2018-2019-1 20165333 《信息安全系统设计基础》第5周学习总结

教材内容总结

1.存储技术

（1）随机访问存储器分为：静态随机访问存储器和动态随机访问存储器，即SRAM,DREM。

SRAM：将位存储在一个双稳态的存储器单位里。

DRAM：将位存储为对一个电容的充电。

应用

SRAM应用在高速缓存存储器，DRAM应用在主存帧缓冲区。
DRAM被分为d个超单元，一个超单元等于W个DRAM单元，所以DRAM存储d*w位信息

增强的DRAM
非易失性存储器

非易失性存储器有：电子可擦除PROM，可擦可编程ROM，闪存

（2）磁盘存储

磁盘构造：

公式：磁盘容量=字节数 * 平均扇区数 * 磁道数 * 表面数 * 盘片数。

对扇区的访问时间包括：寻道时间，旋转时间，传送时间。

逻辑磁盘块

磁盘中有一个固件设备--磁盘控制器（盘面、磁道、扇区）

固态硬盘SSD
存储器层次结构示意图

局部性

原理：引用最近引用过的数据项

（1）时间局部性：被引用过一次的存储器位置很可能在不远的将来再被多次引用。

（2）空间局部性：被引用过一次的存储器位置附近的数据可能在不远的将来被引用。

（3）取指令的局部性：指令也是存储在存储器中的，循环的时间和空间局部性是好的。循环体越小，迭代次数越多，局部性越好。

高速缓存存储器

通用的高速缓存存储器结构

一个计算机系统每个存储地址有m位，形成M=2^m个不同的地址。
高速缓存被组织成一个有S=2^s个高速缓存组的数组，每个组包含E个高速缓存行，每个行是由- 一个B=2^b字节的数据块、一位有效位以及t=m-(b+s)个标记位组成，唯一标识存储在这个高速缓存行中的块。
高速缓存的结构用元组（S,E,B,m）来描述，高速缓存的大小C = S * E * B。
直接映射高速缓存

-直接映射高速缓存：每个组只有一行的高速缓存。
组选择：
高速缓存从w的地址中间抽取出s个组索引位
组索引位：一个对应于一个组号的无符号整数。
行匹配：
判断缓存命中的两个充分必要条件：该行设置了有效位；高速缓存行中的标记和w的地址中的标记相匹配
字选择：确定所需要的字在块中是从哪里开始的。

组相联高速缓存

组相连高速缓存中的组选择：与直接映射高速缓存中的组选择一样，组索引位标识组。
组相连高速缓存中的行匹配和字选择：把每个组看做一个小的相关联存储器，是一个（key，value）对的数组，
以key为输入，返回对应数组中的value值。高速缓存必须搜索组中的每一行，寻找有效的行其标记与地址中的相匹配。
组相连高速缓存中不命中时的行替换：最简单的替换策略是随机选择要替换的行，其他复杂的策略则使用了局部性原理，例如最不常使用、最近最少使用等。

全相联高速缓存

全相连高速缓存中的组选择：只有一个组，没有组索引位。
全相连高速缓存中的行匹配和字选择：与组相连高速缓存是一样的，但规模大很多，因此只适合做小的高速缓存，例如虚拟存储系统中的翻译备用缓冲器。

有关写的问题

直写：
立即将w的高速缓存块写回到紧接着的第一层中
缺点是每次写都会引起总线流量。
写回：
只有当替换算法要驱逐更新过的块时，才能把它写到紧接着的低一层中，由于局部性，写回能显著减少总线流量。
缺点是增加了复杂性。
另一个问题是如何处理写不命中。
写分配：加载相应的低一层中的块到高速缓存中，然后更新这个高速缓存块。缺点是每次不命中都会导致一个块从低一层传送到高速缓存。
非写分配：避开高速缓存，直接把这个字写到低一层中。

高速缓存参数的性能影响

不命中率：不命中数量/引用数量
命中率：1-不命中率
命中时间：从高速缓存传送一个字到CPU所需的时间，包括组选择，行匹配，字抽取的时间。
不命中处罚：由于不命中所需要的额外时间。
综合：高速缓存对程序性能的影响

存储器山
一个程序从存储系统中读数据的速率称为读吞吐量，或者读带宽，通常以兆字节每秒（MB/s）为单位。
读带宽的时间和空间局部性的二维函数称为存储器山。