第六章、儲存器層次結構
存儲器系統：具有不同容量、成本和通路時間的存儲器裝置的層次結構。計算機程式的基本屬性：局部性。具有良好局部性的程式傾向于一次又一次通路相同的或者鄰近的資料項集合，傾向于從存儲器層次結構中較高層次處通路資料項，是以運作的更快。
一、存儲技術
（1）随機通路存儲器（RAM）
靜态RAM：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。
動态RAM：用來作為主存以及圖形系統的幀緩沖區。
傳統的DRAM：
1.資訊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。
2.每個DRAM信号被連接配接到稱為存儲控制器的電路，電路每次傳輸量為8位。CAS請求共享相同的DRAM位址引腳。
通路主存
總線：資料流通過稱為總線的共享電子電路在處理器和DRAM之間傳送。
總線事務：CPU和主存之間的資料傳送的過程。
I/O橋：将系統總線的電子信号翻譯成存儲器總線的電子信号
（2）非易失性存儲器（ROM）
斷電，DRAM和SRAM都會丢失資訊：ROM。
可程式設計ROM（PROM）：隻能被程式設計一次。PROM每個存儲單元有一種熔絲，隻能用高電流熔斷一次。
可擦寫可程式設計ROM：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：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10^5。
閃存：為大量的電子裝置提供快速而持久的非易失性存儲。
（3）磁盤存儲
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。
磁盤容量決定因素：
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。
邏輯磁盤塊：現代磁盤将盤面的構造視為一個B個扇區大小的邏輯塊序列，磁盤控制器維護着邏輯塊号和實際磁盤扇區之間的映射關系。
連接配接到I/O裝置：所有的I/O裝置都是通過I/O總線連接配接到CPU和主記憶體。
有三種不同類型：
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： 将一個或者多個磁盤連接配接到I/O總線，使用一個特别的主機總線接口定義的通信協定。
（4）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。DRAM和磁盤的性能滞後于CPU的性能。
二、局部性
對程式資料引用的局部性：
時間局部性：被引用過一次的存儲器位置在未來會被多次引用。
空間局部性：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。
三、存儲器層次結構
（1）存儲器層次結構中的緩存
高速緩存是一個小而快速的儲存設備，作為存儲在更大、更慢的裝置中的資料對象的緩沖區域。每一層存儲器被劃分成連續的資料對象片，稱為塊，每個塊都有唯一的對象和名字。資料總是以塊大小為傳送單元在第k層和第k+1層之間來回拷貝。
緩存不命中的種類
1.強制性不命中/冷不命中：第k層緩存是空的（冷緩存），隻是短暫的狀态，不會在反複通路存儲器使得緩存暖身之後的穩定狀态出現。
2.沖突不命中：第k+1層的第i塊，必須放置在第k層的塊（i mod 4）中，這種限制性的放置政策引起沖突不命中。
四、高速緩存存儲器
一個計算機系統每個存儲位址有m位，形成M=2^m個不同的位址。高速緩存被組織成一個有S=2^s個高速緩存組的數組，每個組包含E個高速緩存行，每個行是由一個B=2^b位元組的資料塊、一位有效位以及t=m-(b+s)個标記位組成，唯一辨別存儲在這個高速緩存行中的塊。
（1）直接映射的高速緩存
每組隻有一行（E=1）的高速緩存稱為直接映射高速緩存。高速緩存确定一個請求是否命中，然後抽取出被請求字的過程分為三步：組選擇、行比對、字抽取。
（2）全相連高速緩存
全相連高速緩存中的組選擇：隻有一個組，沒有組索引位。
全相連高速緩存中的行比對和字選擇：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。
（3）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
影響性能的因素
高速緩存大小的影響：較大的高速緩存可能會提高命中率，但使大存儲器運作的更快是更難一些的。
塊大小的影響：較大的塊能利用程式中可能存在的空間局部性，幫助提高命中率；但塊越大意味着高速緩存行較少，損害時間局部性。
相聯度的影響：相聯度較大（E值較大）優點是降低了高速緩存由于沖突不命中出現抖動的可能性，但成本較高。
寫政策的影響：直寫高速緩存易實作，而且能使用獨立于高速緩存的寫緩沖區，用來更新存儲器，不命中開銷小。寫回高速緩存引起的傳送比較少，允許更多的到存儲器的寬帶用于執行DMA的I/O裝置。越下層越可能使用寫回。
五、學習感想
本次課程偏重文字較多，耐心學習即可。
參考資料
深入了解計算機系統