📔 csapp chapter06 存储器层次结构学习笔记

内容和图片来源说明¶

书籍《深入理解计算机系统》第3版第 06 章
PPT：CMU CS15-213 2015 及课程笔记

1. 存储技术和趋势（storage technologies and trends）¶

存储系统为CPU存放指令和数据。在简单模型中，存储器系统被抽象成一个线性的字节数组。

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。

1.1 随机访问存储器¶

RAM的主要特性：一般被封装在芯片中，多个芯片的组合成为主存。最基本的存储单位称为单元（cell），一个cell存储一个bit。

随机访问存储器（Random- Access Memory，RAM）根据存储单元的设计方式分为两类： - SRAM（Static RAM，静态RAM）：作为高速缓存存储器，既可在CPU芯片上，也可在片下。 - DRAM（Dynamic RAM，动态RAM）：作为主存以及图形系统的帧缓冲区。

SRAM比DRAM快，也贵很多。

1.1.1 传统DRAM¶

主要细节研读《csapp》书籍第6章 6.1 小节

早期DRAM芯片中的单元（位）被分成d个超单元，每个超单元都由w个DRAM单元组成。一个 d*w 的DRAM共存储dw位信息。

早期电路设计者将DRAM组织成二维阵列而不是线性数组的原因： - 优点：降低芯片上地址引脚的数量。 - 缺点：必须分成两步发送地址，增加了访问时间。

1.1.2 内存模块¶

主要细节研读《csapp》书籍第6章 6.1 小节

DRAM芯片封装在内存模块中，插在主板的扩展槽位上。

1.1.3 增强DRAM¶

主要细节研读《csapp》书籍第6章 6.1 小节

在传统的DRAM上优化并提高访问基本DRAM单元的速度。类型如下： - 快页模式DRAM（Fast Page Mode DRAM，FPM DRAM）：改进了允许对同一行连续地访问可以直接从行缓冲区得到服务。 - 扩展数据输出DRAM（Extended Data Out DRAM，EDO DRAM）：FPM DRAM的增强形式。 - 同步DRAM（Synchronous DRAM，SDRAM）：与驱动内存控制器相同的外部时钟信号的上升沿来替代类似的控制信号。 - 双倍数据速率同步（Double Data- Rate Synchronous DRAM，DDR SDRAM）：使用两个时钟沿作为控制信号，使得DRAM速度翻倍。不同类型的DDR可提高有效带宽的很小的预取缓冲区的大小来划分：DDR（2位）、DDR2（4位）、DDR（8位）。 - 视频RAM（Video RAM，VRAM）：用在图形系统的帧缓冲区。

1.1.4 非易失性存储器¶

SRAM和DRAM都是易失性存储器，意味着如果断电，则会丢失其所保存的信息。

非易失性存储器：即使断电也会使得保存不受到影响。通用名称：只读存储器（ROM）。

存储在ROM设备中的程序通常称为固件（Firmware）。

非易失性存储器可在固件和软件中使用。

1.2 访问主存¶

总线（Bus）：一组并行的导线，能携带地址、数据和控制信号。取决于总线的设计，设备之间可进行共享总线。

控制器由存储在ROM中的指令和数据组成。

数据流通过总线的共享电子电路在CPU和DRAM主存之间传输。简易的总线系统抽象图如下：

总线事务（Bus Transaction）：每次CPU和主存之间的数据传送之间进行的操作步骤。

1.2.1 读事务（read transaction）¶

读事务（read transaction）：从主存传送数据到CPU。

1.2.2 写事务（write transaction）¶

写事务（write transaction）：从CPU传送数据到主存。

1.3 磁盘存储¶

磁盘是目前保存大量数据中广为应用的存储设备。

1.3.1 磁盘构造¶

可认为磁盘由盘片组成。

每个盘片的表面都有磁性记录材料（编码1和0的二进制位）。一个盘片有两个表面（上面和下面）。

读/写头：可感知编码位的磁场变化。

每个磁道包含很多个扇区（扇区存储着数据），一个扇区存储521个字节。

空隙（gap）不保存数据。

柱面（圆柱形）：轨道的集合组成。

1.3.2 磁盘容量¶

一个磁盘上可以记录的最大位数称为其最大容量（简称容量）。决定磁盘容量的技术因素： - 记录密度：决定单独一个扇区可存储多少比特或至少一个磁道的一部分。 - 磁道密度：指可将相邻的磁道放置得多近。

面密度决定整个磁盘的存储容量。

1.3.3 磁盘操作¶

磁盘用读/写头（read/write head）来读写存储在磁性表面的位，而读写头连接到一个传动臂一端。

磁盘总是密封包装，如果遇到磁道有阻碍，读/写头会停下来，撞到盘面。这就是所谓的读写头冲撞。

1.3.4 磁盘访问¶

磁盘是以扇区大小的块来读写数据。

对扇区的访问时间主要有三个部分：寻道时间（seek time）、旋转延迟（rotational latency）、传送时间（transfer time）。

寻道时间：移动读/写头所需的时间。寻道时间依赖于读/写头以前的位置和冲动臂在盘面上移动的速度。 > 为了读取某个目标扇区的内容，传动臂首先将读/写头定位到包含目标扇区的磁道上。
旋转延迟：驱动器等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头下的时间。 > 平均情况下是磁盘旋转一周所花费时间的一半。
传送时间：目标扇区的第一个位到达读写头时，驱动器开始读写内容。 > 一个扇区的传送时间依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数量。