Lecture 11 The Memory Hierarchy

#week6 #csapp

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之前在机器级代码提到的memory是想象成一个数组但事实上memory是个复杂的层级结构(hierarchy) -- 提供了抽象 -- 抽象成了带下标的巨大数组

this lecture -- 存储器层级结构怎么构建的

today‘s agenda

Storage technologies and trends
Locality of reference
Caching in the memory hierarchy

Storage technologies and trends

Random-Access Memory(RAM)

RAM packaged as a chip

基本存储单元 -- cell -- 一个cell就是一个bit

分类 SRAM DRAM --区分实现方式机组主存储器

Nonvolatile Memories

Traditional Bus Structure Connecting CPU and Memory

内存离着cpu 远 read/write 慢发生很多事情 -- 损耗

What's Inside A disk Drive?

磁性材料 -- 磁场 0 1

机械臂感受磁场变化 -- 机械装置 -- 比DRAM和SRAM慢

有一个内置的小电脑的东西控制器

consist of platters(盘片) 每个platters 两面 surface
each surface 由同心圆构成 -- 同心圆叫tracks(磁道)
each tracks consist of sectors(扇区) -- 扇区存储数据
典型的每个sector 512bytes
sectors 之间的 gap(空隙) -- 不保存数据

platters 在 spindle(主轴) 对齐 -- track也对齐
对齐的track的集合称为cylinder(柱面)

磁盘的容量有两个因素决定

记录密度 recording density -- 决定单独一个扇区可以存储多少bits
磁道密度 track density -- 指可以将相邻的磁道放置得多临近
两者的乘积叫做面密度 areal density

过去磁盘的面密度比较低 -- each track on the surface would have the same number of sectors.

-> 所以越往外扇区间的间隙会越变越大

现代的系统所做的改进是 -- 将磁道划分为所谓的记录区(recording zones)

每一个recording zones 有相同的扇区 -- 越往外 recording zones 越多？

Disk Operation

逆时针旋转

机械臂按半径移动

好多臂 -- 但是是对齐的 -- 现在的可能会有一些偏移

读取数据

第一步是先把read/write head 移动到红色扇区所在的磁道等待磁盘旋转

三个因素决定读取一个扇区需要多长时间

移动磁头的时间称为寻道时间 seek
等待红色block转过来的时间叫做 rotational latency 旋转延迟平均就是磁盘旋转一圈所花费时间的一半
data transfer 传送时间指该block在读写头下通过的时间
average time to access some target sector : 三个加起来

寻道时间的时间改不了是一种机械限制

现代磁盘有更简单的视图

logical disk blocks 从0开始编号

磁盘控制器保持映射保持物理扇区和逻辑块之间的映射

存在一些柱面保留为备用柱面 -- 没有被映射如果有一个柱面坏了就会将信息复制给备用柱面继续工作

这就是为什么磁盘的格式容量会比实际容量小可能还有一部分存的元数据

cpu编写三元组来启动读取行为

command -- read
logical block number -- 逻辑块号
certain address in Memory -- 放在内存的哪个位置

无需经过cpu
然后通过中断interrupt 机制来通知cpu

这么做的原因是 disk真的是太慢了

SSD 固态硬盘

在CPU的角度来看 -- SSD和机械硬盘具有相同的物理接口具有相同的包装

但他没有那些机械部件 -- 完全由闪存构建其内部的Flash translation layer -- 和机械硬盘的磁盘控制器差不多

以page为单位 -- read or write

好多page 叫一个 block 一个page只能在所属的block都被擦除后才能写这一页

写入一个page的时候要找到一个block 把原来的东西复制进来然后把原来的block删除以供继续写入

当经历大约10万次重复写入和擦除后这个块就会磨损

现在的SSD中 translation layer中实现了好多专有算法 -- 来延长SSD的使用寿命

Locality of reference

locality -- 局部性

程序倾向于使用地址接近或等于他们最近使用的地址的数据和仪器 -- 叫局部性

这个好像在机组上提到过

两种不同的形式

temporal locality 时间局限性
最近引用的存储器位置可能在不久的将来再次被引用的属性
spatial locality 空间局部性
引用临近存储器位置的倾向
examp -- for loop
好的局部性--带来好的性能

good locality -- 因为二维数组在内存中是行优先的