深入理解计算机系统笔记(一)

存储器的层次结构

1. 存储技术

   • 随机访问存储器 RAM
     • SRAM CPU 的高速缓存
     • DRAM 主存
     • 地址访问模型
       • 单位存储器采用，阵列式寻址，需要的线路少，但需要两次寻址
       • 多个单位存储器组合在一起，提供更大的空间，每个单位存储器存储部分比特位
     • 平均响应时间在 ns 组
   • 存储器的访问
     • 系统总线
     • 存储器总线
     • IO 桥
     • 存储器映射 I/O
     • 直接存储器访问(Direct Memory Access, DMA)
   • 机械硬盘
     • 磁道，扇区，柱面
     • 寻道时间，旋转时间，传送时间
     • 平均响应时间在 ms 级
     • 磁盘访问的抽象
       • 抽象成 block
       • 磁盘控制器将 block 映射成磁道、扇区和盘面的组合
       • block 一般要多大？
   • 固态硬盘 SSD
     • 基于闪存的存储技术 EEPROM
     • 最小访问单位为页，一页一般有 512B~4KB 等大小
     • SSD 分为很多块(16KB_{512KB)，每块包括很多页(32}128)
     • 修改(MODIFY)某一页的时候，要保证该块被擦除之后才能写入
       • 需要将该块已有的页移动到其它空块
       • 一旦一个块被擦除之后，其中的每个页就可以不需要再进行擦除就写一次(ADD)

2. 程序的局部性

   • 空间局部性
     • 访问一个地址的时候，有很大概率会访问其相邻的地址
   • 时间局部性
     • 访问一个地址的时候，在接下来的一定时间内可能会多次访问这个地址

3. 存储器的层次结构

   • 缓存

     • 缓存命中
     • 缓存不命中与替换策略
     • 缓存不命中的种类
       • 冷不命中
       • 冲突不命中
       • 容量不命中，工作集，working set
     • 缓存管理
       • 编译器管理寄存器
       • 硬件管理 L1,L2,L3
       • 操作系统管理磁盘缓存
     • write through 与 write back，一般采用 write back，write back 需要多余的状态位来判断是否被修改过，从而在驱逐的时候可以判断是否需要 write back。

   • 寄存器 0 个时钟周期，4 字节或 8 字节

   • L1 4，64 字节块

   • L2 10，64 字节块

   • L3 40，64 字节块

   • 内存，4KB 页

   • 磁盘

   • 网络存储

4. CPU 高速缓存

   • 多个 CPU 访问导致的 false sharing
   • 映射到相同的组导致的抖动不命中，本质上是冲突不命中
   • 缓存友好的代码
     • 关注调用次数最多的内循环
     • 多用步长为 1 的引用，空间局部性
     • 尽量增同一个变量的访问次数，时间局部性