计算机组成原理之存储于IO系统（一）

新的知识第一遍没有百分百看懂，而随着时间的推移，慢慢领悟成长了，这才是人生的常态。优秀的工程师大都会经历这样的成长过程。

存储器

• SRAM（Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器）的芯片，SRAM 之所以被称为“静态”存储器，是因为只要处在通电状态，里面的数据就可以保持存在。而一旦断电，里面的数据就会丢失了。在 SRAM 里面，一个比特的数据，需要 6～8 个晶体管。所以 SRAM 的存储密度不高。同样的物理空间下，能够存储的数据有限。不过，因为 SRAM 的电路简单，所以访问速度非常快。
• 在 CPU 里，通常会有 L1、L2、L3 这样三层高速缓存。每个 CPU 核心都有一块属于自己的 L1 高速缓存，通常分成指令缓存和数据缓存，分开存放 CPU 使用的指令和数据。
• L1 的 Cache 往往就嵌在 CPU 核心的内部。L2 的 Cache 同样是每个 CPU 核心都有的，不过它往往不在 CPU 核心的内部。所以，L2 Cache 的访问速度会比 L1 稍微慢一些。而 L3 Cache，则通常是多个 CPU 核心共用的，尺寸会更大一些，访问速度自然也就更慢一些。
  
• DRAM 被称为“动态”存储器，是因为 DRAM 需要靠不断地“刷新”，才能保持数据被存储起来。DRAM 的一个比特，只需要一个晶体管和一个电容就能存储。所以，DRAM 在同样的物理空间下，能够存储的数据也就更多，也就是存储的“密度”更大。但是，因为数据是存储在电容里的，电容会不断漏电，所以需要定时刷新充电，才能保持数据不丢失。DRAM 的数据访问电路和刷新电路都比 SRAM 更复杂，所以访问延时也就更长。

存储器的层次关系图

• 各个存储器只和相邻的一层存储器打交道，并且随着一层层向下，存储器的容量逐层增大，访问速度逐层变慢，而单位存储成本也逐层下降，也就构成了存储器层次结构。

局部性原理

局部性原理：在实际的计算机日常的开发和应用中，我们对于数据的访问总是会存在一定的局部性。通过局部性原理，来制定管理和访问数据的策略。这个局部性原理包括时间局部性（temporal locality）和空间局部性(spatial locality)这两种策略。有时候，这个局部性是时间局部性，就是我们最近访问过的数据还会被反复访问。有时候，这个局部性是空间局部性，就是我们最近访问过数据附近的数据很快会被访问到。

• 局部性的存在，使得我们可以在应用开发中使用缓存这个有利的武器。比如，通过将热点数据加载并保留在速度更快的存储设备里面，我们可以用更低的成本来支撑服务器。
• 局部性原理真是计算机各类优化的基石，小到cpu cache，大到cdn。而且不仅仅是存储，java的jit也是利于局部性优化性能。任何东西只要不是均匀分布的，就有优化空间。

CPU Cache

在今天，CPU 和内存的访问速度已经有了 120 倍的差距。

随着时间变迁，CPU 和内存之间的性能差距越来越大。

• 为了弥补两者之间的性能差异，能真实地把 CPU 的性能提升用起来，而不是让它在那儿空转，在现代 CPU 中引入了高速缓存。
• 现代 CPU 进行数据读取的时候，无论数据是否已经存储在 Cache 中，CPU 始终会首先访问 Cache。在 95% 的情况下，CPU 都只需要访问 L1-L3 Cache，从里面读取指令和数据，而无需访问内存。只有当 CPU 在 Cache 中找不到数据的时候，才会去访问内存，并将读取到的数据写入 Cache之中。当时间局部性原理起作用后，这个最近刚刚被访问的数据，会很快再次被访问。而 Cache 的访问速度远远快于内存，这样，CPU 花在等待内存访问上的时间就大大变短了。
  
• CPU 访问内存数据，是一小块一小块数据来读取的。对于读取内存中的数据，我们首先拿到的是数据所在的内存块（Block）的地址。而直接映射 Cache采用的策略，就是确保任何一个内存块的地址，始终映射到一个固定的 CPU Cache 地址（Cache Line）。而这个映射关系，通常用 **mod 运算（求余运算）**来实现。
• 比如说，我们的主内存被分成 0～31 号这样 32 个块。我们一共有 8 个缓存块。用户想要访问第 21 号内存块。如果 21 号内存块内容在缓存块中的话，它一定在 5 号缓存块（21 mod 8 = 5）中。
  
  一个内存的访问地址，最终包括高位代表的组标记、低位代表的索引，以及在对应的 Data Block 中定位对应字的位置偏移量。
  

内存地址对应到 Cache 里的数据结构，则多了一个有效位和对应的数据，由“索引 + 有效位 + 组标记 + 数据”组成。如果内存中的数据已经在 CPU Cache 里了，那一个内存地址的访问，就会经历这样 4 个步骤：

