存储器的层次结构
存储的核心概念
存储的核心概念存储是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和管理数据和程序。
它允许计算机在执行指令和处理数据时进行读写操作，并且可以长期保存数据以供以后使用。
存储的核心概念包括存储层次结构、存储器层次、主存储器和辅助存储器。
一、存储层次结构计算机中的存储层次结构是根据存取速度和容量来划分的，它分为多个层次，每个层次都有自己的特点和功能。
存储层次结构从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器。
下面我将逐一介绍这些层次。
1. 寄存器：寄存器是存储器层次结构中最接近CPU 的一层，也是最快的一层。
它用于存放CPU 需要立即访问的数据和指令。
寄存器的容量很小，一般只有几十个字节，但是它的读写速度非常快，能够满足CPU 对数据和指令的高速处理需求。
2. 高速缓存：高速缓存是位于CPU 和主存储器之间的一层存储器，作为主存储器和寄存器之间的缓冲区，用于加速CPU 对数据和指令的访问。
高速缓存的容量比寄存器大，但比主存储器小，一般几十到几百个千字节。
它的读写速度比主存储器快，但比寄存器慢。
它通过缓存一部分主存储器中的数据和指令，提高了CPU 对存储器的访问效率。
3. 主存储器：主存储器（也叫内存）是计算机系统中最重要的存储器，用于存放程序和数据。
它的容量比高速缓存大，一般几十到几百个千兆字节。
主存储器的读写速度比高速缓存慢，但比辅助存储器快。
它能够提供给CPU 进行读写操作。
4. 辅助存储器：辅助存储器（也叫外存）是计算机系统中最大的存储器，负责长期保存数据和程序。
它的容量比主存储器大，可以达到几百个千兆字节或者更大。
辅助存储器的读写速度比主存储器慢，但它具有永久存储的特点，即使计算机断电，数据也不会丢失。
以上是存储层次结构中的几个层次，不同层次的存储器在容量、读写速度、价格等方面都有所不同，通过合理地利用这些存储器，可以提高计算机系统的性能和效率。
二、存储器层次存储器层次是指存储器在层次结构中的位置和关系。
层次化存储器基本结构
层次化存储器基本结构层次化存储器是计算机系统中重要的存储器层次结构之一，它由多层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。
在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调，以提高系统的存储器性能和效率。
一、层次化存储器的概念层次化存储器是指计算机系统中采用多层次存储器结构的存储器系统。
它由多个层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。
一般来说，层次化存储器由高速缓存、主存储器和辅助存储器三个层次组成。
其中，高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，速度最快，容量最小；主存储器是位于CPU外部的二级缓存，速度较快，容量较大；辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，速度较慢，容量最大。
二、层次化存储器的特点1. 高速缓存：高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，具有很快的访问速度和较小的容量。
它能够缓存CPU频繁访问的数据和指令，以提高系统的执行效率。
2. 主存储器：主存储器是位于CPU外部的二级缓存，具有较快的访问速度和较大的容量。
它是CPU和辅助存储器之间的桥梁，负责数据的传输和临时存储。
3. 辅助存储器：辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，具有较慢的访问速度和最大的容量。
它主要用于长期存储和备份数据，以及作为主存储器的扩展。
三、层次化存储器的工作原理在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调工作。
当CPU需要访问数据或指令时，首先会在高速缓存中查找，如果找到了，则直接进行访问；如果没有找到，则会在主存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到高速缓存中，并进行访问；如果还没有找到，则会在辅助存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到主存储器中，并再次进行查找和访问。
四、层次化存储器的优势层次化存储器的设计思想是利用不同层次的存储器的特点和优势，以提高系统的存储器性能和效率。
具体优势如下：1. 提高存储器访问速度：高速缓存和主存储器具有较快的访问速度，可以满足CPU对数据和指令的快速访问需求，提高系统的执行效率。
操作系统复习存储器管理
第一章 存储器管理4.1 存储器的层次结构—存储器应容量大,便宜,速度跟上处理器4.1.1 多级存储器结构通常有三层,细分为六层,如图4-1, 越往上,速度越快,容量越小,价格越贵; 寄存器和主存又称可执行存储器,进程可直接用指令访问,辅存只能用I/O 访问;4.1.2 主存储器与寄存器1.主存储器---内存,保存进程运行时的程序和数据;CPU与外围设备交换的信息一般也依托于主存储器地址空间;为缓和访存速度远低于CPU 执行指令的速度,在计算机系统中引入了寄存器和高速缓存;2.寄存器---与CPU 协调工作,用于加速存储器的访问速度,如用寄存器存放操作数,或用地址寄存器加快地址转换速度等;4.1.3 高速缓存和磁盘缓存1.高速缓存---根据程序执行的局部性原理将主存中一些经常访问的信息程序、数据、指令等存放在高速缓存中,减少访问主存储器的次数,可大幅度提高程序执行速度;2.