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存储器层级结构

存储技术​

随机访问存储器 (RAM)​

易失性存储器​
  • RAM 断电后丢失信息；
静态 RAM (SRAM)​
  • 用于 CPU；
  • 读取速度快，空间小；
动态 RAM (DRAM)​
  • 用于内存或显存；
  • 空间大；
内存控制器​
  • DRAM 芯片连接至称为内存控制器的组合电路，用于读写 DRAM；
内存模块​
  • DRAM 芯片封装在内存模块中；

总线​

  • 一组并行的导线，用于在计算机系统不同部分传递信息；
  • 分类；
    • 系统总线：连接 CPU 和 I/O 桥；
    • 内存总线：连接内存和 I/O 桥；
    • IO 总线：连接 IO 和 I/O 桥；

总线

只读存储器 (ROM)​

只读存储器​

  • 断电后依旧保存信息；
  • 部分 ROM 可读写，只是叫做只读存储器；

磁盘​

  • 速度慢，存储空间大；
  • 若干盘片构成；
    • 每个盘片有一组称为磁道的同心圆组成，并划分为若干扇区；
  • 寿命长；

磁盘构造

固态硬盘​

  • 速度慢；
  • 若干个闪存和一个闪存翻译层构成；
  • 寿命低；

固态硬盘

局部性​

基本术语​

局部性原理​
  • 计算机程序倾向于引用最近引用过的数据项；
分类​
  • 时间局部性：被引用过的内存位置很可能在不久后被引用；
  • 空间局部性：一个内存位置被引用，其临近的位置很可能在不久后被引用；

程序数据引用的局部性​

  • 重复引用相同变量的程序具有良好的时间局部性；
  • 具有步长的程序，步长越短，空间局部性越好；
  • 局部性越好的程序运行速度越快；

编写高速缓存友好的代码​

  • 注意力集中于函数中的循环中；
  • 对于数组等连续存储的数据结构，根据其内存地址顺序依次访问；
// 多维数组使用行顺序进行存储
int sumarrayrows (int a [M] [NJ)
{
    inti, j, sum= 0;
    for (i = 0; i < M; i ++)
        for (j = O; j < N; j++)
            sum += a[i] [j];
    return sum;
}

缓存​

基础​

高速缓存 (cache)​
  • 相对小而快速的存储设备；
  • k 层作为 k+1 层的缓存；
  • 数据通过块 (block) 的形式在两层之间传递；
缓存命中​
  • k+1 层的数据刚好缓存在 k 层中；
缓存不命中​
  • k+1 层的数据没有缓存在 k 层中；
  • 具有在 k+1 层中读取数据并覆盖 k 层；
    • 随机替换策略；
    • 最少使用替换策略；
性能指标​
  • 不命中率；
  • 命中率；
  • 命中时间：从高速缓存传输一个字到 CPU 的时间；
  • 不命中惩罚；

高速缓存存储器 (SRAM)​

  • 位于 CPU 和内存之间的缓存；
  • 分为 L1/L2/L3。。。；

存储器层级结构​

  • k 层作为 k+1 层的缓存；
  • 层级越高；
    • 单位架构越贵；
    • 速度越快；
    • 空间越小；

存储器层级结构