1. 根据内存地址的低位，计算在 Cache 中的索引；
2. 判断有效位，确认 Cache 中的数据是有效的；
3. 对比内存访问地址的高位，和 Cache 中的组标记，确认 Cache 中的数据就是我们要访问的内存数据，从 Cache Line 中读取到对应的数据块（Data Block）；
4. 根据内存地址的 Offset 位，从 Data Block 中，读取希望读取到的字。

如果在 2、3 这两个步骤中，CPU 发现，Cache 中的数据并不是要访问的内存地址的数据，那 CPU 就会访问内存，并把对应的 Block Data 更新到 Cache Line 中，同时更新对应的有效位和组标记的数据。

关键字 volatile 的含义：它会确保我们对于这个变量的读取和写入，都一定会同步到主内存里，而不是从 Cache 里面读取。

写入 Cache 的性能也比写入主内存要快，那我们写入的数据，到底应该写到 Cache 里还是主内存呢？如果我们直接写入到主内存里，Cache 里的数据是否会失效呢？

• 写直达（Write-Through）
  • 最简单的一种写入策略，叫作写直达（Write-Through）。在这个策略里，每一次数据都要写入到主内存里面。在写直达的策略里面，写入前，我们会先去判断数据是否已经在 Cache 里面了。如果数据已经在 Cache 里面了，我们先把数据写入更新到 Cache 里面，再写入到主内存里面；如果数据不在 Cache 里，我们就只更新主内存。
    
• 写回（Write-Back）
  • 还有一种策略就叫作写回（Write-Back）。这个策略里，我们不再是每次都把数据写入到主内存，而是只写到 CPU Cache 里。只有当 CPU Cache 里面的数据要被“替换”的时候，我们才把数据写入到主内存里面去。
    

缓存一致性(Cache Coherence)

• 多个线程，或者是多个 CPU 核的缓存一致性的问题。因为 CPU 的每个核各有各的缓存，互相之间的操作又是各自独立的，就会带来缓存一致性(Cache Coherence)的问题。所谓的缓存一致性问题，1 号核心和 2 号核心的缓存，在这个时候是不一致的。
  

为了解决这个缓存不一致的问题，我们就需要有一种机制，来同步两个不同核心里面的缓存数据。那这样的机制需要满足什么条件呢？

• 第一点叫写传播（Write Propagation）。写传播是说，在一个 CPU 核心里，我们的 Cache 数据更新，必须能够传播到其他的对应节点的 Cache Line 里。
• 第二点叫事务的串行化（Transaction Serialization），事务串行化是说，我们在一个 CPU 核心里面的读取和写入，在其他的节点看起来，顺序是一样的。

事务的串行化，不仅仅是缓存一致性中所必须的。比如，我们平时所用到的系统当中，最需要保障事务串行化的就是数据库。多个不同的连接去访问数据库的时候，我们必须保障事务的串行化，做不到事务的串行化的数据库，根本没法作为可靠的商业数据库来使用。

• CPU Cache 里做到事务串行化，需要做到两点，第一点是一个 CPU 核心对于数据的操作，需要同步通信给到其他 CPU 核心。第二点是，如果两个 CPU 核心里有同一个数据的 Cache，那么对于这个 Cache 数据的更新，需要有一个“锁”的概念。只有拿到了对应 Cache Block 的“锁”之后，才能进行对应的数据更新。

MESI协议

• MESI 协议，是一种叫作写失效（Write Invalidate）的协议。在写失效协议里，只有一个 CPU 核心负责写入数据，其他的核心，只是同步读取到这个写入。在这个 CPU 核心写入 Cache 之后，它会去广播一个“失效”请求告诉所有其他的 CPU 核心。其他的 CPU 核心，只是去判断自己是否也有一个“失效”版本的 Cache Block，然后把这个也标记成失效的就好了。
• 相对于写失效协议，还有一种叫作写广播（Write Broadcast）的协议。在那个协议里，一个写入请求广播到所有的 CPU 核心，同时更新各个核心里的 Cache。

整个 MESI 的状态，可以用一个有限状态机来表示它的状态流转

• MESI 协议，是已修改、独占、共享以及已失效这四个缩写的合称。独占和共享状态，就好像我们在多线程应用开发里面的读写锁机制，确保了我们的缓存一致性。而整个 MESI 的状态变更，则是根据来自自己 CPU 核心的请求，以及来自其他 CPU 核心通过总线传输过来的操作信号和地址信息，进行状态流转的一个有限状态机。

理解内存

对于一个内存地址转换为物理地址，其实就是这样三个步骤：

1. 把虚拟内存地址，切分成页号和偏移量的组合；
2. 从页表里面，查询出虚拟页号，对应的物理页号；
3. 直接拿物理页号，加上前面的偏移量，就得到了物理内存地址。
   