磁盘缓存---将频繁使用的一部分磁盘数据和信息,暂时存放在磁盘缓存中,可减少访问磁盘的次数;它依托于固定磁盘,提供对主存储器存储空间的扩充,即利用主存中的存储空间,来暂存从磁盘中读/写入的信息;4.2 程序的装入和链接多道程序运行,需先创建进程;而创建进程第一步是将程序和数据装入内存;将源程序变为可在内存中执行的程序,通常都要经过以下几个步骤：编译---若干个目标模块；链接---链接目标模块和库函数,形成装入模块；装入---图 4-2 对用户程序的处理步骤寄存器高速缓存主存磁盘缓存磁盘可移动存储介质CPU 寄存器主存辅存第一步第二步第三步内存4.2.1 程序的装入——无需连接的单目标模块装入理解装入方式1. 绝对装入方式Absolute Loading Mode ---只适用单道程序环境如果知道程序的内存位置,编译将产生绝对地址的目标代码,按照绝对地址将程序和数据装入内存;由于程序的逻辑地址与实际内存地址完全相同,故不须对程序和数据的地址进行修改;绝对地址：可在编译时给出或由程序员直接赋予;若由程序员直接给出,不利于程序或数据修改,因此,通常是在程序中采用符号地址,然后在编译或汇编时转换为绝对地址;2. 可重定位装入方式Relocation Loading Mode ---适于多道程序环境多道程序环境下,编译程序不能预知目标模块在内存的位置;目标模块的起始地址是0,其它地址也都是相对于0计算的;此时应采用可重定位装入方式,根据内存情况,将模块装入到内存的适当位置,如图4-3 作业装入内存时的情况 ;3.动态运行时装入方式Dynamic Run-time Loading ---适于多道程序环境可重定位装入方式并不允许程序运行时在内存中移动位置;但是,在运行过程中它在内存中的位置可能经常要改变,此时就应采用动态运行时装入方式;动态运行时的装入程序,在把装入模块装入内存后,并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址,而是把这种地址转换推迟到程序真正执行时才进行;因此,装入内存后的所有地址都仍是相对地址;问题：程序装入内存后修改地址的时机是什么4.3 连续分配方式4.3.3 动态分区分配——根据进程需要动态分配内存1. 分区分配中的数据结构1 空闲分区表—用若干表目记录每个空闲分区的分区序号、分区始址及分区的大小等数据项;2 空闲分区链--为实现对空闲分区的分配和链接,在每分区起始部分,设置前向指针,尾部则设置一后向指针;为检索方便,在分区前、后向指针中,重复设置状态位和分区大小表目;当分0内存空间区被分配后,把状态位由“0”改为“1”时,前、后向指针失去意义;图 4-5 空闲链结构2. 分区分配算法P1231首次适应算法first-fit —空闲分区链以地址递增次序链接 每次按分区链的次序从头查找,找到符合要求的第一个分区;2 循环首次适应算法—FF 算法的变种从上次找到的空闲分区位置开始循环查找,找到后,修改起始查找指针; 3 最佳适应算法—空闲分区按容量从小到大排序 把能满足要求的、最小的空闲分区分配给作业 4 最坏适应算法——空闲分区按容量从大到小排序 挑选最大的空闲区分给作业使用；5) 快速适应算法—根据容量大小设立多个空闲分区链表3. 分区分配操作1.分配内存请求分区u.size; 空闲分区m.size; m.size-u.size ≤size,说明多余部分太小, 不再切割,将整个分区分配给请求者；否则从该分区中划分一块请求大小的内存空间,余下部分仍留在空闲分区链;如图4-6 内存分配流程;2.回收内存1 回收区与插入点的前一空闲分区F1相邻：合并,修改F1大小;2 回收区与后一空闲分区F2相邻：合并,修改首地址和大小;3 回收区同时与前、后两个分区邻接：合并,修改F1大小,取消F2;4 回收区不邻接：新建表项,填写首地址和大小,并插入链表;如图前向指针N ＋20N 个字节可用后向指针N ＋2图 4-6 内存分配流程4.3.6 可重定位分区分配1．动态重定位的引入例：在内存中有四个互不邻接的小分区,容量分别为10KB 、30KB 、14KB 和26KB;若现有一作业要获得40KB 的内存空间,因连续空间不足作业无法装入;可采用的一种解决方法是：通过移动内存中作业的位置,以把原来多个分散的小分区拼接成一个大分区的方法,称为“拼接”或“紧凑;由于用户程序在内存中位置的变化,在每次“紧凑”后,都必须对移动了的程序或数据进行重定位;图 4-8 紧凑的示意4.3.7 对换即中级调度1. 对换Swapping 的引入(a ) 紧凑前(b ) 紧凑后“活动阻塞”进程占用内存空间；外存上的就绪作业不能进入内存运行;所谓“对换”,是指把内存中暂时不能运行的进程或者暂时不用的程序和数据,调出到外存上,以便腾出足够的内存空间；再把已具备运行条件的进程或所需要的程序和数据,调入内存;对换是提高内存利用率的有效措施;根据对换单位可分为：进程对换、页面对换和分段对换;为了能实现对换,系统应具备以下三方面功能：对换空间的管理、进程的换出与换入2. 进程的换出与换入1进程的换出选择阻塞且优先级最低的进程,将它的程序和数据传送到磁盘对换区上;回收该进程所占用的内存空间,并对该进程的进程控制块做相应的修改;2进程的换入找出“就绪” 但已换出到磁盘上时间最久的进程作为换入进程,将之换入,直至已无可换入的进程;4.4 基本分页存储管理方式前面的连续分配方案会形成许多“碎片”,“紧凑”方法可以解决碎片但开销大;是否允许进程离散装入 离散单位不同,称分页式存储和分段式存储;不具备对换功能称为“基本分页式”,支持虚拟存储器功能称为“请求基本分页式”;4.4.1 页面与页表1. 页面1 页面和物理块---将进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片,称为页面,并为各页编号;相应地把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块,称为物理块,也同样编号;分配时,将进程中的页装入到物理块中,最后一页经常装不满一块而形成 “页内碎片”;2 页面大小---页面的大小应选择适中;页面太小,内存碎片减小,利用率高；但页表过长,占大量内存;页面较大,页表长度小；但页内碎片大;因此,页面的大小应选择得适中,且页面大小应是2的幂,通常为512 B~8 KB;2. 