第六章------存儲器層次結構
1.隨機訪問存儲器
隨機訪問存儲器(Random-Access Memory，RAM)分爲兩類:靜態的和動態的。靜態RAM(SRAM)比動態RAM(DRAM)更快，但也貴得多。SRAM用來作爲高速緩存存儲器，既可以在CPU芯片上，也可以在片下。DRAM用來作爲主存以及圖形系統的幀緩衝區。典型地，一個桌面系統SRAM不會超過幾兆字節，但是DRAM卻有幾百或幾千兆字節。
●靜態RAM
SRAM將每個位存儲在一個雙穩態的存儲器單元裏。每個單元使用一個六晶體管電路來實現的。由於SRAM存儲器單元的雙穩態特性，只要有電，它就會永遠的保持它的值。即使有干擾(例如電子噪音)來擾亂電壓，當干擾消除時，電路就會恢復到穩定值。
●動態RAM
DRAM將每個位存儲爲對一個電容的充電。在這個電容非常小，通常只有大約30毫微法拉。與SRAM不同，DRAM存儲器對於干擾非常敏感。當電容的電壓被幹擾之後，它就永遠不會恢復了。暴露在光線下會導致電容電壓改變。實際上，數碼照相機和攝像機中的傳感器本質上就是DRAM單元的陣列。
幸運的是，計算機運行的時鐘週期是以納秒來衡量的，所以相對而言這個保持時間是比較長的。內存系統必須週期性的通過讀出，然後重寫來刷新內存的每一位。
2.訪問主存
數據流通過稱爲總線的共享電子電路在處理器和DRAM主存之間來來回回。每次CPU和主存之間的數據傳送都是通過一系列步驟來完成的，這些步驟稱爲總線事務。讀事務從主存傳送數據到CPU。寫事務從CPU傳送數據到主存。
總線是一組並行的導線，能攜帶地址、數據和控制信號。
下圖展示了一個示例計算機系統的配置。主要部件是CPU芯片、我們將稱爲I/O橋接器(I/O)的芯片組(其中包括內存控制器)，以及組成主存的DRAM內存模塊。這些部件由一對總線連接起來，其中一條是系統總線，它連接CPU和I/O橋接器，另一條總線是內存總線，它連接I/O橋接器和主存。I/O橋接器降系統總線和內存總線連接到I/O總線，像磁盤和圖形卡這樣的I/O設備共享I/O總線。
3.磁盤存儲
磁盤是廣爲應用的保存大量數據的存儲設備，存儲數據的數量級可以達到幾百到幾千兆字節，而給予RAM的存儲器只能有幾百或幾千兆字節。不過，從磁盤上都信息的時候爲毫秒級，比從DRAM讀慢了10萬倍，比從SRAM讀慢了100萬倍。
1）磁盤構造
磁盤由盤片構成的。每個盤片有兩面或者稱爲表面，表面覆蓋着磁性記錄材料。盤片中央有一個可以旋轉的主軸，它使得盤片以固定的旋轉速度旋轉，通常是5400~15000轉每分鐘。
下圖a展示了一個典型的磁盤表面的結構。每個表面由一組稱爲磁道的同心圓組成的。每個磁道被劃分爲一組扇區。每個扇區包含相等數量的數據位(通常是512字節)，這些數據編碼在扇區上的磁性材料中。扇區之間由一些間隙分隔開，這些間隙中不存儲數據位，間隙存出用來標識扇區的格式化位。
磁盤是由一個或多個疊放在一起的盤片組成的，它們被封裝在一個密封的包裝裏，如下圖b，整個裝置通常被稱爲磁盤驅動器，我們通常簡稱爲磁盤。有時也稱爲旋轉磁盤，以使之區別於基於閃存的固態硬盤(SSD)。
2）磁盤操作
如下圖，磁盤用讀/寫頭來讀寫存儲在磁性表面的位，而讀寫頭連接到傳動臂一端，如下圖所示，通過沿着半徑軸前後移動這個傳動臂，驅動器可以將讀/寫頭定位在盤面上的任何磁道上。這樣的機械運動稱爲尋道。一旦讀/寫頭定位到了期望的磁道上，那麼當磁道上的每個位通過它的下面時，讀/寫頭就可以感知這個位的值(讀該位)。
當操作系統想要執行一個I/O操作時，例如讀一個磁盤扇區的數據到主存，操作系統會發送一個命令到磁盤控制器，讓它讀某個邏輯塊號。控制器上的固件執行一個快速查表查找，將一個邏輯塊號翻譯成一個(盤面，磁道，扇區)的三元組，這個三元組唯一地標識了對應的物理扇區。控制器上的硬件會解釋這個三元組，將讀/寫頭移動到適當的柱面，等待扇區移動到讀寫/頭下，將讀/寫頭感知到的位放到控制器上的一個小緩衝區，然後將它們複製到主存中。
4.存儲器層次結構
1）下圖是一個典型的存儲器層次結構，一般而言，從高層往底層走，存儲設備變得更慢、更便宜和更大。在最高層（L0），是少量快速的CPU寄存器，CPU可以在一個時鐘週期內訪問它們。
2）存儲器層次結構中的緩存
一般而言，高速緩存(cache)是一個小而快速的存儲設備，它作爲存儲器更大、也更慢的設備中的數據對象的緩衝區域。使用高速緩存的過程稱爲緩存。
存儲器層次結構的中心思想是，對於每個K，位於k層的更快更小的存儲設備作爲位於k+1層的更大更慢的存儲設備的緩存。換句話說，層次結構中的每一層都緩存來自較低一層的數據對象。
類似的，第k層的存儲器被劃分成較少的塊(第k+1層的存儲器被劃分成連續的數據對象組塊(chunk)，稱爲塊(block))的集合，每個塊的大小與k+1層的塊的大小一樣。在任何時刻，第k層的緩存包含第k+1層塊的一個子集的副本，如下圖所示，第k層的緩存有4個塊的空間，當前包含塊4、9、14和3的副本。
緩存命中和緩存不命中：當程序需要第k+1層的某個數據對象d時，它首先在當前存儲在第k層的一個快種查找d。如果剛好緩存在第k層中，那麼就是我們所說的緩存命中，否則爲緩存不命中。