20135304刘世鹏——信息安全系统设计基础第周六学习总结

第六章 存储器层次结构

存储器系统是一个具有不同容量，成本和访问时间的存储设备的层次结构

RAM随机访问存储器

• SRAM

  1.特点： - a.不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。 - b.集成度较低，需要很大的体积。 - c.存取快。 - d.抗干扰。 2.应用：一般用来作为计算机中的高速缓冲存储器 

• 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 

磁盘存储

DRAM芯片包装在存储器模块中，它是查到主板的扩展槽中。常见的包装包括168个引脚的双列直插存储器模块，它以64位为块传送数据到存储控制器和从存储控制器传出的数据，还包括72个引脚的单列直插存储器模块，它以32位为块传送数据。

• 磁盘容量

  记录密度：（位/英寸）磁道一英寸的段中可以放入的位数  磁道密度：（道/英寸）从盘片中心出发半径上一英寸                     的段内可以有的磁道数   面密度：（为/平方英寸）记录密度*磁道密度  磁盘容量  =  (字节数/扇区) * （平均扇区数/磁道）*     （磁道数/表面）*（表面数/盘片）*（盘片数/磁盘） 

• 磁盘操作

  访问时间=寻道时间+旋转时间+传送时间  旋转时间：最大旋转延迟=（1/旋转速率）*（60sec*1000ms                     /sec）  平均旋转延迟=（1/2） * 最大旋转延迟  传送时间：平均传送时间=（1/旋转速率）*         （60sec*1000ms/sec）*（1/平均扇区数/磁道） 

• 逻辑磁盘块

  目的是为了向操作系统隐蔽磁盘的结构复杂性。磁盘将其呈现为一个有B个扇区的逻辑块的序列；磁盘中有一个固件设备——磁盘控制器，维护者逻辑酷爱号和实际磁盘扇区之间的映射关系。操作系统是以逻辑块号为单位进行寻址操作的。

局部性

• 局部性原理: CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。
• 时间局部性：被引用过一次的存储器位置很可能在不远的将来被再次引用。空间局部性：如果一个存储器位置被引用了一次，那么程序可能在不远的将来引用存储器附近的位置。
• 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。

存储器层次结构

• 存储器层次结构的中心思想是：对于每个k，位于k层的更快更小的存储设备作为位于（k+1）层的更大更慢的存储设备的缓存。
• 第（k+1）层的存储器被划分成连续的数据对象片，称为块；数据总是以块大小为传送单元在相邻两层之间来回拷贝的；在任何时刻，第k层的缓存包括第（k+1）层块的一个子集的拷贝。
• 缓存不命中的种类
  • 强制性不命中：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。
  • 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。
  • 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。
• 缓存的管理
  • 相关假定：假定存储器的地址有m位，便有M=2m 不同地址。 一个缓存被分成S=2s个的高速缓存组（cache set）， 每个组包含 E 个高速缓存行。 每个缓存行由一个B=2b字节的数据块，一个有效位，t=m-(b+s)个标记位组成。一个高速缓冲区的大小C = S * E * B。
  • 如何访问缓存：当要访问存储器中的一个字节时，给出的访问地址的m位中，前t位表示标记位，中间s位为组索引，最后b位为块偏移。
  • 缓存不命中时：当缓存不命中时，则若需要将存储器中的块放入缓存对应的组中。若组中的行都有数据，则需要进行替换，替换策略是：LFU或这LRU（不想细说了）
  • 三种缓存方式的划分：分为直接映射高速缓存，组相联高速缓存，全相联高速缓存若指定了S，E，B的值，则缓存的划分方式就已经确定了。缓存块与存储块之间也就建立了一种映射关系。

参考资料

• 《深入理解计算机操作系统》
• http://www.cnblogs.com/zzzz5/p/4906215.html