本文主要是介绍CSAPP 第六章 存储器层次结构，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
一、引入
在计算机系统中，CPU负责执行指令，而存储器系统为CPU存储指令和数据。
存储器系统是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。如下图：
越接近高层，存储器的访问速度越快，存储能力越小，造价越高。
二、存储技术的介绍
1.寄存器：
寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。
2.随机访问存储器
随机访问存储器又名为RAM，其分为两类：
- 静态RAM,SRAM
如上图层数 L1、L2、L3
- 动态RAM,DRAM
如上图层数 L4
静态RAM（SRAM）比动态RAM（DRAM）更快，但也贵得多。SRAM用来作为高速缓存存储器。DRAM用来作为主存以及图形系统的帧缓冲区。
（1）静态RAM,SRAM
SRAM将每个bit位的信息存储在双稳态结构的存储器单元中，如下图。每个存储器单元需要六个晶体管实现。这个电路有这样一个属性，它可以无限期地保持在两个不同的电压配置（ configuration）或状态（ state）之一。其他任何状态都是不稳定的，在不稳定状态时，电路会迅速转移到两个稳定状态的一个。
由于SRAM存储器单元的双稳态特性，只要有电，它就会永远地保持它的值。即使有干扰（例如电子噪音）来扰乱电压，当干扰消除时，电路就会恢复到稳定值。
（2）动态RAM,DRAM
DRAM的原理是电容充电，DRAM将每个位存储为对一个电容的充电。每个单元由一个电容和一个访问晶体管组成。但是，与SRAM不同，DRAM存储器单元对干扰非常敏感。当电容的电压被扰乱之后，它就永远不会恢复了。暴露在光线下会导致电容电压改变。
并且DRAM会因为很多原因导致漏电，所以内存系统只有通过不断的读出数据，不断刷新内存每一位数据，才能保持数据。
总结：
只要有供电，SRAM就会保持不变。与DRAM不同，它不需要刷新。SRAM的存取比DRAM快。SRAM对诸如光和电噪声这样的干扰不敏感。代价是SRAM单元比DRAM单元使用更多的晶体管，因而密集度低，而且更贵，功耗更大。
传统的DRAM:
如下图，展示的是16*8的DRAM芯片（16为超单元的个数、8为每个超单元可以存储8个bit的数据）。
可以将芯片看成二维数组的形式，通过行i列j来寻找指定的超单元。
信息通过称为引脚（pin）的外部连接器流入和流出芯片。每个引脚携带一个1位的信号。下图给出了两组引脚：8个data引脚，它们能传送一个字节到芯片或从芯片传出一个字节，以及2个addr引脚，它们携带2位的行和列超单元地址。其他携带控制信息的引脚没有显示出来。
内存控制器 依次将行地址和列地址发送给 DRAM，DRAM 将对应的超单元的内容发回给内存控制器以实现读取数据。
具体实现：
首先内存控制器 Memory Controller 发送行地址2到DRAM芯片，然后DRAM芯片将第二行的数据放到缓存区Internal row buffer 中。
接着内存控制器 Memory Controller又发送列地址1到DRAM芯片中，然后DRAM芯片将缓存区Internal row buffer的数据发送到内存控制器Memory Controller。
DRAM的内存模块：
简单来说就是，将多个DRAM芯片叠在一起，然后通过读取每一个的相同行列（i，j）的数据，每个数据在拼凑在一起得到最终的数据。
3.磁盘
磁盘在存储系统中为L5。
随机访问存储器一般在不断电的情况下才能保存数据，但是磁盘可以在断电的情况下保存数据。其中主流的磁盘分为两类：
- 机械磁盘
- 固态硬盘
（1）机械磁盘：
如下图，磁盘由多个盘片围绕主轴旋转而成，其一个盘片有两个表面（上表面和下表面）。
每个表面就像下面的多圈同心圆一样，其中每圈同心圆有多个扇区，扇区与扇区之间会有一些间隙，间隙用来存放扇区的标识信息，不能用来存放数据。扇区才能存放数据。
磁盘用读写头来读取数据（就像唱片），每个表面都有独立的读写头。
磁盘操作：
磁盘操作主要有寻道、旋转和传送三个过程构成，操作磁盘的时间主要寻道时间和旋转时间的延迟，传送时间相比于两者基本可忽略。
- 寻道：传动臂寻找正确的圈。
- 旋转：传动臂不动，磁盘表面旋转。
- 传送：驱动器开始读或者写该扇区的内容。
操作系统与磁盘：
从操作系统的视角来看，磁盘被抽象成了一个个等大的逻辑块，有一个磁盘控制器通过“盘片、磁道、扇区”来映射实际的磁盘。（可以理解成，有钱人为了方便买房，直接找了个中介）
（2）固态硬盘：
固态硬盘又叫SSD，结构如下图。
相比于传统的机械硬盘的读与写操作，固态硬盘还多一个擦出的操作（只能让1变成0），所以page最开始就全是1。擦除是block为单位擦除。
固态硬盘采用平均磨损算法来平摊擦除操作的磨损，以此来延长固态硬盘的寿命。
SSD相对于旋转磁盘来说，好处是访问时间块，能耗低。反复写之后，闪存块也会磨损，一般要很多年才能磨损。
三、局部性
CPU的读取速度越来越快，实际上弥补CPU和内存之间差距的关键，是程序的局部性。
局部性是程序的一个基本属性。具有良好局部性的程序倾向于重复地访问相同的数据 (时间局部性)，缓存思想，或倾向于访问邻近的数据 (空间局部性)，快查思想，因此运行更快。
1.存储的缓存思想
不同存储技术的访问时间差异很大，速度快的成本高，慢的成本低。如果数据在寄存器中，指令执行期间，访问需要1个时钟周期；在高速缓存SRAM中，需要4～75个周期；在主存DRAM中，需要上百个周期；在磁盘中，大约要几千万个周期
为了方便数据快速读写，数据需要经过层层缓存，以此来优化存储器结构。
存储器结构的中心思想是：快的缓存慢的。（上层缓存下层）
如下图：第k层是第k+1层的上层，第k层缓存着第k+1层的部分数据。
未完待续。。。。。
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