全文内容主要来自对课程《深入浅出计算机组成原理》的学习笔记。
40 | 理解内存（上）
虚拟内存地址究竟是怎么转换成物理内存地址?
简单页表
页表（Page Table）：虚拟内存里面的页，到物理内存里面的页的一一映射。
一个内存地址分成页号（Directory）和偏移量（Offset）。
一页内存在物理层面是连续的，一般大小是 4K 字节（4KB），需要 20 位的高位，12 位的低位。
内存地址转换步骤：
- 虚拟内存地址，切分成页号、偏移量；
- 从页表，查询对应的物理页号；
- 物理页号+偏移量，就是物理内存地址。
页表空间：
32位地址，高位有20，需要记录$2^{20}$个物理页号的映射，数组形势，一个页号4字节，总计大约4MB。看上去不多，但如每个进程有一份，就很大了。
多级页表
只需要去存用到的页之间的映射关系。
虚拟内存占用的地址空间，通常是两段连续的空间，多级页表（Multi-Level Page Table）适用这类。
如上图，一个4级多级页表：
- 页号部分（20位）拆成4段（每段5位），对应各级页表索引；
- 每级索引对应的是下一级页表的位置；
- 最后的1级页表，继续用“页号 + 偏移量”来获取物理内存地址。
因为实际的虚拟内存空间通常是连续的，所以需要的 2、3 级页表很少。
看下空间大小：
- 每段索引5bit，1 级页表有$2^5=32$个条目映射，每个条目 4 字节（32bits=4Bytes），该 1 级页表总计 128 字节；
- 每个 1 级索引表映射 32 个 4KB 内存快，即 128Kb；
- 那么每个填满的2级索引表，对应 32 个 1 级索引表，总计 4MB 内存映射。
需要存的映射少了，空间节省了，但查询次数多了，一个典型的时间换空间的方案。
41 | 理解内存（下）
地址转换是很高频，怎么解性能问题？- 数据、指令都在内存，怎么解内存安全问题？
加速地址转换：TLB
内存访问其实比 Cache 要慢，简单的内存转换，1次变4次。解法：加缓存。
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）。
和 CPU 里的高速缓存类似，用脏标记来实现“写回”等缓存管理策略。为了性能，整个内存转换过程也要由硬件来执行，封装为内存管理单元（MMU，Memory Management Unit）芯片
安全性与内存保护
可执行空间保护
一个进程使用的内存，指令部分设置成“可执行”的，数据等其他部分不给予“可执行”的权限。
地址空间布局随机化
核心问题：其他的人、进程、程序，会去修改掉特定进程的指令、数据，然后，让当前进程去执行这些指令和数据，造成破坏。
原进程内存空间是固定，容易获取指令位置。地址空间布局随机化之后，无法猜到指令的内存地址，随意修改只会让程序 crash 掉，不会执行危险代码。
一个经典的随机性应用：
用户名称+密码通过hash保护，但泄露太多加密的，容易通过彩虹表等方式推测结果。于是，在hash的时候全部加上盐值（Salt），即使猜出来也无法使用。
42 | 总线
CPU 和内存、以及外部输入输出设备的通信，计算机是怎么完成的？
降低复杂性
假设计算机有 N 个不同的设备需要通信，并且是单独链接，那么复杂度就是 $N^2$。
优化的方案：不用单独通信，都是用一条公用线路，即总线。
总线，就是一组线路，英文是 BUS，设计模式是事件总线。
事件总线：
- 发布者：各模块触发对应的事件，并把事件对象发送到总线上；
- 监听者：各模块也注册到总线上，去监听事件，并根据对象类型或内容来决定是否要处理或者响应。
理解总线
双独立总线（Dual Independent Bus，缩写为 DIB）：
- 快速的
本地总线（Local Bus）； - 较慢的
前端总线（Front-side Bus）。
CPU链接前端总线，即系统总线，与 I/O 桥接器相连，分别连接内存总线和 I/O 总线。
总线通常有三类线路：
数据线（Data Bus），传输数据；地址线（Address Bus），数据传输的位置，是内存的某个位置，还是某 I/O 设备。控制线（Control Bus），用来控制对于总线的访问。
43 | 输入输出设备
接口和设备
输入输出设备一般2个部分：
- 接口（Interface）；
- 实际的 I/O 设备（Actual I/O Device）。
三类寄存器（在设备的接口电路上）：
- 状态寄存器（Status Register）；
- 命令寄存器（Command Register）；
- 数据寄存器（Data Register）。
控制 I/O 设备
设备接口上除了3类寄存器，还有控制电路来控制实际硬件。
- 数据寄存器（Data Register）。
CPU 向 I/O 设备写入需要传输的数据。实际上还有数据缓冲区。
- 命令寄存器（Command Register）。
CPU 发送打印命令给打印机。控制电路两个动作：状态寄存器把状态设置成 not-ready；操作打印机进行打印。