地址结构分页地址中的地址结构如下：31 12 11 0它含有两部分：页号P12～31位,最多有1M 页和页内位移量W0～11位,每页的大小4KB ； 对某特定机器,其地址结构是一定的;若给定一个逻辑地址空间中的地址为A,页面的大小为L,则页号P 和页内地址d 可按下式求得：MODL A d L A INT P ][=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=3. 页表---实现从页号到物理块号的地址映射用户程序0 页1 页2 页3 页4 页5 页…n 页页表内存4.4.2 地址变换机构任务：将逻辑地址转换为物理地址；页内地址变换:因页内地址与物理地址一一对应, 可直接转换；页号变换：页表可实现从逻辑地址中页号到内存中物理块号的变换； 1．基本的地址变换机构a. 页表功能可由一组专门的寄存器实现原理；b. 页表大多驻留内存,系统中只设置一页表寄存器来存放页表在内存的始址和页表长度实际操作；c. 进程未执行时,页表始址和长度存放在PCB 中;执行时才将这两个数据装入页表寄存器中过程;图 4-12 分页系统的地址变换机构2. 具有快表的地址变换机构a. 仅用页表寄存器时,CPU 每存取一数据要两次访问内存页表-地址变换-数据；b. 为提高地址变换速度,可在地址变换机构中增设一具有并行查寻能力的特殊高速缓冲寄存器用以存放当前访问的那些页表项,称为“快表”;c. ->在CPU 给出逻辑地址,将页号P 送入快表 ->页号匹配,读物理块号后送物理地址寄存器->无匹配页号,再访问内存中页表,把从页表项中读出的物理块号送地址寄存器；同时,再将此页表项存入到快表中;->如快表已满,则OS 须找到一换出页表项换出; 为什么增加“快表”为了提高地址变换速度,可在地址变换机构中增设一个具有并行查寻能力的特殊高速缓冲寄存器,又称为“联想寄存器”Associative Memory,或称为“快表 “快表”有何缺点越界中断图 4-13 具有快表的地址变换机构4.5 基本分段存储管理方式4.5.1 分段存储管理方式的引入为什么引入推动内存从固定分配到动态分配直到分页存储,主要动力是内存利用率,而引入分段存储管理方式,主要是为了满足用户和程序员的下述一系列需要：1方便编程---把作业按逻辑关系划分为若干段,每段有自己的名字和长度,并从0开始编址;LOAD 1,A|<D>; STORE 1,B|<C>2 信息共享---段是信息的逻辑单位;为实现共享,存储管理应与用户程序分段的组织方式相适应;3 信息保护---对信息的逻辑单位进行保护,应分段管理;4 动态增长---分段存储能解决数据段使用过程中动态增长;5 动态链接---运行过程中动态调入以段为单位的目标程序;4.5.2 分段系统的基本原理1. 分段作业划分为若干段,如图4-16,每个段用段号来代替段名,地址空间连续;段的长度由逻辑信息长度决定,因而各段长度不等;其逻辑地址由段号段名和段内地址所组成,结构如下： 31 16 15 0该地址结构中,允许一个作业最多有64K 个段,每个段的最大长度为64KB;编译程序能自页表寄存器逻辑地址L 物理地址动根据源程序产生若干个段;2.段表,其中每段占一个表项,中;图4-16 利用段表实现地址映射3.分页和分段的主要区别1 页是信息的物理单位,分页是为提高内存的利用率,是为满足系统管理的需要;段则是信息的逻辑单位,分段是为了能更好地满足用户的需要;2 页的大小固定且分页由系统硬件实现；而段的长度不固定,通常由编译程序根据信息的性质来划分;3 分页的作业地址空间是一维的,程序只需一个地址记忆符；而分段的作业地址空间是二维的,程序员既需给出段名,又需给出段内地址;4.5.3 信息共享可重入代码纯代码:允许多个进程同时访问的代码;绝对不允许可重入代码在执行中改变,因此,不允许任何进程修改它;4.5.4 段页式存储管理方式1.基本原理---,,,4KB;作业空间内存空间子程序段数据段(a)段号(S)段内页号(P)页内地址(W)(b)主程序段图4-21 利用段表和页表实现地址映射4.6 虚拟存储器的基本概念前面各种存储器管理方式共同点：它们要求将一个作业全部装入内存后方能运行,于是出现了下面这样两种情况：1 有的作业很大,其所要求的内存空间超过了内存总容量,作业不能全部被装入内存,致使该作业无法运行;2 有大量作业要求运行,但由于内存容量不足以容纳所有这些作业,只能将少数作业装入内存让它们先运行,而将其它大量的作业留在外存上等待;4.5.1 虚拟存储器的引入1.常规存储器管理方式的特征1 一次性;将作业全部装入内存后方能运行,此外有许多作业在每次运行时,并非其全部程序和数据都要用到;一次性装入,造成了对内存空间的浪费;2 驻留性;作业装入内存后一直驻留,直至运行结束;尽管因故等待或很少运行,都仍将继续占用宝贵的内存资源;现在要研究的问题是：一次性及驻留性在程序运行时是否必需;2.局部性原理早在1968年, Denning.P就曾指出：1 程序执行时,除了少部分的转移和过程调用指令外,在大多数情况下仍是顺序执行的;2 过程调用将会使程序的执行轨迹由一部分区域转至另一部分区域,但经研究看出,过程调用的深度在大多数情况下都不超过5;3 程序中存在许多循环结构,这些虽然只由少数指令构成, 但是它们将多次执行;4 程序中还包括许多对数据结构的处理, 如对数组进行操作,它们往往都局限于很小的范围内;局限性主要表现在下述两个方面：1 时间局限性－由于循环操作的存在;如果程序中的指令或数据一旦执行,则不久以后可能再次访问;2 空间局限性－由于程序的顺序执行;程序在一段时间内所访问的地址,可能集中在一定的范围之内;3. 