2017-2018-1 20155206 《信息安全系统设计基础》第九周学习总结
2017-2018-1 20155206 《信息安全系统设计基础》第九周学习总结
教材学习内容总结
三种常见存储技术：RAM/ROM/磁盘；
1、随机访问存储器RAM
（1）静态RAM
SRAM将每个位存储在一个双稳态的存储器单元里，每个单元是用一个六晶体管电路来实现的。
属性：它可以无限制地保持在两个不同的电压配置或状态之一。其他任何状态都是不稳定的。
特点：由于SRAM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，如电子噪音，来扰乱电压，当干扰消除，电路也能恢复到稳定值。
应用：高速缓存存储器，即可以在CPU芯片上，也可以在片下。
（2）动态DRAM
DRAM将每个位存储为对电容的充电。电容约为30×10-15F。
特点：对干扰特别敏感，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。
应用：主存以及图形系统的帧缓冲区。
2、非易失性存储器（ROM）
（1）区分：能被重编程的次数和对他们进行重编程所用的机制。
PROM：只能被编程一次。
EPROM：可擦写可编程ROM，紫外线光照清除单元内容，可擦写次数数量级1000。
E2PROM：电子可擦除PROM，可以直接在印制电路卡上编程，可擦写次数数量级10^5。
FLASH：闪存，基于EEPROM。（固态硬盘SSD基于闪存）
（2）存储在ROM设备中的程序通常称为固件。
磁盘存储
1、磁盘构造
（1）由盘片构成，每个盘片有两面或者称为表面，表面覆盖着磁性记录材料。盘片中央有一个可以旋转的主轴，使得盘片以固定的旋转速率旋转，通常是5400~15000转每分钟（RPM）
（2）每个表面是由一组称为磁道的同心圆组成；每个磁道被划分成一组扇区；每个扇区包含相等数量的数据位（通常是512字节）；这些数据编码在扇区上的磁性材料中。扇区之间由一些 间隙分隔开，这些间隙中不存在数据位。间隙存储用来标识扇区的格式化位。
2、磁盘容量
（1）一个磁盘上可以记录的最大位数称为它的最大容量/容量。
（2）磁盘容量的决定因素：
记录密度：磁道一英寸的段可以放入的位数。
磁道密度：从盘片中心出发半径上一英寸的段内可以有的磁道数。
面密度：记录密度与磁道密度的乘积。
磁盘是重点，涉及到后面的i/o和文件系统，做好相关练习
磁盘操作
1、磁盘用读写头来读写存储在磁性表面的位，而读写头连接到一个转动臂一端。寻道就是通过沿着半径轴前后移动这个转动臂，使得驱动器可以将读写头定位在盘面上的任何磁道上。
任何时刻，所有的读写头都位于同一柱面上。
在传动臂末端的读/写头在磁盘表面高度约0.1微米处一层薄薄的气垫上飞翔，速度大约为80km/h。
磁盘以扇区大小的块来读写数据。
2、访问时间：
（1）寻道时间：为了读取某个目标扇区的内容，传动臂把读/写头首先定位到包含目标扇区的磁道上，所需时间即为寻道时间，约等于最大旋转时间。
寻道时间Tseek依赖于读写头以前的位置和转动臂在盘面上移动的速度。
（2）旋转时间：定位到期望的磁道后，驱动器等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头下。依赖于当读写头到达目标扇区时盘面的位置和磁盘旋转速度。
定位到期望的磁道后，驱动器等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头下。
最大旋转时间 = 1/最大旋转数率
平均旋转时间 = (1/2) * 最大旋转时间。
（3）传送时间：当目标扇区的第一个位位于读写头下时，驱动器就可以开始读或者写该扇区的内容。依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数目。
平均传送时间 = (1/最大旋转数率) * （1/每磁道的平均扇区数）
逻辑磁盘块
1、内存可以看成字节数组、磁盘可以看成块数组
2、现代磁盘构造复杂，有多个盘面，这些盘面上有不同的记忆区。为了对操作系统隐藏这样的复杂性，现代磁盘将他们的构造呈现为一个简单的试图，一个B个扇区大小的逻辑块的序列，编号为0，1，...，B-1。
3、磁盘中有一个小的硬件/固件设备，称为磁盘控制器，维护着逻辑块号和实际（物理）扇区之间的映射关系。
4、控制器上的固件执行一个快速表查找，将一个逻辑块号翻译一个（盘面、磁道、扇区）的三元组，这个三原则唯一地表示了对应的物理扇区。控制器上的硬件解释这个三元组，将读写头移动到适当的煮面，等待扇区移动到读写头下，将读写头感知到的位放在控制器上的一个小缓冲区中，然后将他们拷贝到主存中。
连接到I/O设备
1、想图形卡、监视器、鼠标、键盘和磁盘这样的输入输出设备，都是通过I/O总线连接到CPU和主存的。
2、系统总线和存储器总线是与CPU相关的，I/O总线设计成与底层CPU无关。
3、I/O总线比系统总线比存储器总线慢，但是它可以容纳种类繁多的第三方I/O设备。
通用串行总线USB：2.0最大带宽60MB/S，3.0最大带宽600MB/S
图形卡（适配器）
主机总线适配器
访问磁盘
1、CPU使用一种存储器映射I/O技术来向I/O设备发出命令，在使用存储器映射I/O的系统中，地址空间中有一块地址是为与I/O设备通信保留的，称为I/O端口。当一个设备连接到总线时，它与一个或多个端口相连。
