講解。

體會

本章節主要講存儲器及相關結構，相對易懂，但仍然存在一些問題，我會在今後的學習中繼續加油，力争上遊。