《深入理解電腦系統》筆記（二）記憶體和快取的原理【插圖】

    《深入電腦系統》筆記（一）主要是講解程式的構成、執行和控制。接下來就是運行了。我跳過了“處理器體繫結構”和“最佳化程式效能”，這兩章的筆記繼續往後延遲！

    《深入電腦系統》的一個很大的用處是：給了我們很多定義式的解釋，或者稱之為科學的解釋，這將成為我的理論依據；不再是網上一些自稱老手的閑聊了。不愧是電腦最牛逼的大學卡內基-梅隆大學的教材。

    該blog跳過第四章CPU的結構，第五章最佳化程式效能，也沒有詳細討論快取的機制。

六、儲存空間階層

有必要將儲存空間階層再次列出來：

快取的“行”、“塊”和“組”是什麼意思？參考本bolg最下面“快取的物理邏輯圖”

    字：一個word的意思，IA32中指的是16位，

    塊：是一個固定大小的資訊包，在快取和主存之間來回傳送。塊包含32~64個位元組。所以記憶體中只是資訊，成為塊

    行：快取中儲存塊已經其他資訊的容器。所以，行總是一個塊的大小，通常“行”和“塊”可以互換使用。結合快取既有塊和其他資訊，稱之為“行”

    組：是一個或者多個行

---》之前知識停留在RAM和ROM，現在再往前推進一步RAM也分為靜態SRAM和動態DRAM。SRAM主要用於快取DRAM用於記憶體

    SRAM將每個位儲存在一個雙穩態的儲存空間單元裡。每個單元是用一個六個晶體管電路來實現。它可以無限期地保持在兩個不同的電壓配置或狀態之一。就是說只要有電，他就會永遠地保持它的值。即使有幹擾，例如電子噪音、擾亂電壓，當幹擾消除時，電路就會恢複到穩定值。說明了“雙穩態的”效果，採用倒擺的時鐘。

難道這個原理可以解釋：電磁幹擾造成電視畫面錯亂，手機訊號幹擾嗎？

DRAM將沒位儲存為一個電容，這個電容非常小，通常只有30毫微微法拉。與SRAM不同的是DRAM的儲存單元對幹擾非常敏感。當電容電壓沒擾亂之後，他就永遠無法恢複了。所以DRAM需要不斷重新整理電容。暴露在光線下會導致電容電壓改變。實際上，數位照相機和攝像機中的感應器本質上就是DRAM單元的陣列。【驚訝】

無論如何SRAM和DRAM都是易失的（volatile）

    下面討論DRAM的讀取機制：

    

這種二維陣列的缺點是：必須分兩步發送地址，增加儲存時間。

---》DDR2和DDR3的記憶體的區別。Double data-rate synchronous  DRAM頻寬分別是4位和8位。DDR3也分為1333MHz和1600MHz

---》磁碟，略過。

---》DRAM和磁碟的效能滯後於CPU的新能，雖然他們的效能都在增長。

這也就是為什麼CPU和記憶體之間的快取一直增多。

---》人們發現無法像以前那樣增大CPU的時鐘頻率了，電腦製造商撞上了“能量牆”因為如果那樣晶片的功耗會太大。所以多核就出現了，多核出現後CPU的時鐘有所減少，並地區平緩。但是有效CPU周期時間還是像之前的速率增長。

---》快取運行機制。p（406）

    

---》緩衝區命中。

    為什麼第二次啟動程式要比第一次快的多，就是因為緩衝區命中的原理。第一次啟動後很多資料還停留在多級緩衝區中，這個時候如果再次啟動就會減少資料移動次數，也就減少程式的啟動時間。從中我們發現，有部分資料存在與快取中，就不用從記憶體中取了。

    舉例子：灌溉小麥，使用100米的水渠（普通水渠，不是水泥那種），假如水泵出水是固定的。

    第一次使用時，水渠中的水前進很慢，走完100米的水渠大約需要10分鐘，這是因為：有一些水會損失掉，即被滲到水渠下面的泥土中了。這部分水可以看作是“進階緩衝”中的水。

    第二次（時間較短）再灌溉小麥時，水渠的水走的很快，花費了2分鐘，因為相對於第一次來說，水渠不需要王下面滲很多水了。如果時間長了，隔了2天，水渠中的滲的水再往下滲。

    第三次灌溉（時間較長），同樣需要一些水滲到水渠下泥土裡面，所以，還是需要10分鐘。

    用電腦中的執行個體：當一條載入指令指示CPU從記憶體位址A讀出一個字時，他將地址A發送給快取。如果快取證儲存著A處的地址的按個拷貝，它就立即將那個字發給CPU。這要比從記憶體中讀取快很多。

---》core i7的快取階層

注意：只儲存指令的快取i-cache，只儲存資料的快取叫d-cache。既儲存指令又儲存資料的成為統一的快取。

就像第一章說的那樣快取至關重要，特別是“緩衝區命中”這個技術如果最佳化好了，速度將會很大改進。

快取的物理邏輯圖：

    

---》直接映射快取p（410）

根據E（快取行）快取被分為不同的類。每個組只有一行(E=1)的快取唄稱為直接映射快取    雖然一個整形可能在寄存器中，而整形數組，則可能存在與快取中。

---》衝突不命中。請看下面的例子：

float dotprod(float x[8], float y[8]){    float sum = 0.0;    int i;    for(i = 0;i < 8;i++)        sum += x[i] * y[i];    return sum;}

當第一次迭代x[0]時，必定不命中，那麼會導致x[0]~x[3]的塊被載入到高速緩衝組0，下一次是y[0]的調用，又一次不命中，導致y[0]~y[3]的塊被拷貝到組0，從而覆蓋前一次x的值。如此迭代，下次x[1]的值繼續不命中，繼而將x[0]~x[3],覆蓋調y[0]~y[3]的值。這種就叫做衝突不命中，也叫”抖動“。本質原因是：x和y數組被映射到同一個組。程式員可以避開這種抖動，但是我覺得編譯器應該解決這個問題。

原書中可能錯誤的地方不算多，但也影響到閱讀的心情。

p406圖6-24少了一個10的儲存格，12儲存格重複

p403圖6-21 a)函數名字應該為：int sumarraycol(int a[m][n]).

p199第一行最後應該為“位移量”