CSAPP 第 6 章 + OSTEP 持久性

存储技术

随机访问存储器

随机访问存储器（Random-Access Memory，RAM）分为两类：静态的和动态的。静态 RAM（SRAM）比动态 RAM（DRAM）更快，但也更贵。SRAM 通常用来作为高速缓存存储器，DRAM 通常用来作为主存以及图形系统的帧缓冲区。

静态 RAM

SRAM 将每个位存储在一个双稳态的（bistable）存储器单元里。每个单元是用一个六晶体管电路来实现的。这个电路有这样一个属性，它可以无限期地保持在两个不同的电压配置（configuration）或状态（state）之一。由于 SRAM 存储器单元的双稳态特性，只要有电，它就会永远地保持它的值。即使有干扰（例如电子噪音）来扰乱电压，当干扰消除时，电路就会恢复到稳定值。

动态 RAM

DRAM 将每个位存储为对一个电容的充电。这个电容非常小，通常只有大约 \(30\times 10^{-15}\) 法拉（femtofarad）。DRAM 存储器单元对干扰非常敏感，当电容的电压被扰乱之后，它永远都不会恢复。内存系统必须周期性地通过读出，然后重写来刷新内存每一位。有些系统也使用纠错码，其中计算机的字会被多编码几位（例如 64 位的字可能用 72 位来编码），这样一来，电路可以发现并纠正一个字中任何单个的错误位。

非易失性存储器

如果断电，DRAM 和 SRAM 会丢失它们的信息，从这个意义上说，它们是易失的（volatile）。另一方面，非易失性存储器（nonvolatile memory）即使是在关电后，仍然保存着它们的信息。现在有很多种非易失性存储器。由于历史原因，虽然 ROM 中有的类型既可以读也可以写，但是它们整体上都被称为只读存储器（Read-Only Memory，ROM）。ROM 是以它们能够被重编程（写）的次数和对它们进行重编程所用的机制来区分的。

存储在 ROM 设备中的程序通常被称为固件（firmware）。当一个计算机系统通电以后，它会运行存储在 ROM 中的固件。一些系统在固件中提供了少量基本的输入和输出函数，例如 PC 的 BIOS（基本输入/输出系统）例程。复杂的设备，像图形卡和磁盘驱动控制器，也依赖固件翻译来自 CPU 的 I/O（输入/输出）请求。

总线事务

数据流通过称为总线（bus）的共享电子电路在处理器和 DRAM 主存之间来来回回。每次 CPU 和主存之间的数据传送都是通过一系列步骤来完成的，这些步骤称为总线事务（bus transaction）。读事务（read transaction）从主存传送数据到 CPU。写事务（write transaction）从 CPU 传送数据到主存。

总线是一组并行的导线，能携带地址、数据和控制信号。取决于总线的设计，数据和地址信号可以共享同一组导线，也可以使用不同的。同时，两个以上的设备也能共享同一总线。控制线携带的信号会同步事务，并标识出当前正在被执行的事务的类型。例如，当前事务是到主存还是到诸如磁盘控制器这样的其他 I/O 设备，事务是读还是写，总线上的信息是地址还是数据项。

图 6-6 展示了一个示例计算机系统的配置。主要部件是 CPU 芯片、我们将称为 I/O 桥接器（I/O bridge）的芯片组（其中包括内存控制器），以及组成主存的 DRAM 内存模块。这些部件由一对总线连接起来，其中一条总线是系统总线（system bus），它连接 CPU 和 I/O 桥接器，另一条总线是内存总线（memory bus），它连接 I/O 桥接器和主存。I/O 桥接器将系统总线的电子信号翻译成内存总线的电子信号。I/O 桥也将系统总线和内存总线连接到 I/O 总线，像磁盘和图形卡这样的 I/O 设备共享 I/O 总线。

磁盘存储

磁盘构造

磁盘是由盘片（platter）构成的。每个盘片有两面或者称为表面（surface），表面覆盖着磁性记录材料。盘片中央有一个可以旋转的主轴（spindle），它使得盘片以固定的旋转速率（rotational rate）旋转，通常是 5400 ~ 15000 转每分钟（Revolution Per Minute，RPM）。磁盘通常包含一个或多个这样的盘片，并封装在一个密封的容器内。

图 6-9a 展示了一个典型的磁盘表面的结构。每个表面是由一组称为磁道（track）的同心圆组成的。每个磁道被划分为一组扇区（sector）。每个扇区包含相等数量的数据位（通常是 512 字节），这些数据编码在扇区上的磁性材料中。扇区之间由一些间隙（gap）分隔开，这些间隙中不存储数据位。间隙存储用来标识扇区的格式化位。