虚拟存储器定义---基于局部性原理程序运行前,仅须将要运行的少数页面或段装入内存便可启动,运行时,如果需要访问的页段尚未调入内存缺页或缺段,用OS提供请求调页段功能调入;如果此时内存已满,则还须再利用页段的置换功能,将内存中暂时不用的页段调至外存,腾出足够的内存空间后,再将要访问的页段调入;所谓虚拟存储器,是指具有请求调入功能和置换功能,能从逻辑上扩充内存容量的一种存储器系统;其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定,其运行速度接近于内存,成本接近于外存;4.6.3 虚拟存储器的特征1)多次性---一个作业被分成多次调入内存运行,最初装入部分程序和数据,运行中需要时,再将其它部分调入;2)对换性---允许在作业的运行过程中进行换进、换出;换进和换出能有效地提高内存利用率;3)虚拟性---从逻辑上扩充内存容量,使用户所看到远大于实际内存容量;这是虚拟存储器最重要的特征和最重要的目标;4)离散性---是以上三个特性的基础,在内存分配时采用离散分配的方式;备注：虚拟性是以多次性和对换性为基础的,而多次性和对换性又必须建立在离散分配的基础上;4.7 请求分页存储管理方式4.6.1 请求分页中的硬件支持---页表、缺页中断和地址变换请求分页系统是在分页的基础上,增加了“请求调页”和“页面置换”功能,每次调入和换出基本单位都是长度固定的页,实现比请求分段简单;1．页表机制---将用户地址空间中的逻辑地址变换为内存空间中的物理地址,因只将部分调入内存,需增设若干项;在请求分页系统中的每个页表项如下所示：1 状态位P：该页是否已调入内存,供访问时参考;2 访问字段A：记录一段时间内本页被访问的频率,供选择换出页时参考;3 修改位M：页在调入内存后是否被修改过,供置换页面时参考;4 外存地址：指出该页在外存上的地址,即物理块号,供调入该页时参考;4.7.2 内存分配策略和分配算法1.最小物理块数的确定是指能保证进程正常运行所需的最小物理块数,当系统为进程分配的物理块数少于此值时,进程将无法运行;进程应获得的最少物理块数与计算机的硬件结构有关;对于某些简单的机器,所需的最少物理块数为2,分别用于存放指令和数据,间接寻址时至少要有三块;对于某些功能较强的机器,因其指令本身、源地址和目标地址都可能跨两个页面,至少要为每个进程分配6个物理块,以装入这些页面;2. 物理块的分配策略请求分页系统的两种内存分配策略：即固定和可变分配策略；两种置换策略：即全局置换和局部置换;可组合出以下三种策略;1 固定分配局部置换Fixed Allocation, Local Replacement--每进程分配一定数目的物理块,在整个运行期间都不再改变,换入换出都限于这些物理块;每个进程物理块难以确定,太多太少都不好2 可变分配全局置换Variable Allocation, Global Replacement --每进程分配一定数目的物理块,OS 保持一空闲物理块队列;进程缺页时,摘下一空闲块,并将该页装入;3 可变分配局部置换Variable Allocation, Local Replacemen －－每进程分配一定数目的物理块;进程缺页时,只允许从该进程内存页中选出一页换出;若缺页中断频繁,再为该进程分配若干物理块,直至缺页率减少；若缺页率特低,则减少该进程的物理块数,应保证缺页率无明显增加;3. 物理块分配算法1 平均分配算法－－将所有可供分配的物理块,平均分配给各个进程; 例如,有100个物理块,5个进程,每进程可分20个物理块;未考虑到各进程本身的大小;2 按比例分配算法－－根据进程的大小按比例分配物理块;共n 个进程,每进程页面数为si,则页面数的总和为：设可用的物理块为m,每进程分到的物理块数为bi,有：3 考虑优先权的分配算法－－为了照顾重要、紧迫的作业尽快完成,为它分配较多的空间;通常采取：把可供分配的物理块分成两部分：一部分按比例分给各进程；另一部分根据优先权分给各进程;有的系统是完全按优先权来分配;4.7.3 调页策略1. 何时调入页面1 预调页策略缺页前 ：页面存放连续,用预测法一次调入多个相邻页,预测成功率仅为50％;2 请求调页策略缺页时：运行中,发现不在内存,立即请求,由OS 调入;2. 从何处调入页面请求分页系统中外存分为两部分：文件区和对换区;这样,当发生缺页请求时,系统应从何处将缺页调入内存：1 系统拥有足够的对换区,可以全部从对换区调入所需页面;在进程运行前,须将有关的文件拷贝到对换区;2 系统缺少足够的对换区,这时凡是不会被修改的文件,都直接从文件区调入,由于它们未被修改而不必换出;但对于可能被修改的部分,换出时调到对换区,以后需要时,再从对换区调入;3 UNIX 方式;凡是未运行过的页面,都应从文件区调入；曾运行过但已换出的页面,放在∑==ni iS S 1m SS b ii ⨯=对换区,下次应从对换区调入;4.8 页面置换算法当进程运行时,所访问的页面不在内存而需要将他们调入内存,但内存无空闲时,需要选择一页面换出到对换区,选择算法即页面置换算法;算法评价：页面置换频率低,调出页面将不会或很少访问;4.8.1 最佳置换算法和先进先出置换算法1. 最佳Optimal 置换算法由Belady 于1966年提出的一种理论上的算法;原理：其所选择的被淘汰页面,将是以后永不使用的, 或是在最长未来时间内不再被访问的页面;特点：通常可获得最低的缺页率,但由于进程运行不可预知而无法实现,用来评价其他算法;假定系统为某进程分配了三个物理块,并考虑有以下的页面号引用串：7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1进程运行时,先将7,0,1三页装入内存;当进程要访问页面2时,将会产生缺页中断,此时OS 根据最佳置换算法,将选择页面7予以淘汰;共发生6次页面置换;图 4-25 利用最佳页面置换算法时的置换图 2. 