目录
系列文章目录
本系列博客重点在深圳大学计算机系统（2）课程的核心内容梳理，参考书目《深入理解计算机系统》（有问题欢迎在评论区讨论指出，或直接私信联系我）。
第一章 深入理解计算机系统01——计算机系统漫游_@李忆如的博客-CSDN博客
第二章 深入理解计算机系统02——信息的表示与处理_@李忆如的博客-CSDN博客
第三章 深入理解计算机系统03——程序的机器级表示_@李忆如的博客-CSDN博客
第四章 深入理解计算机系统04——存储
梗概
本篇博客主要介绍深入计算机系统第六章存储的相关知识。
一、储存器层次结构及储存技术
1.储存器层次结构
储存器层次结构举例如下：
不同位置的数据对访问速度的影响
2.储存技术
随机访问存储器（RAM）分为静态（SRAM）与动态（DRAM）两种，区别如下：
Tips：持续即不用刷新。
易失性存储器（RAM）：当电源关闭时RAM不能保留数据。
非易失性存储器（NVM，例闪存）：当电流关掉后，所存储的数据不会消失的电脑存储器。
二、磁盘存储
1.磁盘结构
2.磁盘容量
2.1 记录区
Tips：在计算容量时，我们使用扇区/轨道的平均数目。多区记录内扇区小于外扇区，原磁盘相等
2.2 磁盘容量计算
磁盘容量 = (字节数/扇区) x (平均扇区数/磁道) x (磁道数/盘面) x (盘面数/盘片) x (盘片/磁盘)
示例如下：
Tips：盘面/盘片可能会隐藏，一般都为2，别漏。
3.磁盘操作（读写访问）
磁盘访问过程如下：
访问某个扇区平均时间 = 平均寻道时间 + 平均旋转时间 + 平均数据传输时间
访问文件时间 = 平均时间 x 扇区数
寻道时间：磁头由一个柱面移动到另一个柱面的时间
旋转时间：经过磁盘旋转，目标扇区到达磁头下的时间
数据传输时间：传输每个扇区所需时间
磁盘访问示例如下：
4.逻辑磁盘块
逻辑磁盘块示例如下：
三、局部性
局部性原理: 程序倾向于使用最近一段时间，距离其较近地址的数据和指令。
时间局部性: 最近被访问的数据或指令 在未来可能还会被访问
空间局部性: 当前访问地址附近的区域在不久 还有可能被访问
局部性示例代码如下：
Tips：对于按行存储，第二份代码在N小的时候局部性也良好（并非所有情况都不好）。
四、存储器层次结构
1.层级结构理论
1.1 存储器层次结构的基本思想
对每个k，位于k层的更快更小的存储设备作为位于k+1等的更大更慢的存储设备的缓存（低到高）
1.2 为什么存储器层次结构行得通?
由于局部性原理，程序访问第k层的数据比第k+1层的数据要频繁。因此，第k+1层存储设备更慢且更大、更廉价.
1.3重要观点
存储器层次结构构建了一个大容量的存储池，像底层存储器一样低廉，而又可以达到顶层存储器的速度。
2.高速缓存Cache
2.1 Cache相关概念
Cache: 一种更小，速度更快的存储设备。作为更大、更慢存储设备的缓冲区. 解决CPU与主存之间速度匹配的问题。
宏观：容量->组->块
命中：请求的数据在Cache中，提高访问速度。
不命中：请求的数据不在Cache里，从主存中读取，更新Cache。
1.冷不命中：一开始Cache为空，对块的第一次引用
2.容量不命中：当一组活动缓存块（工作集）大于缓存时发生
3.冲突不命中：有可用的空位，该块也试图占用已填充的行
参数对性能的定性结论：
注意：许多降低不命中率的方法会增加命中时间或不命中开销（处罚）
1.提高cache容量会提升命中率，可能增加命中时间。
2.提高块的大小有利于提高命中率，但是块的大小过大使得块数量下降过多也会降低命中率，增加传送时长。
3.提高相联度有利于减少行冲突提升命中率，但硬件复杂度提升会增加处罚时间。
4.增加组的大小降低了由于冲突不命中出现抖动的可能性，但增加了成本。
更完整优化策略：【体系结构系列】提高Cache命中率_槑！的博客-CSDN博客_提高cache命中率的方法
Cache例题：
Cache友好代码：原则——充分利用局部性
方法：尽量反复引用相同或相近的数据，具体如下：
让最常见的情况运行得快：集中在核心函数里的循环上
尽量减少每个循环内部的缓存不命中数量：对局部变量的反复引用是好的 (时间局部性)、步长为1的顺序引用模式是好的(空间局部性)
Tips：使用Cache可以加快访存速度
2.2 映射
将主存块和Cache行按照以下三种方式进行映射
1.直接相联(Direct)：每个主存块映射到Cache的固定行(不灵活，Cache利用率低，容易产生冲突)
2.组相联(Set Associate)：每个主存块映射到Cache固定组中任一行（组间直接，组内全相联）
3.全相联(Full Associate)：每个主存块映射到Cache的任一行（Cache利用率高，块冲突率低）
3.Cache映射例题
如何知道cache中的数据项对应内存中哪个地址? 存储标记tag
如何保证是否包含有效信息？ 有效位Valid bit: 1 = 在 0 = 不在 初始值为 0
如果访存序列为： 22, 26, 22, 26, 16,3,16,请画出最后cache的状态及计算其命中率/缺失率
最终状态如下：命中率为3/7（3、4、7）
再访存18，状态改变如下（冲突不命中 改变但Miss）：
总结
以上便是深入理解计算机系统第六章——存储的核心知识。在第六章中，主要以系统中的概念（计算机系统的信息、程序、工作流、主题等）的介绍为主。