- 存储器层次结构
- 存储器差异
- 缓存类型
- 磁盘读取
- 补充练习
- 缓存存储器的组织和操作
存储器层次结构
存储器差异
首先我们必须认识到不同存储器之间的效率差异，见下图：
主存，一般就是我们常说的内存，其通常为DRAM（动态随机访问存储器），具有断电后不保存的特性，其访问速度远高于Disk类的断电仍保存的存储器；
但相较于CPU寄存器，内存的效率又慢了许多。
基于不同存储技术访问时间的差异很大，我们能够得到下图所示的存储器层次结构：
往上访问速度快的技术成本更高，其存储容量更小，像CPU寄存器，一级缓存二级缓存等等；
往下访问速度越慢成本低，存储容量越大，像本地磁盘，网盘等等。
根据这种规律，位于第K层的更小更快的存储设备可以作为位于第k+1层的更大更慢的存储设备的缓存，来节约时间提高效率。
简单介绍一下缓存：
缓存：一种较小，速度较快的存储设备，可作为存储设备的暂存区较大，较慢的设备中的数据子集。
对于第k+1层存储器，其被划分为连续数据对象组的块，对k层亦然。
只不过第k层的块少于第k+1层，而k层缓存应包含k+1层块的子集数据副本（通常相邻层次块大小固定，不同层次间可有不同大小的块）
局部性原理：具有局部性原理的程序倾向于使用，那些接近或等于他们最近使用过的那些数据和指令，这种局部性包括空间局部性和时间局部性。
一个好的程序总是保持这良好的局部性。
局部性好的程序就是充分地利用了存储的缓存机制。
空间局部性（命中相邻）
时间局部性（再次命中）
简单demo：
for(int i = 0;i < M;++i){
sum += v[i];
//其中sum常用，对于时间局部性，i为索引，步长为1很小，对应空间局部性
}缓存类型
对于缓存命中hit，即当前访问数据无需从慢的k+1层存储访问，直接从第k层缓存读取。
若缓存miss，则仍需要访问k+1层储存获取数据，然后将新数据放入k层缓存；
倘若k层缓存已满，则需要根据一定的替换策略来覆盖某些块为新数据。
对于缓存不命中，我们根据其原因分为三类：
- 冷不命中：对块的首次访问必须错过，大多数冷未命中发生在开始时，因为缓存开始为空
- 冲突不命中：考虑到k层缓存比k+1层容量小，我们数据块一般会进行映射，当k层高速缓存足够大，而所有数据对象都映射到同一级别k块时，就会发生冲突未命中，举个例子：我们把k+1层块进行编号，第 i 块 mod 4 放入k层缓存，当我们不断进行0，8，0，8，0，8…一系列的访问，缓存将持续冲突不命中，因为0和8号块都会被映射在k+1层的同一个数块上(即mod 4 = 0），它们轮流占据同一个缓存位置。
- 容量不命中：当活动缓存块的集合大于缓存时发生，即缓存太小无法处理工作集。
磁盘读取
磁盘驱动器：
磁盘常常考到的是磁盘读取的时间，过程示例如下：
磁盘一般读取某块数据用时主要包括三个时间：
- 寻道时间：主要是将磁头定位在包含目标扇区的圆柱体上的时间，一般直接给或者是
磁道数*平均移动时间。 - 旋转时间：等待旋转至目标扇区的第一位在读/写头下通过的时间，注意：这里一般会给一个转速 例如6000转/min,我们一般计算平均旋转时间 Tavg rotation = 1/2 x 1/RPMs x 60 sec/1 min
对于6000r/min ====> 60 / 6000（每秒转多少圈） * 1/2（平均旋转） * 1000（一般转化为ms） = 5ms - 读取时间：读取目标扇区中的数据的时间。Tavg transfer = 1/RPM * 1/(avg # sectors/track 一个磁道平均多少扇区，实际上是计算旋转了多少圈) * 60 secs/1 min.
例如：6000r/min 每个磁道100个扇区 读取时间 = 60/6000 * 1 / 100 * 1000 = 0.1ms
补充练习
设某单面磁盘旋转速度为每分钟 6000 转,每个磁道有 100 个扇区,相邻磁道间的平均移动时间为 1ms。若在某时刻,磁头位于 100 号磁道处,并沿着磁道号增大的方向移动(如下图所示),磁道号请求队列为 50,90,30,120(采用电梯调度）,对请求队列中的每个磁道需读取 1 个随机分布的扇区,则读完这 4 个扇区点共需要多少时间 ?
可以发现实际上耗时最长的还是寻道时间和旋转时间，而旋转时间用硬件决定难以优化，因此一般优化磁盘臂调度策略。
缓存存储器的组织和操作
通常缓存组织形式为组，每组内有若干行行：
一般而言地址分为三块 SEB：
对于缓存而言有：
先看组索引，再看标志位和有效位看是否组内有匹配行，若命中，再看块偏移；不命中从k+1层取出块并替换k层某块；
不同的缓存存储类型：
- 直接映射高速缓存——每组仅有一行(E = 1)
- 由于组内仅有一个行，比较tag，若match则命中，再找块偏移。
- 组相联高速缓存——E > 1
- 与直接映射高速缓存差异不大，只不过这里组内多行，都比较找tag是否match
- 全相联高速缓存——只有唯一一个组，地址中没有组索引了
注意写回问题：
L1，L2，主内存，磁盘可能存在多个数据副本：
高速缓存与原副本之间的更新问题，直写方式为 写命中时更新的缓存数据立即写入内存；写回方式为 脏页被替换策略替换时才写回
基本了解了缓存原理，这就要求我们编程时保持良好的局部性原理，提高缓存命中效率。