先进先出FIFO 页面置换算法---总是置换最先进入内存的页面;用FIFO 算法共发生12次页面置换;该算法与进程的实际运行规律不相符,有些页面经常被访问全局变量,常用函数;图 4-26 利用FIFO 置换算法时的置换图4.8.2 最近最久未使用Least Recently Used LRU 置换算法1. LRU置换算法 ---在无法预测各页面将来使用情况下,利用“最近过去”作为“最近将来”的近似选择最近最久未使用的页面予以淘汰;用LRU 算法共发生9次页面置换;引用率70770170122010320304243230321201201770101页框(物理块）203图 4-27 LRU 页面置换算法2. LRU 置换算法的硬件支持LRU 算法比较好,但为了快速知道哪一页是最近最久未使用的页面,需要硬件支持：寄存器或栈;1 寄存器为了记录某进程在内存中各页的使用情况,须为每个页面配置一个移位寄存器,可表示为：原理：进程访问某物理块时,先将寄存器的Rn-1位设成1;此时,定时信号将每隔一定时间将寄存器右移一位;若将n 位寄存器的数看做是一整数,那么,具有最小数值的寄存器所对应的页面,就是最近最久未使用的页面;例：某进程在内存中有8个页面,为每页面配置一8位寄存器时的LRU 访问情况,如图4-28图 4-28 某进程具有8个页面时的LRU 访问情况2 栈--利用栈来保存当前使用的各页面的页面号;原理：每当进程访问某页面时,便将该页面的页面号从栈中移出,将它压入栈顶;因此,栈顶始终是最新被访问页面的编号,而栈底则是最近最久未使用页面的页面号;假定现有一进程所访问的页面的页面号序列为：4,7,0,7,1,0,1,2,1,2,6随着进程的访问,栈中页面号的变化情况如图4-29所示;在访问页面6时发生了缺页,此时页面4是最近最久未被访问的页,应将它置换出去;LRU 算法较好,但要求较多硬件支持, 实际使用接近LRU算法－Clock 算法;图引用率70770170122010323104430230321013201770201页框2304204230230127127011474074704170401741074210741207421074621074-29 用栈保存当前使用页面时栈的变化情况。
存储器层次结构
存储器层次结构存储器层次结构存储技术计算机技术的成功很⼤程度来源于存储技术的巨⼤进步。
早期的电脑甚⾄没有磁盘。
现在电脑上的磁盘都已经按T算了。
随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分两类：静态的：SRAM，⾼速缓存存储器，既可以在CPU，也可以在⽚下。
动态的：DRAM，⽤于主存或者图形系统帧缓冲区。
通常情况下，SRAM的容量都不会太⼤，⽽相⽐之下DRAM容量可以⼤得离谱。
静态RAMSRAM将每个位存储在⼀个双稳态存储器单元⾥，每个单元⽤⼀个六晶体管电路实现。
这种电路有⼀个属性，它可以⽆限期地保持两个不同的状态的其中⼀个，其他状态都是不稳定的。
如上图，它能稳定在左态和右态，如果处于不稳定状态，它就像钟摆⼀样⽴刻变成两种稳态的其中⼀种。
也因为它的双稳态特性，即使有⼲扰，等到⼲扰消除，电路就能恢复成稳定值。
动态RAMDRAM的每个存储是⼀个电容和访问晶体管组成，每次存储相当于对电容充电。
该电容很⼩，⼤约只有30毫微微法拉。
因为每个存储单元⽐较简单，DRAM可以造的⾮常密集。
但它对⼲扰⾮常敏感，被⼲扰后不会恢复。
因此它必须周期性地读出重写来刷新内存的每⼀位。
或者使⽤纠错码来纠正任何单个错误。
两者总结传统的DRAMDRAM芯⽚内的每⼀个单元被叫做超单元。
在芯⽚内，总共有d 个超单元，它们被排列成⼀个r×c ⼤⼩的矩阵，也就是说d=r×c，每个超单元都可以⽤类似(i,j) 之类的地址定位⽽每个超单元则是由w 个DRAM单元组成。
因此⼀个DRAM芯⽚可以存储dw 位的信息。
上图是⼀个16×8 的DRAM芯⽚的组织。
⾸先由两个addr引脚依次传⼊⾏地址i 和列地址j 。
每个引脚携带⼀个信号。
由于这是4×4 的矩阵，因此两个就够了。
然后定位到(i,j) ，将该地址的超单元信息传出去。
简述现代计算机中都采用的三级存储器体系结构
简述现代计算机中都采用的三级存储器体系结构现代计算机体系结构通常采用三级存储器体系结构,也被称为地址空间体系结构。
该体系结构由三个层次组成:数据存储器、指令存储器和控制存储器。
数据存储器是计算机最重要的存储器之一,用于存储程序和数据。
在三级存储器体系结构中,数据存储器通常分为两个部分:随机存取存储器(RAM)和静态随机存取存储器(SDRAM)。
RAM是计算机中最快速的存储器,用于存储程序和数据。
它通常是动态分配的,可以在程序运行时动态地更改。
静态RAM则是一次性分配的,一旦分配后就不能更改。
指令存储器是计算机中存储指令的存储器。
指令存储器通常由一个或多个指令库组成,每个指令都包含指令代码、操作码和操作结果。
指令存储器通常是一个静态的存储器,可以在程序运行时动态地访问。
控制存储器是计算机中存储控制信息的存储器。
控制存储器通常包括指令控制码、中断控制码、时钟控制码等,用于控制计算机的操作。
在三级存储器体系结构中,控制存储器通常是静态的。
三级存储器体系结构是现代计算机体系结构中最常用的体系结构之一,具有高速度和高可靠性的特点。
它使得计算机能够处理大量的数据和执行复杂的指令。
同时,三级存储器体系结构也具有灵活性和可扩展性,可以根据需要增加更多的
存储器层次。
存储器层次结构
3 数据校验方法
二. 海明（汉明）校验（SEC/DED）
• 海明校验实质上是一种多重奇偶校验，即将代码
按一定规律组织为若干小组，分组进行奇偶校验， 各组的检错信息组成一个指误字，不仅能检测是 否出错，而且在只有1位出错的情况下指出是哪1 位出错，从而将该位自动变反纠正。 • 设校验码为N位，其中有效信息为k位，校验位为 r位，分成r组作奇偶校验，产生r位检错信息。这 r位检错信息构成一个指误字，可指出2r种状态， 其中一种状态表示无错，剩下的2r – 1种状态可指 出2r – 1位中某位出错。 所以 N = k + r <= 2r – 1 例： k = 4,则N = 4 + r <= 2r – 1 ，所以r = 3,即 4位有效信息加3位校验位。
C
Word Line
. . .
