信息安全系统设计基础第六周学习总结

第六章．存储器层次结构

一、存储技术

三种常见存储技术：RAM / ROM / 磁盘

RAM：

RAM有SRAM和DRAM.

（1） SRAM：

（SRAM用来作为高速缓存存储器，既可以在CPU芯片上，也可以在片下。）

SRAM将每一个位存储在一个双稳态的存储器单元里，每个单元是用一个六晶体管电路来实现的。

电路属性：

双稳定特性。

可以无限期地保持在两个不同的电压配置或状态之一，其他任何状态都是不稳定的。（类似倒转的钟摆）

（2） DRAM：

DRAM将每个位存储为对一个电容的充电。

与SRAM不同，DRAM存储器单元对干扰非常敏感，当电容的电压被扰乱之后，它就永远不会恢复了。

传统的DRAM：

DRAM芯片中的单元（位）被分成d个超单元。信息流入和流出芯片的具体例子见P384。

存储器模块：

DRAM芯片包装在存储器模块中，它是插到主板的扩展槽上的。

168个引脚的双列直插存储器模块

72个引脚的单列直插存储器模块

增强的DRAM：

快页模式DRAM、扩展数据输出DRAM、同步DRAM、双倍数据速率同步 DRAM、Rambus DRAM、视频DRAM。

（3） SRAM和DRAM的比较：

见P384表格。

3．非易失性存储器：

即使在关电后，也仍然保存着它们的信息。

ROM中有的类型既可以读也可以写。

ROM中有PROM（可编程ROM）、EPROM（可擦可编程ROM）、EEPROM（电子可擦除PROM）、FLASH（闪存）

存储在ROM设备中的程序通常称为固件。

4. 访问主存：

数据流通过称为总线的共享电子电路在处理器和DRAM主存之间来来回回。

总线事物。（读写事物）

读事物从主存传数据到CPU，写事物从CPU传事物到主存。

图6-7要理解。

5. 磁盘存储

（1）磁盘构造：

具体图见P390

由盘片构成，、磁道、扇区、间隙、柱面；磁盘驱动器

（2）磁盘容量：

磁盘容量是由以下技术因素决定的：

记录密度（位/英寸）、磁道密度（道/英寸）、面密度（位/平方英寸）

计算磁盘容量的公式详见P391。

（3）访问时间：

磁盘以扇区大小的块来读写数据，对扇区的访问时间有三个主要的部分：

寻道时间、旋转时间、传送时间

平均旋转时间是最大旋转延迟的一半。

平均时间 = 平均寻道时间 + 平均旋转延迟 + 平均传送时间

注意做P393习题。

（4）逻辑磁盘块：

内存可以看成字节数组，磁盘可以看成块数组。

（5）总线：

系统总线、存储总线、I/O总线 （P395图理解）

二、局部性

局部性原理：程序倾向于引用临近于其他最近引用过的数据项的数据项或者最近引用过的数据项本身。

局部性两种不同的形式：

时间局部性（存储器位置一次引用后再次引用）、空间局部性（一个存储器位置被引用后下次引用邻近的存储器位置）

有良好局部性的程序比局部性差的程序运行得更快。

对程序数据引用的局部性：

（1）步长为1的引用模式：

顺序访问一个向量每个元素的函数，也称为顺序引用模式。

（2）步长为k的引用模式：

一个连续向量中，每隔k个元素进行访问。

（3）步长为1的引用模式是程序空间局限性常见和重要的来源。

随着步长的增加，空间局部性下降。

（4）双层嵌套循环按照行优先顺序读数组的元素。具有良好的空间局部性。

5. 取指令的局部性：

因为程序指令是存放在存储器中的，CPU必须取出（读出）这些指令，所以我们也能够评价一个程序关于取指令的局部性。

三、存储器层次结构

硬件和软件的基本属性互相补充的很完美。

存储器层次结构：一种组织存储器系统的方法，所有的现代计算机系统中都使用了这种方法。

一般而言，从高层往底层走，，存储设备变得更慢、更便宜和更大。

P405图

系统观（1+1>2）

举一反三：对称不对称加密形成的混合加密系统，混合动力汽车。。。。。

中心思想：

每层存储设备都是下一层的“缓存”。即对于每个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。

（ 对照P408表 存储器层次结构概念 理解）

存储器层次结构中的缓存

（1） 一般概念：

第k+1层的存储器被划分成连续的数据对象片，称为块；

类似的，第k层的存储器被划分成较少块的集合，每个块的大小与k+1层的块的大小一致。在任何时刻，

第k层的缓存包含第k+1层块的一个子集的拷贝；

数据总是以块大小为传送单元在第k层和k+1层之间来回拷贝的。

（2） 缓存命中：

当程序需要第k+1层的某个数据对象d时，它首先在当前存储在第k层的一个块中查找d，如果d刚好缓存

在第k层中，那么就是我们所说的缓存命中。

（3） 缓存不命中：

另一方面，如果第k层中没有缓存数据对象d，那么就是我们所说的缓存不命中。

种类：

强制性不命中（冷不命中）、冲突不命中、容量不命中

四、高速缓存存储器

高速缓存结构（S，E，B，m）：

高速缓存组，高速缓存行、块 P409图

（1） 高速缓存是一个高速缓存组的数组，每个组包含一个或多个行，每个行包含一个有效位，一些标记位，以及一个数据块；

（2） 高速缓存的结构将m个地址位划分成了t个标记位、s个组索引位和b个块偏移位；

直接映射高速缓存：

每个组只有一行（E=1）的高速缓存称为直接映射高速缓存。

组选择、行匹配、字选择

组相联高速缓存：

每个组都保存有多于一个的高速缓存行。

全相联高速缓存：

是由一个包含所有高速缓存行的组（即E=C/B）组成的。

缓存管理

性能影响

学习中遇到的问题：

问题一、磁盘的磁道数和柱面数一般是相等的关系？因为在习题中直接二者相互取代。

问题二、估计磁盘访问时间的简单方法是将寻道时间乘2，但是在练习题6.3中，这样算出来的结果16ms与实际结果10ms相差甚大？

收获与体会：

这一次的作业是完成的耗时最长的一次，花了三天的时间，终于把书仔仔细细阅读了一遍，把习题做了。完成这些之后，我有了和

以前不一样的感觉，本身是为了弥补之前空缺，却意外发现仔细读教材给了自己很大的收获。自己发现的问题也都开始比较细致，

并不是大概念的笼统的不懂。终于在自学中有了成就感的一次学习，希望我以后一直这样坚持。

（完）