2020-02-22 09:50:15
第六章 存储器层次结构
存储技术
- 静态RAM(SRAM)：常用作高速缓存存储器
- 动态RAM(DRAM)：常用作主存以及图形系统的帧缓冲区
- 只读存储器(ROM)：存储在ROM中的程序通常称为固件
- 磁盘(Disk)：通过盘面、柱面和扇区进行划分
- 固态硬盘(SSD)：基于闪存的存储技术
速度较快的存储技术每字节的成本更高，而且容量相对较小。
局部性原理
一个编写良好地计算机程序常常具有良好的局部性。
- 时间局部性 ：被引用过一次的内存位置很有可能在不远的将来再被多次引用。
- 空间局部性 ：如果一个内存位置被引用了一次，那么程序很有可能在不远的将来引用附近的一个内存位置。
程序局部性遵循一些基本原则
- 重复引用相同变量的程序具有良好的时间局部性。
- 对于具有步长为k的引用模式的程序，步长越小，空间局部性越好。具有步长为1的引用模式的程序有很好的空间局部性。
- 对于取指令来说，循环具有很好的时间和空间局部性。循环体越小，循环迭代次数越多，局部性越好。
缓存
缓存中的数据以块大小为传送单元。
高速缓存的结构可以用元组(S,E,B,m)描述：S描述缓存所属的组，E描述缓存所在的行，每个高速缓存块有B个字节。
标记位t = m - s - b，缓存结构将m个地址位划分为t个标记位，s个组索引，b个块偏移位，每一行还有1个有效位。
- 块是一个固定大小的信息包，在高速缓存和主存(或下一次高速缓存)之间来回传送
- 行是高速缓存的一个容器，存储块以及其他信息(例如有效位和标记位)
- 组是一个或多个行的集合
高速缓存使用地址的中间位作为组索引，这样相邻的块可以映射到不同的高速缓存组。
高速缓存的类型
- 直接映射高速缓存：每个组只有一行
- 组相联高速缓存：每个组保存多于一个的高速缓存行且组数大于1
- 全相联高速缓存：由一个包含所有高速缓存行的组组成，只适合做小的高速缓存
基于缓存的存储器层次结构行之有效
- 利用时间局部性：同一数据对象可能会被多次使用
- 利用空间局部性：块通常包含多个数据对象
缓存不命中
- 空缓存/冷缓存：此类不命中称为强制性不命中/冷不命中
- 冲突不命中：一些对象会映射到同一个缓存块
- 容量不命中：缓存太小以至于不能处理这个工作集
编写高速缓存友好的代码
- 把注意力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
- 步长为1的引用是高速缓存友好的，因为缓存都是将数据存储为连续的块(空间局部性)(C语言以行优先顺序存储数组)
- 对局部变量反复引用是好的，因为编译器将它们缓存在寄存器文件中(时间局部性)
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