每一个进程，都有属于自己独立的虚拟内存地址空间。这也就意味着，每一个进程都需要这样一个页表。

多级页表

• 一个进程的内存地址空间是怎么分配的。在整个进程的内存地址空间，通常是“两头实、中间空”。在程序运行的时候，内存地址从顶部往下，不断分配占用的栈的空间。而堆的空间，内存地址则是从底部往上，是不断分配占用的。所以，在一个实际的程序进程里面，虚拟内存占用的地址空间，通常是两段连续的空间。而不是完全散落的随机的内存地址。

• 多级页表就像一个多叉树的数据结构，所以我们常常称它为页表树（Page Table Tree）。
• 多级页表虽然节约了我们的存储空间，却带来了时间上的开销，所以它其实是一个“以时间换空间”的策略。原本我们进行一次地址转换，只需要访问一次内存就能找到物理页号，算出物理内存地址。但是，用了 4 级页表，我们就需要访问 4 次内存，才能找到物理页号了。

思考：我感觉这儿多级页表的思想和数据库索引存储时候的多级索引思想一模一样，不知道是不是数据库多级索引设计者借鉴了这儿的思想。

解析TLB和内存保护

• 机器指令里面的内存地址都是虚拟内存地址。程序里面的每一个进程，都有一个属于自己的虚拟内存地址空间。我们可以通过地址转换来获得最终的实际物理地址。我们每一个指令都存放在内存里面，每一条数据都存放在内存里面。因此，“地址转换”是一个非常高频的动作，“地址转换”的性能就变得至关重要了。这就是第一个问题，也就是性能问题。因为我们的指令、数据都存放在内存里面，这里就会遇到第二个问题，也就是内存安全问题。

性能问题

• CPU 里放了一块缓存芯片。这块缓存芯片我们称之为TLB，全称是地址变换高速缓冲（Translation-Lookaside Buffer）。这块缓存存放了之前已经进行过地址转换的查询结果。这样，当同样的虚拟地址需要进行地址转换的时候，可以直接在 TLB 里面查询结果，而不需要多次访问内存来完成一次转换。
• 在 CPU 芯片里面，我们封装了内存管理单元（MMU，Memory Management Unit）芯片，用来完成地址转换。和 TLB 的访问和交互，都是由这个MMU控制的。

内存安全问题

• 内存保护：无论是数据还是代码，我们都要存放在内存里面。为了防止因为各种漏洞，导致一个进程可以访问别的进程的数据或者代码，甚至是执行对应的代码，造成严重的安全问题，最常用的两个内存保护措施，可执行空间保护和地址空间布局随机化。
• 通过让数据空间里面的内容不能执行，可以避免了类似于“注入攻击”的攻击方式。通过随机化内存空间的分配，可以避免让一个进程的内存里面的代码，被推测出来，从而不容易被攻击。

总线

计算机是用什么样的方式来完成，CPU 和内存、以及外部输入输出设备的通信呢？

• 总线设计思想，在软件开发中也是非常常见的。我们在做大型系统开发的过程中，经常会用到一种叫作事件总线(Event Bus)的设计模式。进行大规模应用系统开发的时候，系统中的各个组件之间也需要相互通信。模块之间如果是两两之间单独去定义协议，这个软件系统一样会遇到一个复杂度变成了 N2 的问题。所以常见的一个解决方案，就是事件总线这个设计模式。
  
• 在事件总线这个设计模式里，各个模块触发对应的事件，并把事件对象发送到总线上。也就是说，每个模块都是一个发布者（Publisher）。而各个模块也会把自己注册到总线上，去监听总线上的事件，并根据事件的对象类型或者是对象内容，来决定自己是否要进行特定的处理或者响应。
• CPU 和内存以及高速缓存通信的总线，这里面通常有两种总线。这种方式，我们称之为双独立总线（Dual Independent Bus，缩写为 DIB）。CPU 里，有一个快速的本地总线（Local Bus），以及一个速度相对较慢的前端总线（Front-side Bus）。
• 在实际的硬件层面，总线其实就是一组连接电路的线路。因为不同设备之间的速度有差异，所以一台计算机里面往往会有多个总线。常见的就有在 CPU 内部和高速缓存通信的本地总线，以及和外部 I/O 设备以及内存通信的前端总线。

• 前端总线通常也被叫作系统总线。它可以通过一个 I/O 桥接器，拆分成两个总线，分别来和 I/O 设备以及内存通信。自然，这样拆开的两个总线，就叫作I/O 总线和内存总线。总线本身的电路功能，又可以拆分成用来传输数据的数据线、用来传输地址的地址线，以及用来传输控制信号的控制线。
• 总线是一个各个接入的设备公用的线路，所以自然会在各个设备之间争夺总线所有权的情况。于是，我们需要一个机制来决定让谁来使用总线，这个决策机制就是总线裁决。