磁盘是由一个或多个叠放在一起的盘片组成的，它们被封装在一个密封的包装里，如图 6-9b 所示。整个装置通常被称为磁盘驱动器（disk drive），我们通常简称为磁盘（disk）。有时，我们会称磁盘为旋转磁盘（rotating disk），以使之区别于基于闪存的固态硬盘（SSD），SSD 是没有移动部分的。

磁盘制造商通常用术语柱面（cylinder）来描述多个盘片驱动器的构造，这里，柱面是所有盘片表面上到主轴中心的距离相等的磁道的集合。例如，如果一个驱动器有三个盘片和六个面，每个表面上的磁道的编号都是一致的，那么柱面 k 就是 6 个磁道 k 的集合。

磁盘操作

磁盘用读/写头（read/write head）来读写存储在磁性表面的位，而读写头连接到一个传动臂（actuator arm）一端，如图 6-10a 所示。通过沿着半径轴前后移动这个传动臂，驱动器可以将读/写头定位在盘面上的任何磁道上。这样的机械运动称为寻道（seek）。一旦读/写头定位到了期望的磁道上，那么当磁道上的每个位通过它的下面时，读/写头可以感知到这个位的值（读该位），也可以修改这个位的值（写该位）。有多个盘片的磁盘针对每个盘面都有一个独立的读/写头，如图 6-10b 所示。读/写头垂直排列，一致行动。在任何时刻，所有的读/写头都位于同一个柱面上。

磁盘以扇区大小的块来读写数据。对扇区的访问时间（access time）有三个主要的部分：寻道时间（seek time）、旋转时间（rotational latency）和传送时间（transfer time）。

逻辑磁盘块

正如我们看到的那样，现代磁盘构造复杂，有多个盘面，这些盘面上有不同的记录区。为了对操作系统隐藏这样的复杂性，现代磁盘将它们的构造呈现为一个简单的视图，一个 B 个扇区大小的逻辑块的序列。磁盘封装中有一个小的硬件/固件设备，称为磁盘控制器，维护着逻辑块号和实际（物理）磁盘扇区之间的映射关系。当操作系统想要执行一个 I/O 操作时，例如读一个磁盘扇区的数据到主存，操作系统会发送一个命令到磁盘控制器，让它读某个逻辑块号。控制器上的固件执行一个快速表查找，将一个逻辑块号翻译成一个（盘面，磁道，扇区）的三元组，这个三元组唯一地标识了对应的物理扇区。控制器上的硬件会解释这个三元组，将读/写头移动到适当的柱面，等待扇区移动到读/写头下，将读/写头感知到的位放到控制器上的一个小缓冲区中，然后将它们复制到主存中。

局部性原理

局部性通常有两种不同的形式：时间局部性（temporal locality）和空间局部性（spatial locality）。在一个具有良好时间局部性的程序中，被引用过一次的内存位置很可能在不远的将来再被多次引用。在一个具有良好空间局部性的程序中，如果一个内存位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用附近的一个内存位置。

存储器层次结构

存储器层次结构的中心思想是，对于每个 k，位于 k 层的更快更小的存储设备作为位于 k + 1 层的更大更慢的存储设备的缓存。换句话说，层次结构中的每一层都缓存来自较低一层的数据对象。数据总是以块大小为传送单元（transfer unit）在第 k 层和第 k + 1 层之间来回复制的。虽然在层次结构中任何一对相邻的层次之间块大小是固定的，但是其他的层次对之间可以有不同的块大小。

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。不过，由于 CPU 和主存之间逐渐增大的差距，系统设计者被迫在 CPU 寄存器文件和主存之间插入 SRAM 高速缓存存储器。

缓存不命中的种类：强制性不命中/冷不命中、冲突不命中和容量不命中。

高速缓存的种类：直接映射高速缓存、组相联高速缓存和全相联高速缓存。

写的策略：直写 + 非写分配、后写 + 写分配。

组织结构

考虑一个计算机系统，其中每个存储器地址有 \(m\) 位，形成 \(M=2^{m}\) 个不同的地址。如图 6-25a 所示，这样一个机器的高速缓存被组织成一个有 \(S=2^{s}\) 个高速缓存组（cache set）的数组。每个组包含 \(E\) 个高速缓存行（cache line）。每个行是由一个 \(B=2^{b}\) 字节的数据块（block）组成的，一个有效位（valid bit）指明这个行是否包含有意义的信息，还有 \(t=m-(b+s)\) 个标记位（tag bit）（是当前块的内存地址的位的一个子集），它们唯一地标识存储在这个高速缓存行中的块。