- 状态寄存器（Status Register）。
告诉 CPU 设备已在工作，其他数据和命令不能执行。直到完成，重新 ready 状态。
信号和地址
CPU 往总线上发送的命令具体是什么，才能和 I/O 接口上的设备通信呢？
答案是机器指令。但 MIPS 并没有专门的 I/O 指令，实际上是使用内存地址。
主内存会映射 I/O 设备的内存地址。CPU 通信时，往这些地址发送数据即可。这种叫内存映射 IO（Memory-Mapped I/O，简称 MMIO）。
Intel CPU 既支持 MMIO，还可以通过特定的指令，来支持端口映射 I/O（Port-Mapped I/O，简称 PMIO）。核心的区别，PMIO 里面访问的设备地址，不再是在内存地址空间里面，而是一个专门的端口（Port）。
44 | 理解IO_WAIT
并不是所有问题都能靠利用内存或者 CPU Cache 做一层缓存来解决。硬盘使用还是很多的，尤其是大数据场景，那么硬盘的 I/O 性能就很重要。
IO 性能、顺序访问和随机访问
硬盘厂商的性能报告：
- 响应时间；
- 数据传输率。
硬盘：
- HDD：机械硬盘，SATA 3.0 接口。
- SSD：固态硬盘，SATA 3.0 & PCI Express 接口。
SATA 3.0，带宽 6Gb/s，“b”是bit，则约768MB/s（$6 \times 1024 / 8 = 768$）。但日常约 200 MS/s。
SSD 大约 500 MB/s，如果换成 PCI Express 约 2 GB/s。
响应时间，HDD 约十毫秒左右，SSD 约几十微妙，差异更大。但，无论哪个，貌似性能还可以，与实际经验不符合。
在顺序读写和随机读写的情况下，硬盘的性能是完全不同的
IOPS：每秒输入输出操作的次数，去随机读取磁盘上某一个 4KB 大小的数据，一秒之内可以读取到多少数据。
SSD，随机读写约 40MB/s，即1万次 4KB 数据，即 IOPS。写入的话约90MB/s，IOPS 约2万。
而HDD，IOPS 大约为100。
定位 IO_WAIT
CPU 的主频通常在 2GHz 以上，也就是每秒可以做 20 亿次操作。即使一条读写指令，需要很多个时钟周期，硬盘完全跟不上。
通过 top 和 iostat 这些命令，一起来看看 CPU 到底有没有在等待 io 操作。
top 去看服务的负载，也就是 load average。也可以看 CPU 是否在等待 IO 操作完成。
以 %CPU 开头的行，有一个叫作 wa 的指标，这个指标就代表着 iowait
如果 iostat 很大，可以通过 iostat 查看实际硬盘读写。
其中， tps 指标，其实就对应着我们上面所说的硬盘的 IOPS 性能。而 kB_read/s 和 kB_wrtn/s 指标，就对应着我们的数据传输率的指标
用iotop命令找哪一个进程是这些 I/O 读写的来源。
通过
stress -i 2，模拟两个进程往硬盘写数据。top 的输出里面，CPU 就有大量的 sy 和 wa。通过 iostat，里面的 tps 很快就到了 4 万左右。iotop， I/O 占用都来自于 stress 产生的两个进程了。
45 | 机械硬盘
拆解机械硬盘
前面提过，机械硬盘 IOPS 大约100，这个的原理是什么？
机械硬盘三个组成部分：盘面、磁头和悬臂。
盘面（Disk Platter）：实际存储数据的，跟光盘类似，铝、玻璃或者陶瓷制成，上有磁性涂层来存储数据。中间有转轴控制转速，RPM（Rotations Per Minute）一般为7200，每秒则120转。
磁头（Drive Head）：从盘面读取数据传输给电路，一个硬盘会有多个堆叠的磁盘，每个磁盘正反面都会各有一个磁头。
悬臂（Actutor Arm）：链接磁头，用来定位磁头到磁道的。
磁盘会切分不同半径的同心环作为磁道，每个磁道会分成多个扇区，上下不同磁盘但平行的扇区称为一个柱面。所以读取的数据的时候，悬臂需要控制磁头，移动到对应的磁道上，并且盘面需要转转道对应位置，如此磁头才能读取到指定的扇区/柱面。
硬盘上的随机访问：
平均延时（Average Latency）：盘面旋转，把几何扇区对准悬臂位置的时间。7200转/min 硬盘，即 240半圈/s，寻找指定扇区平均需要半圈距离，即 1s / 240 = 4.17ms。
平均寻道时间（Average Seek Time）：盘面旋转，悬臂定位到扇区的的时间。一般在 4-10ms
综上，随机访问时间约8-14ms，对应的 IOPS 为 125-70.
Partial Stroking
提升 HDD 硬盘效率的一个办法就是提高转速，这是很多厂商历史做的事情。
还有一种，空间换时间的方法，来提高硬盘的IOPS，就是 Partial Stroking 或者 Short Stroking。
一般硬盘的寻道时间都比平均延时要长，如果消除这部分，可以有效提高 IOPS。那就是磁头仅仅用最外道的磁道，或者只用1/4磁道。
不过这是当年互联网蓬勃发展时，工程师们想要改善性能问题的有偿解法。