多级结构的存储器系统

第5章多级结构的存储器系统

概述

主存储器，又称内存储器，是传统计算机硬件系统的五大功能部件之一，用于存储处在运行中的程序和相关数据, 其容量与读写速度等指标，对计算机总体性能有重大影响。因此, 在现代的计算机系统中，通常总是采用由三种运行原理不同，性能差异很大的存储介质分别构建高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器，再将它们组成三级结构的统一管理、调度的一体化存储器系统。

在三级结构的体系中，由高速缓冲存储器缓解主存读写速度慢，不能满足CPU 运行速度需要的矛盾；用虚拟存储器（快速磁盘上的一片存储区）更大的存储空间，解决主存容量小，存不下更大程序与更多数据的难题。显而易见，三级结构的存储器系统，是围绕主存储器来组织和运行的, 就是说，设计与运行程序是针对主存储器进行的，充分表明了主存储器在计算机系统中举足轻重的地位。

本章将首先介绍多级存储器系统的基本组成，各级存储器所用介质的特性，多级结构存储器结构应满足的原则，以及它得以高效运行的原理；接下来讲解主存储器设计的基本概念。

在外存设备中，主要介绍磁盘存储器，然后介绍磁盘阵列与容错技术中的主要概念性知识。

在高速缓冲存储器一节，主要介绍高速缓冲存储器的构成、功能，以及运行原理。此外，还应该了解它的3种基本映像构成方式的基本知识。

学习目标

1．要求了解三级结构的存储器系统的基本概念

2．掌握主存的组成与设计的基本知识

3．要求理解磁盘设备的组成与运行原理

4．了解磁盘阵列与容错技术中的主要概念

5．掌握高速缓冲存储器CACHE的工作原理

6．要求了解TEC-2000教学计算机主存储器的组成

学习指导

1．对本章的学习主要了解为什么要使用多级结构来构建存储器系统，并以此为线索，了解主存储器、高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本内容。

主存储器要求掌握容量与读写速度等指标的概念，存储器设计中的字、位扩展技术，存储器与CPU的连接关系等内容。

关于磁盘、磁带和光盘等存储设备，则属于概念和一般了解的知识比较多。

在了解高速缓冲存储器的功能和基本运行原理的基础上，重点应该从概念上比较、理解Cache的全相联映像、直接映像和多路组相联映像三种构成方式。

而在了解虚拟存储器的功能和概念的基础上，仅需要了解段式和页式两种管理方案，虚拟存储器的硬件组成和把逻辑地址转换为内存实际地址的办法。对本节内容应在学习中强调学习掌握基本原理和概念。

2．认真了解本章要求达到的学习目标有哪些。

3．本章在“视频课堂”中安排了2讲视频教学内容，包括：主存储器概述、高速缓存工作原理。同学们可以根据需要观看。

4．本章在“自我测试”中还安排了一些测试内容，同学们学完后应该进行相关的自我测试，以便了解自己对知识点掌握的程度。

5．利用网络课程学习，不同于我们一般的课堂教学。因为网络课程的学习内容是按各章知识点安排的，所以在学习中，我们特别强调要掌握本章的知识结构——知识树，如图所示。而且要学会利用“课程索引”寻找相关的内容。

单元1 三级结构的存储器系统

学习目标

1．了解三级结构存储器系统的基本组成

2．了解三级结构的存储器系统的工作原理

知识点1采用多级结构的存储器系统的基本思想

随着计算机技术的发展，人们对计算机系统整体性能的要求越来越高。要求存储容量大，存取速度快。而且成本价格要低。但这些要求往往互相矛盾，彼此制约，很难在同一个存储器中同时满足它们。因此，在计算机系统中，常采用几种不同类型的存储器，构成多级存储体系，利用各级存储器的特点来适应不同层次的需要。

实现方法：采用多级存储器（三级）把要用的程序和数据，按其使用的急迫程度分段调入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由硬软件系统统一调度管理。即采用高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器组成统一管理与调度的三级结构的存储器系统，如图5－1所示。

图5－1

在这种三级结构的存储器系统，主存储器读写速度尚可、存储容量适中，高速缓冲存储器读写速度快、存储容量小，它介于CPU与主存储器之间，缓解主存读写速度慢、不能满足CPU运行速度需要的矛盾。虚拟存储器存储空间大，读写速度慢，用它解决主存容量小、存不下规模更大的程序与更多数据的矛盾。从而使整个存储器系统形成有更高的读写速度、尽可能大的存储容量、相对较低的制造与运行成本。

高速缓冲存储器使用静态存储器芯片实现，主存储器通常使用动态存储器芯片实现，而虚拟存储器则使用快速磁盘设备上的一片存储区。前两者是半导体电路器件，以数字逻辑电路方式进行读写，后者则是在磁性介质层中通过电磁转换过程完成信息读写。

知识点2程序运行的局部性原理

三级结构存储器的运行原理是建立在程序运行的局部性原理之上的。程序运行时的局部性原理主要表现在：

1．在一小段时间内：最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；

2．这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；

3．指令执行顺序上：指令顺序执行比转移执行的可能性大(大约5:1 )。

这样就有可能把要使用的程序和数据，按其使用的急迫和频繁程度，分时间段、分批量、合理地调入存储容量不同、读写速度不同的存储器部件中，并由计算机硬件、软件自动地统一管理与调度。即是，把CPU最近一小段时间要频繁、高速使用的信息存储在高速缓冲存储器中，可以快速完成读写操作，不至于拖慢CPU 的运行速度。把那些暂时可以先不使用的信息保存在容量非常大的虚拟存储器中，用到时再从那里以更大的批量读入主存储器。

单元2 主存储器部件的组成

学习目标

1．掌握主存储器组成的基本概念

2．了解TEC-2000教学计算机主存储器的组成

知识点1 主存储器概述

1．主存储器组成

主存储器是计算机硬件系统中的五大功能部件之一，用于存放正在运行中的程序和相关数据。主存储器通过地址总线、数据总线、控制总线与计算机的CPU和外围设备连接在一起。如图5－2所示。