20145314郑凯杰《信息安全系统设计基础》第7周学习总结 part A

Posted 2020-08-16

# 20145314郑凯杰《信息安全系统设计基础》第7周学习总结 part A



##教材学习内容总结


# 6.1 存储技术  #

存储器系统，包括存储设备以及它们的组织结构。

存储设备包括：cache，内存，硬盘，磁带....

组织结构：层次结构。

以CPU为记，越靠近CPU的存储，越快速，越小，成本越高。


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- 6.1.1 随机访问存储器（内存）

分两种SRAM和DRAM。即静态的和动态的。

- i）静态RAM

每个数据位存储于一个“双稳态的存储单元”。   

特点是：只要有电，就永远保存它的值，比较抗干扰。

- ii）动态RAM

“每个位存储为对电容的充电”，即电容里有电就是1，没电就是0。

电容会漏电，因此必须周期性的用读出然后写回的方式刷新存储器每个位。

一个DRAM芯片中所有单元（一个单元是一位），被分成d个超单元，每个超单元由w个单元构成。

因此一个DRAM芯片能存储d*w位。   这d个超单元组织成一个r行c列的矩阵。

因此每个超单元有一个地址（i，j），i是行号，j是列号。CPU访问存储器中超单元(i,j)的方式：

先将地址i通过存储控制器发送到DRAM，DRAM取出第i行超单元内容，放入内部行缓冲区。再将地址j通过存储控制器发送到DRAM。第j个超单元，通过数据总线将数据返回。


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- 6.1.2 存储器模块

多个DRAM芯片包装在存储器模块中，然后插到主板的扩展槽里。有DIMM和SIMM接口。

内存条的两面都有金手指，也称为pin，如果它们传输的是相同的信号，则是SIMM接口，如果传输的是不同的信号则是DIMM。

一个64MB的内存，有8个64Mbit的DRAM芯片，每个DRAM芯片由8M*8构成。八个芯片编号为0-7. 每个超单元存储一个字节。

CPU访问主存的过程：首先通过CPU内部的总线接口，经过系统总线，到达I/O桥接器，通过存储总线到达内存。 I/O桥接器上又接上其他I/O总线。

关于总线，我总不明白它们是个什么东西？ 我猜想它们就是一些导线，用来传输信号的。传地址的就是地址总线，传数据就是数据总线。

但为什么又有这么多不同的名称？ 与之相关的南北桥是什么作用？  这里面有相应的标准规范吗？

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- 磁盘

磁盘由一些盘片构成，盘片的正反面都能存储数据，每个盘片分成许多的磁道，每个磁道分成一些扇区。

磁盘的容量 = 盘片数量 * 2 * 磁道数 * 每磁道扇区数 * 每扇区大小。

通常一个扇区为512B。

对扇区的访问时间包括：寻道时间，旋转时间和传送时间

寻道时间：即将读写磁头放在包含要访问的扇区的磁道上。T(seek)，取决于磁头以前的位置和传动臂移动的速度。通常为6-9ms。

旋转时间：定位到磁道后，转动盘片，直到指定的扇区到达磁头下。取决与盘片的转速。最大旋转时间就是盘片转一圈的时间了。平均旋转时间通常为最大旋转时间的一半。

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- 6.2 局部性

随着CPU的发展，CPU与内存和磁盘的差距迅速拉大，为充分利用CPU性能，人们才采用了层次的存储结构。

而采用层次存储结构能提升性能的原因是：局部性，包括时间局部性和空间局部性。
（本以为局部性是程序局部性和数据局部性，仔细看书，原来是时间局部性和空间局部性）
时间局部性：被引用过的存储器位置，不久的将来很可能还会被引用。
空间局部性：一个存储器位置被引用了，那相邻的位置可能也会被很快被引用到。



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- 缓存的管理

i）相关假定

1. 假定存储器的地址有m位，便有M=2m 不同地址。
1. 一个缓存被分成S=2s个的高速缓存组（cache set），
1. 每个组包含 E 个高速缓存行。
1. 每个缓存行由一个B=2b字节的数据块，一个有效位，t=m-(b+s)个标记位组成。
1. 一个高速缓冲区的大小C = S * E * B。


ii）如何访问缓存

1. 当要访问存储器中的一个字节时，给出的访问地址的m位中，前t位表示标记位，中间s位为组索引，最后b位为块偏移。
1. 因此对这个访问地址，首先利用中间的s位组索引找到相应的组，
1. 对组中的每一个缓存行，将缓存行的t位标记与访问地址中的前t位进行比较，若相等，则找到字节所在的块。若没找到，缓存不命中。
1. 如果有效位为1，则利用b位块偏移，在缓存行中取出要访问的字节。
1. 若有效位为0，则缓存不命中。

iii）缓存不命中时

1. 当缓存不命中时，则若需要将存储器中的块放入缓存对应的组中。
1. 若组中的行都有数据，则需要进行替换，替换策略是：LFU或LRU

iv）三种缓存方式的划分

1. 分为直接映射高速缓存，组相联高速缓存，全相联高速缓存
1. 若指定了S，E，B的值，则缓存的划分方式就已经确定了。
1. 缓存块与存储块之间也就建立了一种映射关系。
1. 当E = 1时， 一个组中只有一个行，明显这个时候不需要使用替换策略，比较简单。查找块也很块，但容易发生冲突不命中。   
1. 当E < C/B时，一个组中有多个行，这时需要考虑使用什么替换策略了。而且在查找块时，需要将地址中的标记与组中全部缓存行的标记进行比较。    
1. 当E=C/B时，仅有一个组，这时不会出现冲突不命中的情况，但容易发生容量不命中。而且查找块时，需要比较全部缓存行中的标记。   


## 书上示例：

int sumvec(int v[N])
{
        int i, sum = 0;
        for (i = 0; i < N; i++)
                sum += v[i];
        return sum;
}

- 由于sum会被多次引用，因此具有时间局部性。
- 由于数组v的被顺序访问，因此具有空间局部性。
- 这里是连续访问v的元素，称这种访问方式为具有步长为1的引用模式。

对于具有步长为k的引用模式，k越大，空间局部性越低，k越小，空间局部性越高。  可以将步长看成是衡量空间局部性的一个因素。



## 学习进度条

|            | 代码行数（新增/累积）| 博客量（新增/累积）|学习时间（新增/累积）|重要成长|
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| 目标        | 5000行            |   30篇           | 400小时            |       |
| 第一周      | 0/50           |   1/2            | 20/20             |       |
| 第二周      | 176/600           |   2/4            |38/38             |       |
| 第三周      | /1100         |   /7            | /60             |       |
| 第四周      | /1350          |   /9            | /90             |       |