CSAPP：存储器层次结构

Posted 2020-08-22 wangyanphp

存储器系统（memory system）是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。

（一）存储设备的种类

 

（二）访问主存

读写操作由CPU上的总线接口电路发起。

根据上图中的数据流，对于读操作：

1.CPU将地址A放到系统总线上，然后I/O桥将信号传递给存储器总线；

2.主存感觉到存储器总线上的地址信号，从存储器总线读地址，从DRAM取出数据字，并将数据写到存储器总线。I/O桥将信号翻译为系统总线信号传递。

3.CPU感觉到系统总线上的数据，从总线上读数据。

对于写操作：

1.CPU将地址A放到系统总线上，然后I/O桥将信号传递给存储器总线；主存读出地址，等待数据到达；

2.CPU将数据字拷贝到系统总线

3.主存从存储器总线读出数据字，并存储。

这是CPU与主存之间数据传递的过程。如果更加细部地来看，对于主存来说，如何根据总线的信息读写数据？

 

（三）访问磁盘

当操作系统要执行IO操作时，操作系统会发送一个命令到磁盘控制器，让它读某个逻辑号。控制器上的一个固件执行快速表查找，将一个逻辑块号翻译成一个（盘面、磁道、扇区）三元组，读取数据放到控制器的一个缓冲区，然后拷贝到主存。

CPU使用一种称为存储器映射的技术来向IO设备发送命令。在使用存储器映射IO系统中，地址空间中有一块地址是为与IO设备通信保留的。这样的地址称为IO端口。

根据图示，磁盘读：

1.第一条指令是发送一个命令字，告诉磁盘发起一个读，同时还发送了其他参数（例如当读完成，是否中断CPU）；第二条指令指明应当读的逻辑块号；第三条指令指明应该存储磁盘扇区内容的主存地址。发起磁盘读。

2.磁盘控制器收到命令，将逻辑块号翻译为扇区地址，读扇区内容，然后将这些内容直接传送到主存，不需要CPU干涉。这个过程叫做DMA传送（direct memory access）

3.DMA传送完成，磁盘控制器会给CPU发送一个中断信号通知CPU，这会导致CPU暂停它当前正在做的工作，跳转到一个操作系统例程。这个例程会记录下IO已经完成，然后将控制返回CPU被中断的地方。

 

（四）局部性

一个编写良好的程序会展现出良好的局部性。

时间局部性：在一个良好的时间局部性的程序中，被引用过一次的存储器位置很可能在不远的将来再被引用；

空间局部性：在一个良好的空间局部性的程序中，如果一个存储器位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用附近的一个存储器位置。

评价程序局部性的简单原则：

1.重复引用同一个变量的程序有良好的时间局部性；

2.对于具有步长为k的引用模式，步长越小，空间局部性越好。

3.对于取指令来说，循环有好的时间和空间局部性。循环体越小，迭代次数越多，局部性越好。

 

（五）存储器结构

基于两个事实：1）不同存储技术的访问时间差很大，CPU和主存之间的速度差距在增大；2）良好的程序具有良好的局部性。人们想到一种组织存储器系统的方法：存储器层次结构。

存储器层次结构主要是依赖一个概念：缓存。

 

（六）高速缓存存储器

早期计算机系统的存储器层次结构只有三层：CPU寄存器、DRAM主存储器和磁盘存储。由于CPU和主存之间的差距逐渐增大，系统设计者被迫在插入L1高速缓存，而后又插入L2高速缓存。

多说一点：

C与M相差有多大？就是T/E那么大，因为缓存很小，所以T必然很大。

同样多的行，按S组织和按E组织有什么差别？按S组织，可以用地址来索引，类似于数组；按E组织，使用tag来匹配，类似于map。

 

根据E的不同，高速缓存被分为不同的类。E=1的高速缓存称为直接映射高速缓存(direct-mapped cache)。E>1的称为组相联高速缓存（set associative cache）.

对于直接映射高速缓存，如果不命中的话，需要将从下一层中取出新块保存在缓存中。如果要替换的话，因为组中只有一行，所以直接替换即可。

由于只有组中只有一行，所以当程序访问大小为2的幂的数组时，经常发生冲突不命中。原因如下：

组相联高速缓存的基本原理类似于直接映射缓存。值得一提的是：不命中时的行替换。有随机替换策略、最不常用替换策略、最近最少使用替换策略。所有这些策略都需要额外的时间和硬件。但是，越往存储器层次结构下面走，一次不命中的开销越昂贵，所以用更好的替换策略更加值得。

 

上面只讲了读，如何写呢？

在高速缓存中更新了w的拷贝之后，怎么更新w在层次结构中紧接着低一层中的拷贝呢？

1.直写，就是立即将w的高速缓存块写回到紧接着的低一层中的拷贝。

2.写回，只有当替换算法要驱逐更新过的块时，才把它写到紧接着的低一层中。那么高速缓存必须为每一个高速缓存行维护一个额外的修改位，表明这个高速缓存是否被修改过

如何处理写不命中呢？

1.写分配，加载相应的下一层中的块到高速缓存中，然后更新这个高速缓存块。

2.非写分配，避开高速缓存，直接写到低一层。

直写高速缓存通常是非写分配的，写回高速缓存通常是写分配的。

 

（七）编写局部性好的代码

1.将你的注意力集中到内循环上，大部分的计算和存储器访问都发生在这里；

2.通过按照数据对象存储在存储器中搞得顺序，以步长为1的来读数据，从而使空间局部性最大；

3.一旦从存储器中读入了一个数据对象，就尽可能多的使用它，从而使得时间局部性最大