2、直接存储器访问：设备可以自己执行读或者写总线事务，而不需要CPU干涉的过程。这种数据传送称为DMA传送。
固体磁盘
1、固态硬盘是一种基于闪存的存储技术。
2、一个SSD包由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层组成，闪存芯片替代传统旋转磁盘中机械驱动器；闪存翻译层（一个硬件/固件设备）替代磁盘控制器，将对逻辑块的请求翻译成对底层物理设备的访问。
3、性能特性
顺序读和写（CPU按顺序访问逻辑磁盘块）性能相当，顺序读比顺序写稍快一点。
随机顺序访问逻辑块时，写比读慢一个数量级。
读写性能差别是由底层闪存基本属性决定的。
4、优缺点
（1）优点：
由半导体构成，没有移动的部件
随机访问时间比旋转磁盘要快、能耗低、结实
（2）缺点：易磨损、更贵
存储技术趋势
1、不同的存储技术有不同的价格和性能折中，不同存储技术的价格和性能属性以截然不同的速率变化着（增加密度从而降低成本比降低访问时间更容易）
2、DRAM和磁盘的性能滞后于CPU的性能
访问主存
1、读事务：从主存传送数据到CPU。
读事务语句：movl A,%eax
CPU将地址A放到存储器总线
主存从总线读出A，接收字x，然后将x放到总线上
CPU从总线读出字x，并将它copy到寄存器eax中。
2、写事务：从CPU传送数据到主存。
写事务语句：movl %eax,A
CPU将地址A放到存储器总线，主存读出这个地址，等待接收数据字
CPU将数据字y放到总路上
主存从总线读数据字y，并将它存储在地址A。
3、总线：一组并行的导线，能携带地址、数据的控制信号。分为：数据总线、控制总线、地址总线
局部性
分类：
时间局部性
空间局部性
应用：
1.硬件层：
通过引入高速缓存存储器来保存最近被引用的指令和数据项，从而提高对主存的访问速度。
2.操作系统级：
系统使用主存作为虚拟地址空间最近被引用块的高速缓存，用主存来缓存磁盘文件系统中最近被使用的磁盘块
3.应用程序中：
Web浏览器将最近被引用的文档放在本地磁盘上。
一、对程序数据引用的局部性
步长为k的引用模式
定义：一个连续变量中，每隔k个元素进行访问，就被称为步长为k的引用模式。
步长为1的引用模式：就是顺序访问一个向量的每个元素，有时也被称为顺序引用模式，它是程序中 空间局部性常见和重要的来源。
一般来说，随着步长增加，空间局部性下降。
存储器层次结构
一、缓存
高速缓存：是一个小而快速的存储设备，它作为存储在更大、更慢的设备中的数据对象的缓冲区域。
缓存：使用高速缓存的过程称为缓存。
数据总是以块大小为传送单元在第k层与第k+1层之间来回拷贝。任一对相邻的层次之间块大小是固定的，但是其他的层次对之间可以有不同的块大小。
一般来说：层越低，块越大。
1.缓存命中
当程序需要第k+1层的某个数据对象d时，首先在当前存储在第k层的一个块中查找d，如果d刚好缓存在第k层中，就称为缓存命中。
该程序直接从第k层读取d，比从第k+1层中读取d更快。
2.缓存不命中
即第k层中没有缓存数据对象d。
这时第k层缓存会从第k+1层缓存中取出包含d的那个块。如果第k层缓存已满，就可能会覆盖现存的一个块。
3.缓存不命中的种类
（1）强制性不命中/冷不命中
即第k层的缓存是空的（称为冷缓存），对任何数据对象的访问都不会命中。
（2）冲突不命中
由于一个放置策略：将第k+1层的某个块限制放置在第k层块的一个小的子集中，这就会导致缓存没有满，但是那个对应的块满了，就会不命中。
（3）容量不命中
当工作集的大小超过缓存的大小时，缓存会经历容量不命中，就是说缓存太小了，不能处理这个工作集。
高速缓存存储器
L1高速缓存：
位于CPU寄存器文件和主存之间，访问速度2-4个时钟周期
L2高速缓存：
位于L1高速缓存和主存之间，访问速度10个时钟周期
L3高速缓存：
位于L2高速缓存和主存之间，访问速度30或40个时钟周期
一、通用的高速缓存存储器结构
高速缓存是一个高速缓存组的数组，它的结构可以用元组（S,E,B,m）来描述：
S：这个数组中有S=2^s个高速缓存组
E：每个组包含E个高速缓存行
B：每个行是由一个B=2^b字节的数据块组成的
m：每个存储器地址有m位，形成M=2^m个不同的地址
除此之外还有标记位和有效位：
有效位：每个行有一个有效位，指明这个行是否包含有意义的信息
标记位：t=m-(b+s)个，唯一的标识存储在这个高速缓存行中的块
组索引位：s
块偏移位：b
高速缓存的结构将m个地址划分成了t个标记位，s个组索引位和b个块偏移位。
二、直接映射高速缓存
根据E（每个组的高速缓存行数）划分高速缓存为不同的类，E=1的称为直接映射高速缓存，以此为例：
高速缓存确定一个请求是否命中，然后取出被请求的字的过程，分为三步：
1.组选择
2.行匹配
3.字抽取
三、组相联高速缓存
E路组相联高速缓存：1<E<C/B
1.组选择
和直接的一样。
2.行匹配和字选择
形式是(key, value)，用key作为标记和有效位去匹配，匹配上了之后返回value。
3.行替换
有空行替换空行，没有空行，应用替换策略:
随机替换
最不常使用策略LFU：替换在过去某个时间窗口内引用次数最少的那一行。
最近最少使用策略LRU：替换最后一次访问时间最久远的那一行。