Bit Line
Sense Amp
2 存储器技术
二. DRAM（Dynamic RAM）技术
Data in
• DRAM 逻辑组织（64 Mibit）
1 4 Column Decoder … Sense Amps & I/O
D
Address buffer
Memory Array (16,384×16,3
2 存储器技术
二. DRAM（Dynamic RAM）技术
• 依靠电容存储电荷的原理存储信息 • 写
• 读
– 字线（wordline）设为高电平，设 置位线（bitline）为高（写“1”）， 或为低（写“0”） – 位线先预充电（在高低电平之间）,字 线设为高电平，Sense Amp根据位 方法
一. 奇偶校验
1）奇偶校验码：它是在被传送的n位信息组上， 加上一个二进制位作为校验位，使配置后的 n+1位二进制代码中1的个数为奇数( 奇校验) 或偶数(偶校验)。
计算机存储器的层次结构
2021/8/14
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页式虚拟存储器的优点是：
1. 主存储器的利用率比较高。每个用户程序只有不到一页（平均为半页） 的浪费，与段式虚拟存储器每两个程序段之间都有浪费相比要节省许多。
2. 页表相对比较简单。它需要保存的字段数比较少，一些关键字段的长度 要短许多，因此，节省了页表的存储器容量。
3. 地址映象和变换的速度比较快。在把用户程序装入到主存储器的过程中 ，只要建立用户程序的虚页号与主存储器的实页号之间的对应关系即可 不必使用整个主存的地址长度，也不必考虑页号的长度等。
起始地址 8K 16K 9K 30K
段表
段式虚拟存储器的地址映象
0 8K 9K 16K
30K 主存储器
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段式虚拟存储器的优点如下：
1. 程序的模块性能好。对于大程序，可以划分成多个程 序段，每个程序 段赋予不同的名字，由多个程序员并行编写，分别编译和调试。由于 各个程序段在功能上是相互独立的，因此，一个程序段的修改和增删 等不会影响其他程序段，从而可以缩短程序的编制和调试时间。
3. 对辅存（磁盘存储器）的管理比较难。磁盘存储器通常是按固定大小 的块来访问的，如何把不定长度的程序段映象到固定长度的磁盘存储
器中，需要做一次地址变换。
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(2)页式管理(P151)。 页是系统规定的固定长度单位。按页划分用户文件可以避免上述零碎
空间浪费。 我们把用户文件划分得到的一个长度单位称为“虚页”，因为它的页
4. 对辅存（磁盘存储器）的管理比较容易。因为页的大小一般取磁盘存储 器物理块的大小（512字节）的整数倍。
页式虚拟存储器的缺点主要有两个：
1. 程序的模块化性能不好。由于用户程序是强制按照固定大小的页来划分 的，而程序段的实际长度一般是不固定的。因此，页式虚拟存储器中一 页通常不能表示一个完整的程序功能。
存储器管理
第四章存储器管理第0节存储管理概述一、存储器的层次结构1、在现代计算机系统中，存储器是信息处理的来源与归宿，占据重要位置。
但是，在现有技术条件下，任何一种存储装置，都无法从速度、容量、是否需要电源维持等等多方面，同时满足用户的需求。
实际上它们组成了一个速度由快到慢，容量由小到大的存储装置层次。
图4-1 计算机系统存储器层次示意图2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：容量很小、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：容量在若干KB、MB、GB，中等速度、中等价格、需要电源维持、CPU可直接访问；•磁盘高速缓存：一般设于主存中；•多种类型的磁盘：容量在数MB或数GB，低速、价廉、不需要电源维持、CPU不可直接访问；由操作系统协调这些存储器的使用。
二、存储管理(主存管理)的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在速度、规模和成本之间获得较好的权衡。
(注意CPU和主存储器，这两类资源管理的区别)2、存储管理的主要功能：•地址重定位•主存空间的分配与回收•主存空间的保护和共享•主存空间的扩充三、逻辑地址与物理地址1、逻辑地址(相对地址，虚地址)：用户源程序经过编译/汇编、链接后，程序内每条指令、每个数据等信息，都会生成自己的地址。
●一个用户程序的所有逻辑地址组成这个程序的逻辑地址空间(也称地址空间)。
这个空间是以0为基址、线性或多维编址的。
2、物理地址(绝对地址，实地址)：是一个实际内存(字节)单元的编址。
●计算机内所有内存单元的物理地址组成系统的物理地址空间，它是从0开始的、是一维的；●将用户程序被装进内存，一个程序所占有的所有内存单元的物理地址组成该程序的物理地址空间(也称存储空间)。
四、地址映射(变换、重定位)当程序被装进内存时，通常每个信息的逻辑地址和它的物理地址是不一致的，需要把(程序中的)逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；例如指令LOAD L，2500 /*将2500号单元内的数据送入寄存器L*/ ----P123图4-3 作业装进内存时的情况地址映射分静态和动态两种方式。
存储器层次结构
Main memory
Latency: 50-100 cycle
Disk storage
Latency: 20 000 000 cycle
Network storage
计算机程序的局部性(locality)
良好局部性的程序
重复访问相同的数据项集合 倾向于访问临近的数据项集合
存储器层次结构(memory hierarchy)
存储器层次结构中的缓存
高速缓存(cache)
一个小而快速的存储设备 作为存储在更大也更慢的设备中的数据对象的缓冲区域
存储器层次结构的中心思想
位于k层的更快更小的存储设备作为位于k+1层的更大更慢的存储设备的缓存
存储器层次结构中的数据传输
随着步长的增加，空间局部性下降
引用多维数组
