csapp第六章笔记-存储器结构

随机访问存储器（Random-Access-Memory）
磁盘存储
固态硬盘
局部性
存储器层次结构
- 缓存
高速缓存存储器
如何编写高速缓存友好的代码

存储器结构围绕着局部性：具有良好局部性的程序倾向于访问邻近的数据项集合。

随机访问存储器（Random-Access-Memory）

静态RAM

只要有电就保持不变无需刷新。
读取速度快。
对干扰不敏感。
造价贵，主要用于高速缓存存储器。

动态RAM

对干扰敏感，由于会漏电而需要周期性的刷新。
读取速度较慢。
造价便宜，可用作主存和帧缓冲区。

为何将DRAM设计成二维矩阵而非线性数组：减少芯片地址上的引脚数。

增强的DRAM

基于传统DRAM,进行优化，改进访问速度。

快页模式DRAM(Fast Page Mode DRAM,FPM DRAM)。

传统的DRAM将超单元的一整行拷贝到它的内部缓冲区，使用一个，然后丢弃剩余的。

FPM DRAM允许对同一行连续地访问可以直接从行缓冲区获得服务。

扩展输出DRAM(Extended Data Out DRAM,EDO DRAM)

FPM DRAM的一个增强形式，它允许单独的CAS信号在时间上靠的紧密一些。

同步DRAM(Synchronous DRAM,SDRAM)

就它们与存储控制器通信使用一组显示的控制信号来说，常规的，FPM,EDO都是异步的。

最终效果就是SDRAM能够比那些异步的存储器更快输出超单元内容。

双倍数据速率同步DRAM(Double Date-rate Synchronous DRAM,DDR SDRAM)

DDR SDRAM是对SDRAM的一种增强。

通过使用两个时钟沿作为控制信号，从而使DRAM 速度翻倍。。

视频RAM

主要用在图形系统的帧缓冲区中。

非易失性存储器

DRAM和SRAM断电后会丢失信息，是易失的。

由于历史原因，虽然ROM有的类型既可以读也可以写，但是它们整体被称为只读存储器(Read-Only Memory,ROM)。

PROM (Programmable ROM,可编程ROM)

只能够被编程一次。PROM的每个存储器有一个熔丝，它只能用高电流熔断一次。

可擦写可编程ROM(Erasable Programmable ROM,EPROM)

EPROM能够被擦除和重编程的次数数量级可达1000次，电子可擦除PROM（EEPROM）类似EPROM，能编程的次数的数量级达到10^5级别

闪存（Flash Memory）

闪存也是一类非易失性存储器，基于EEPROM,已经成为一种重要的存储设备。

固态硬盘(Solid State Disk,SSD)：基于闪存的磁盘驱动器。

固件（firework）：存储在ROM设备中的程序，系统通电后会运行储存在ROM中的固件。

磁盘存储

从磁盘上读信息的时间为毫秒级，比从DRAM读慢了10w倍，比从SRAM读慢了100w倍。

磁盘构成

磁盘容量

对于与DRAM和SRAM容量相关的计量单位，1K=2^10,M=220,G=2^{30;对于与像磁盘和网络一样的I/O设备容量相关的计量单位，通常1K=10}3,M=10^6,G=109。

磁盘操作

逻辑磁盘块

访问磁盘和连接I/O设备

固态硬盘

局部性

局部性分为时间局部性和空间局部性,在具有良好的时间局部性的程序中，被引用过的的一次内存位置很可能在不久的将来再次被引用，在具有良好的空间局部性的程序中，如果一个内存位置被引用过一次，那么程序很可能在不久的将来引用附近的一个内存位置。

for(int i=0;i<N;i++)

    sum+=nums[i];/*对sum而言有良好时间局部性，对nums而言有良好空间局部性*/

像上面这样访问nums,成为步长为1的引用模式/顺序引用模式，一个连续向量中，每隔k个元素进行访问，称为步长为k的引用模式。一般而言，随步长增加，空间局部性下降。

存储器层次结构

速度较快的技术每字节的成本要比速度较慢的高，而且容量较小。对于一个典型的存储器层次结构，一般而言从底层往高层走，存储设备变得更大、更慢、更便宜。

缓存

高速缓存(cache) 是一个小而快速的存储设备。

缓存（caching）：使用高速缓存的过程。

第k+1层存储器被划分为来纳许的数据对象组块，即块（block)，块可以是固定大小也可以是可变大小，数据总以块的大小来传输数据。

缓存命中

程序需要第k+1层数据，在第k层中的块查找，若该数据刚好存在于第k层，则称为缓存命中。

缓存不命中

强制性不命中/冷不命中：即k层缓存为空，又叫冷缓存，这种不命中是短暂事件，不会重复执行。

冲突不命中：某些对象映射到同一个缓存块，导致缓存一直不命中。

容量不命中：缓存太小而无法处理工作集。

一旦发生不命中，就要驱逐/替换某个牺牲块。

高速缓存存储器

S:2^s组数

E:每组的行数

B=2^b:块大小（字节)

m=log2(M):物理地址位数

C=SxExB:容量大小

抖动(thrash):高速缓存反复地加载和驱逐相同的高速缓存块的组。

采用中间的位做索引：相邻的块能够映射到不同的高速缓存行中，使得对高速缓冲使用效率提高。

如何编写高速缓存友好的代码

让最常见的情况运行得快

将注意力放在核心函数的循环中

尽量减少每个循环内部的缓存不命中数量

1.对局部变量反复引用

2.使用步长为1的引用方式