存储器层次结构 --《深入理解计算机系统》第六章读书笔记

1.几种存储技术

• 随机访问存储器RAM，RAM又分为两类：静态的SRAM和动态的DRAM。
  • 静态SRAM特点：容量较小，速度较之动态DRAM要快很多，故而价格也较高。一般用作CPU与内存的缓存。
  • 动态DRAM特点：容量较大，速度比SRAM慢，价格相对较低。一般用作系统内存。
• 磁盘存储，存盘属于外部I/O设备，其特点是存储容量大，但读取速度更慢，价格也更加便宜。一般而言，从磁盘上读信息的时间为毫秒级，从DRAM读比从磁盘读快10万倍，从SRAM读比从磁盘读快100万倍。
  • 因为磁盘的构造是一个圆盘，盘上分布着一条条磁道（不同半径就有不同的磁道），每次访问都要找到相应的磁道，然后磁盘旋转到对应的启示位置，故而，磁盘扇区访问时间=寻道时间+旋转时间+传输时间。

2.局部性

　　在程序中，程序倾向于引用邻近于其他最近引用过的数据项的数据项，或者就是最近引用的数据项本身，这种倾向，称为局部性原理。打个比方，在如下一个二维数组的循环中，循环1的局部性就比循环2的更优秀。

/*有良好局部性的程序*/
int loop1( int array[M][N] ){
    int i = 0,j = 0,sum = 0;
    for( i = 0;i < M;i++ ){
        for( j = 0;j < N;j++ )
            sum += a[i][j];
    return sum;
}

/*局部性很差的程序*/
int loop2( int array[M][N] ){
    int i = 0,j = 0,sum = 0;
    for( i = 0;i < M;i++ ){
        for( j = 0;j < N;j++ )
            sum += a[j][i];
    return sum;
}

 　　程序局部性可以总结为以下：

• 重复引用一个变量的程序有良好的时间局部性。
• 对于具有步长为k的引用模式的程序，步长越小，空间局部性越好。相对得，在存储器中以大步长跳来跳去的程序空间局部性会很差。
• 对于取指令来说，循环有好的时间和空间局部性。循环体越小，循环迭代次数越多，局部性越好。

3.高速缓存存储器

　　随着CPU与主存之间的速度差距不见增加，故而早期的系统设计者被迫在CPU寄存器和主存之间插入了一个小的SRAM告诉缓存存储器。而后来随着系统内部各存储器结构之间速度差距的不断增大，缓存这项技术也被用到了各存储器结构之间，比如磁盘和内存。

　　缓存是为了减少各存储器层次结构之间的速度差异而存在的，其作用就是在访问更低级的存储器结构的时候，直接低层次存储器结构的一个较大的块存放到缓存存储器中。这样，下次要访问之前数据的邻近数据时，就能快速得从缓存存储器中得到数据。要编写局部性良好的程序也是基于这个原因。