int sumarraycols(int a[M][N]) {
int i,j,sum = 0; for(j=0;j<N;j++)
for(i=0;i<M;i++) sum += a[i][j];
return sum } 按列优先顺序访问(col-major order) 步长为N 局部性差
冲突不命中(conflict miss)
限制性的块放置策略
高速缓存管理
寄存器
编译器
L1,L2 cache
内置在缓存中的硬 件逻辑
DRAM 主存
操作系统软件和 CPU上的地址翻译 硬件
本地磁盘缓存网络 应用程序 存储
提纲
导论 存储技术 局部性原理 存储器层次结构 高速缓存存储器 编写高速缓存友好的代码 利用程序中的局部性
计算机存储器的层次结构
计算机存储器的层次结构
计算机存储器的层次结构通常分为以下几层：
1.寄存器：位于CPU内部的最高速度的存储器，可存储指令和数据。
2. 高速缓存（Cache）：位于CPU和主存储器之间的存储器，用于缓存经常使用的指令和数据。
由于其离CPU更近，因此速度更快。
3.主存储器（RAM）：位于主板上的存储器，用于存储正在被使用或者即将被使用的程序和数据。
4.辅助存储器：包括硬盘、固态硬盘、U盘、光盘等，用于长期存储数据和程序。
在计算机执行指令和读取数据时，会首先从寄存器中读取，如果寄存器中没有需要的数据，则去缓存中查找，如果缓存中也没有，则再从主存储器中读取。
如果需要的数据在主存储器中不存在，则会从辅助存储器中读取。
这样的存储器层次结构可以有效地提高计算机的运行效率和存储效率。
完整版计算机组成原理简答题
完整版计算机组成原理简答题计算机组成原理简答题第四章1、存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。
Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。
主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。
综合上述两个存储层次的作用，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。
主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。
而主存与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现，即将主存与辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间（物理地址空间）大得多的虚拟地址空间（逻辑地址空间）编程，当程序运行时，再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。
因此，这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。
2. 说明存取周期和存取时间的区别。
解：存取周期和存取时间的主要区别是：存取时间仅为完成一次操作的时间，而存取周期不仅包含操作时间，还包含操作后线路的恢复时间。
即：存取周期 = 存取时间 + 恢复时间3. 什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。
解：刷新：对DRAM定期进行的全部重写过程；刷新原因：因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充，因此安排了定期刷新操作；常用的刷新方法有三种：集中式、分散式、异步式。
集中式：在最大刷新间隔时间内，集中安排一段时间进行刷新，存在CPU访存死时间。
分散式：在每个读/写周期之后插入一个刷新周期，无CPU访存死时间。
异步式：是集中式和分散式的折衷。
4. 半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种？解：半导体存储器芯片的译码驱动方式有两种：线选法和重合法。
存储器的层次结构
6
地址映射示例
源程序
逻辑地址空间
0
物理地址空间
Load A data1
100
编译 连接
data1 3456
200
BA=1000
Load A200
地址映射
Load A200
3456
5
地址转换（映射）
内存的每个存储单元都有一个编号，这种编号称为内存地 址（或称为物理地址，绝对地址）。内存地址的集合称为 内存空间（或物理地址空间）。
源程序经过汇编或编译后，形成目标程序，每个目标程序 都是从0开始编址，原来用符号名访问的单元用具体的数 据——单元号取代。目标程序的地址空间，称为作业的逻 辑地址空间，简称逻辑空间。在逻辑空间中每条指令的地 址和指令中要访问的操作数地址统称为逻辑地址。
1
各 级 存 储 器 速 度 比 较
2
内存的基本知识
内存是现代计算机系统的中心 是CPU能直接存取指令和数据的存储器 CPU和I/O设备都要和内存打交道
内存地址：以字或字节为单元进行编号，编号即地址。 访问内存：对指定地址单元进行读/写。
3
存储管理的主要功能
1 内存空间的分配和回收 2 地址转换（映射） 3 内存保护 4 内存扩充 （第五章）
1200
3456 。 。
7
内存保护
• 防止越界访问 • 限制进程只能访问自身的地址空间 • 避免访问到其他进程的空间造成破坏 • 也避免被其他进程破坏
• 防止越权访问（第五章）
8
4
内存空间的分配和回收
计算机体系结构中的存储器层级
计算机体系结构中的存储器层级计算机体系结构是指计算机硬件系统中相互关联的各个组成部分及其之间的工作方式和结构。
在计算机体系结构中，存储器层级是一个关键组成部分。
存储器层级是指计算机内存的不同层次，按照速度和成本的不同，从高速、小容量的寄存器到低速、大容量的辅助存储器，构成了一个层次结构。
本文将探讨计算机体系结构中的存储器层级及其作用。
1. 寄存器寄存器是CPU内部最快的一级存储器，用于存储指令、数据和地址等临时数据。
寄存器位于CPU的芯片内部，访问速度非常快，通常可以在一个时钟周期内完成数据的读写操作。
由于寄存器的容量有限，一般只能存储一小部分数据，但它们对CPU的运行至关重要，可以提供快速的数据交换和运算。
