Mit6.004-14-The Memory Hierarchy

本文深入探讨了内存技术,包括SRAM的工作原理,如读写操作和多端口设计,以及DRAM的刷新机制和读写过程。此外,还介绍了稳定性存储如Flash的浮栅门技术及其限制,以及硬盘的存储定位和速度特性。内容涵盖内存分级、缓存管理和局部性原则,分析了不同缓存设计如直接映射和组相联缓存的优缺点及策略。

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1. 我们的内存机器

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2. 内存技术

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3. SRAM

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4. SRAM单元

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5. SRAM读

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1、所有bitline电压都设置为1
2、某个wordline电压设为高电平,让对应cell的两个mos管接通
3、cell两边bitline中的某一个肯定会主键降为低电平
4、无需等到某个bitline降低到gnd,感应放大器感应到变化即可有相应输出

6. SRAM写

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1、驱动将bitline设置为要写入的电压
2、地址解码器选中某一wordline
3、bitline中的值覆盖掉cell中的值

7. 多端口SRAM

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8. SRAM总结

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9. DRAM Cell

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因为电容器、mos管漏电,不能稳定保持一定的电荷量,所以需要周期性地读取、重写cell的值,保证cell中的值有效

10. DRAM写和读

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电容存放电荷用来代表0、1,wordline选中某行,读时,bitline电压设为Vdd/2,根据bitline的充放电判断cell的值,若cell为高电平,那么每次读会导致cell电荷量减少,需要重写;
写时,bitline设高低电平,来对电容充放电。
行地址选中(延时较大)后,同一行内,选择不同列时延迟较低

11. DRAM总结

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12. 稳定存储:Flash

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floating gate无电荷时:wordline施加V1,即可让NMOS导通。
floating gate有电荷时:wordline施加V2(一个大于V1的电压),才可以让NMOS导通。
那么施加一个V1到V2之间的电压,通过观测NMOS是否导通,得知floating gate处于哪种状态。
写有次数限制。

13. 稳定存储:硬盘

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确定哪个扇面,再确定哪个圆圈,再确定圆圈哪一段。
串行读/写100MB/s,随机读写100KB/s

14. 总结:内存技术

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15. 内存分级

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16. 内存层级连接

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程序直接管理各个层级内存:超级计算机Seymour Cray就是个典型例子。
计算机内存系统管理各级内存:程序员只知道有一个大内存,有统一的地址可以访问。

17. 局部原则

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局部性访问,空间局部性:访问地址a后,地址a附近的其他内存也更可能被访问;时间局部性:访问地址a后,接下来的时间里,a也很可能再次被访问。
访问DRAM中的数据后,内存系统会把DRAM中该数据附近的一块数据,放到SRAM中缓存。

18. 内存引用模式

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19. 缓存

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20. 一个典型的内存分级

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21. 缓存访问

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cpu从cache拿数据4ns,从主存拿数据44ns,cpu如何应对不同的内存访问时间。要么等着,现代处理器超线程技术可以在这段时间执行其他程序的指令。

22. 缓存指标

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23. 例子:命中率要有多高

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24. 基本缓存算法

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25. 直接映射缓存

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26. 例子:直接映射缓存

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27. 块尺寸

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28. 块尺寸权衡

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miss处罚:随着块尺寸增大而增大;
miss比率:随着块尺寸增大先降低、后升高;
amat:随着块尺寸增大先降低、后升高;

29. 直接映射缓存问题:conflict miss

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30. 全相联缓存

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31. N路组相联缓存1

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地址的index位定位到某个set(某行),再通过N个比较器,比较N个tag和地址的tag位。

32. N路组相联缓存2

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33. 让我们算下路数?

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34. 相联权衡

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35. associativity implies choices

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36. 取代策略

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37. 写策略

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38. 回写

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39. 带“脏”位的写回

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40. 总结:缓存权衡

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