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1、Shenzhen University 1Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 存储器层次结构 Shenzhen University 2Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 存储技术及其趋势 局部性 存储器层次结构中的高速缓存 Shenzhen University 3Bryant and OHallaron, Computer Systems:
2、A Programmers Perspective, Third Edition 存储器 层次结构举例 寄存器 L1高速缓存 (SRAM) 主存 (DRAM) 本地二级存储 (本地磁盘) 更大, 更慢, 更廉价 (每字节) 的存储器 远程二级存储 (分布式文件系统、Web服务器) 本地磁盘盘保存着从远远程 网络络服务务器磁盘盘上取出 的文件 L2 高速缓存 (SRAM) L1 高速缓缓存保存着从 L2 高速缓 存取出的缓存行. CPU 寄存器保存着从高速缓缓存存 储储器取出的字 L2 高速缓缓存保存着从L3高速缓 存取出的缓存行 L0: L1: L2: L3: L4: L5: 更小, 更快,
3、更贵 (每字节) 的存储器 L3 高速缓存 (SRAM) L3 高速缓缓存保存着从主存高速缓缓 存取出的缓缓存行 L6: 主存保存着从本地磁盘盘取 出的磁盘块盘块 Shenzhen University 4Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 随机访问存储器 (RAM) 关键特征 RAM 封装在芯片上. 基本存储单位成为一个单元 (每个单元存储1 比特). RAM 的两种类型: SRAM (静态RAM Static RAM) DRAM (动态RAM Dynamic RAM
4、) 需要不断刷新 Shenzhen University 5Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition SRAM vs DRAM 总结 芯片类型晶体管数相对访问 时间 持续的敏感的相对花 费 应用 SRAM4 或 6个1X是否100X高速缓存 存储器 DRAM1个10X否是1X主存，帧 缓冲区 Shenzhen University 6Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third
5、 Edition 增强版 DRAMs 自1966年DRAM发明以来，其基本单元从未改变。 Intel公司于1970将其推向市场。 DRAM集成了更好的逻辑接口和更快的I/O传输接口 : 同步DRAM (SDRAM) 采用常见的时钟信号代替异步控制信号 允许复用行地址 (比如： RAS, CAS, CAS, CAS) 双倍数据速率同步DRAM (DDR SDRAM) 每个周期每个引脚使用两个时钟沿传送两比特的控制信号 通过使用提高有效带宽的预取缓冲区的大小来划分DDR SDRAM类 型: DDR (2 bits), DDR2 (4 bits), DDR3 (8 bits) 截止到2010, 多数
6、服务器和桌面系统均支持该标准 Intel Core i7 仅支持DDR3 SDRAM Shenzhen University 7Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 非易失性存储器 DRAM 和SRAM为易失性存储器 断电数据丢失 非易失性存储器断电后，仍然保存数据 只读存储器(ROM): 生产时写入程序，只能写一次 Programmable ROM (PROM): 可以重新一次编程 Eraseable PROM (EPROM): 可用紫外线或X光整块擦除 Electri
7、cally eraseable PROM (EEPROM): 可用电子整块擦除 Flash memory: EEPROMs. 以块为单位进行擦除 10,0000次擦除后即磨损坏 非易失性存储器的应用 存储固件程序的ROM(BIOS, 磁盘控制器, 网卡, 图形加速器, 安全 子系统,) 固态硬盘 (闪存盘, 智能手机, mp3 播放器, 平板电脑, 笔记本电 脑,) 磁盘高速缓冲存储器 Shenzhen University 8Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 典型的
8、连接CPU和主存的总线结构 一条总线是由多条并排的电线组成的一束线，其传输地 址、数据和控制信号 多个设备共享多条总线 主存 I/O 桥接口 总线接口 算术 逻辑 单元 寄存器文件 CPU 芯片 系统总线存储器总线 Shenzhen University 9Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘驱动器里有什么? 旋转轴 传动臂 驱动器 盘片 电子器件 (包括处理器 和内存!) SCSI 接口 图片由Seagate Technology提供 Shenzhen Unive
9、rsity 10Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘结构 磁盘由双面的盘片组成 每张盘面上密集地排布着环形磁道 每条磁道上有多个扇区，每个扇区由间隙隔开 旋转轴 盘面 磁道 磁道k 扇区 间隙 Shenzhen University 11Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘结构 (多个盘片) 对齐的磁道形成一个柱面 盘面0 盘面1 盘面2
10、 盘面3 盘面4 盘面5 柱面 k 旋转轴 盘片0 盘片1 盘片2 Shenzhen University 12Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘容量 容量: 可存储的最多比特数. 销售商以10进制度量存储大小，即1 GB = 109 Bytes. 容量由以下参数度量: 记录密度(位/英寸):磁道一英寸的段可放入的位数 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 (位/平方英寸): 记录密度与磁道密度的乘积 Shenzhen
11、University 13Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 计算磁盘容量 磁盘容量 = (字节数/扇区) x (平均扇区数/磁道) x (磁道数/盘面) x (盘面数/盘片) x (盘片/磁盘) Example: 512 字节/扇区 300 扇区/磁道 (平均值) 20,000 磁道/盘面 2 盘面/盘片 5 盘片/磁盘 容量 = 512 x 300 x 20000 x 2 x 5 = 30,720,000,000 = 30.72 GB Shenzhen Univer
12、sity 14Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘操作 (单盘片视图) 磁盘表面以固定 旋转速率旋转 通过在半径方向上移动，传动 臂可以将读写头定位在任何磁 道上 读写磁头连到传动臂的 末端，在磁盘表面上一层 薄薄的气垫上飞翔 spindle spindle spindle spindle转动轴 Shenzhen University 15Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspectiv
13、e, Third Edition 磁盘操作（多盘片视图） 传动臂 多个读写磁头从一个 柱面移动到另一个柱 面 旋转轴 Shenzhen University 16Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁道分成若干扇区 磁盘结构单盘片俯视图 盘面由多条磁道组成 Shenzhen University 17Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘访问
14、磁头在磁道上 Shenzhen University 18Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘访问 逆时针旋转 Shenzhen University 19Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘访问读操作 读取蓝色扇区 Shenzhen University 20Bryant and OHallaron, Computer Systems:
15、 A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘访问读操作 读完蓝色扇区后 读完蓝色扇区后 Shenzhen University 21Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘访问读操作 读完蓝色扇区后 请求读取红色扇区 Shenzhen University 22Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘访
16、问读操作 蓝色读完后寻找红色扇区 寻找红色所在磁道 Shenzhen University 23Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘访问旋转延迟 读完蓝色扇区后寻找红色扇区旋转延迟 旋转到红色扇区处 Shenzhen University 24Bryant and OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective, Third Edition 磁盘访问读操作 蓝色扇区读完后寻找红色扇区旋转延迟读完红色扇区后 完成红色扇区读操作 Shenzhen University 25Bryant and OHallaron, Computer Systems: A P