2. 高速缓存高速缓存是位于CPU和内存之间的一级高速存储器。
它的主要作用是提供CPU近期使用的数据和指令，以加快访问速度。
高速缓存的容量比寄存器大，可以存储更多的数据。
高速缓存通常分为多级，例如L1、L2和L3缓存，其中L1缓存离CPU最近，速度最快，而L3缓存离CPU最远，速度较慢。
3. 内存内存是计算机中主要的存储介质，它能够存储正在使用的程序和数据。
内存的访问速度比较快，但相对于寄存器和高速缓存来说仍然较慢。
内存的容量相对较大，通常以GB为单位。
内存按照地址进行划分，并且能够被CPU直接寻址，但需要通过内存控制器进行数据的读写操作。
4. 辅助存储器辅助存储器包括磁盘、固态硬盘（SSD）和光盘等，它们位于计算机内部或外部，用于长期存储数据和程序。
辅助存储器的容量非常大，可以达到TB级别。
相比于其他存储器层级，辅助存储器的访问速度较慢，但它具有非常重要的持久性特征，即使计算机断电，数据也能得到保留。
存储器层级的设置是为了平衡计算机处理器的速度和存储器的容量。
高速存储器层级可以提供快速的数据访问，以满足CPU的运算需求；而容量较大的存储器层级可以存储更多的数据，保证程序的正常运行。
同时，存储器层级也有助于节省成本，因为高速存储器的成本显然比较贵，而容量较大的存储器成本比较低。
存储层次构成的主要依据
存储层次构成的主要依据一、引言在计算机系统中，存储器是非常重要的组成部分，用于存储和读取数据。
为了高效地管理存储器，人们将存储器分为不同的层次，每个层次有不同的特点和功能。
本文将介绍存储层次构成的主要依据。
二、存储层次的概念存储层次结构是指将存储器按照性能和价格的不同划分为多个层次，每个层次具有不同的特点和功能。
存储层次结构通常由高速缓存、主存储器和辅助存储器组成。
三、主要依据存储层次的划分主要依据是存储介质的访问时间和成本。
存储介质的访问时间指的是从存储器中读取或写入数据所需的时间，成本指的是购买存储介质所需的金钱。
1. 高速缓存高速缓存是存储层次结构中最接近中央处理器（CPU）的一层。
它的特点是速度快、容量小且价格昂贵。
高速缓存的主要作用是暂时存储最常用的数据，以加快CPU的运行速度。
高速缓存的划分主要依据是数据的访问频率，常见的划分方法有一级缓存和二级缓存。
2. 主存储器主存储器是存储层次结构中位于高速缓存之后的一层。
它的特点是速度适中、容量较大且价格相对较低。
主存储器的主要作用是存储正在运行的程序和数据，供CPU进行读取和写入操作。
主存储器的划分主要依据是存储介质的访问时间和成本，常见的划分方法有动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）。
3. 辅助存储器辅助存储器是存储层次结构中位于主存储器之后的一层。
它的特点是容量大、价格相对较低，但访问速度较慢。
辅助存储器的主要作用是长期存储程序和数据，供需要时进行读取和写入操作。
辅助存储器的划分主要依据是存储介质的访问时间和成本，常见的划分方法有硬盘驱动器、光盘和闪存。
四、存储层次的作用存储层次结构的划分使得计算机系统能够根据访问时间和成本的要求，将数据存储在不同的层次中。
通过高速缓存、主存储器和辅助存储器之间的数据传输，可以提高计算机系统的运行速度和存储能力。
存储层次结构还能够根据不同的应用需求，灵活地扩展存储容量和提高存储性能。
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5.1 存储器的层次结构
5.1.2 存储层次的性能参数
C，H，TA 假设：S ── 容量 TA ── 访问时间 C ── 每位价格 下面仅考虑由M1和M2构成的两级存储层次： M1的参数：S1，TA1，C1 M2的参数：S2，TA2，C2 1. 每位价格C C1 S1 ＋C2 S2 C＝ ───── S1 ＋S2
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存储管理实现
访问速度的比值 (第一级和第二级) 典型的块(页)大小 CPU对第二级的 访问方式
失效时CPU是否切换
5.1 存储器的层次结构
5.1.4 存储层次的四个问题
1. 当把一个块调入高一层(靠近CPU)存储器时， 可以放在哪些位置上? (映象规则) 2. 当所要访问的块在高一层存储器中时，如何 找到该块? (查找算法) 3. 当发生失效时，应替换哪一块？ (替换算法)
第五章 存储层次
5.1 存储器的层次结构
5.1.1 从单级存储器到多级存储器
1. 从用户的角度来看，存储器的三个主要指标是：
容量，速度，价格(每位价格)
2. 人们对这三个指标的期望 3. 这三个指标相互矛盾 4. 解决方法 采用多种存储器技术，构成存储层次。 演示Ⅰ 演示Ⅱ (局部性原理)
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5.1 存储器的层次结构
5.1.3 “Cache－主存”和“主存－辅存”层 次
1. 从主存的角度来看 足 “主存－辅存”层次： 弥补主存容量的不 2. “ Cache－主存”层次 足 ◆ 主存与CPU的速度差距 “Cache－主存”层次：弥补主存速度的不
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◆ “Cache - 主存”层次
4. 当进行写访问时，应进行哪些操作?
(写策略)
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5.1 存储器的层次结构
2. 命中率 H 和失效率 F
H＝N1/(N1＋N2) N1 ── 访问M1的次数 N2 ── 访问M2的＝TA1＋(1－H )TM 或 TA＝TA1＋F TM TA1 ── 命中时间 TM ── 失效开销
3. “主存－辅存”层次
5.1 存储器的层次结构
“Cache－主存”与“主存－辅存”层次的区别
存储层次 比较项目 目 的 “Cache －主存”层次 “主存－辅存”层次
为了弥补主存速度的不足 为了弥补主存容量的不足 主要由专用硬件实现 几比一 几十个字节 可直接访问 不切换 主要由软件实现 几百比一 几百到几千个字节 均通过第一级 切换到其他进程