计算机系统结构第4章(存储系统)
计算机组成原理第四章存储系统(一)(含答案)
第四章、存储系统（一）4.1 存储系统层次结构随堂测验1、哈弗结构（Harvard Architecture）是指（）（单选）A、数据和指令分别存放B、数据和指令统一存放C、指令和数据分时存放D、指令和数据串行存放2、如果一个被访问的存储单元，很快会再次被访问，这种局部性是（）（单选）A、时间局部性B、空间局部性C、数据局部性D、程序局部性3、下列关于存储系统层次结构的描述中正确的是（）（多选）A、存储系统层次结构由Cache 、主存、辅助存储器三级体系构成B、存储系统层次结构缓解了主存容量不足和速度不快的问题C、构建存储系统层次结构的的原理是局部性原理D、构建存储系统层次结构还有利于降低存储系统的价格4、下列属于加剧CPU和主存之间速度差异的原因的是（）（多选）A、由于技术与工作原理不同，CPU增速度明显高于主存增速率B、指令执行过程中CPU需要多次访问主存C、辅存容量不断增加D、辅存速度太慢5、下列关于局部性的描述中正确的是（）（多选）A、局部性包括时间局部行和空间局部性B、局部性是保证存储系统层次结构高效的基础C、顺序程序结构具有空间局部性D、循环程序结构具有时间局部性4.2 主存中的数据组织随堂测验1、设存储字长为64位,对short 变量长度为16位，数据存储按整数边界对齐，关于short 变量j 在主存中地址的下列描述中正确的是（）（此题为多选题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 32、设存储字长为64位,对char 变量长度为8位，数据存储按整数边界对齐，关于char 变量j 在主存中地址的下列描述中正确的是（）（此题为多选题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 33、下列关于大端与小端模式的描述中，正确的是（）（此题为多选题）A、大端模式(Big-endian)是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中B、小端模式(Little-endian)是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中C、0x12345678 按大端模式存放时，其所在存储单元最低字节单元存放的数据是0x12D、0x12345678 按小端模式存放时，其所在存储单元最高字节单元存放的数据是0x124、下列关于存储字长的描述中正确的是（）（此题为多选题）A、主存一个单元能存储的二进制位数的最大值B、存储字长与所存放的数据类型有关C、存储字长等于存储在主存中数据类型包含的二进制位数D、存储字长一般应是字节的整数倍5、某计算机按字节编址，数据按整数边界存放，可通过设置使其采用小端方式或大端方式，有一个float 型变量的地址为FFFF C000H ,数据X = 12345678H，无论采用大端还是小段方式，在内存单元FFFF C001H，一定不会存放的数是（）（此题为多选题）A、12HB、34HC、56HD、78H4.3 静态存储器工作原理随堂测验1、某计算机字长16位，其存储器容量为64KB，按字编址时，其寻址范围是（）（单选）A、64KB、32KBC、32KD、64KB2、一个16K*32位的SRAM存储芯片，其数据线和地址线之和为（）（单选）A、48B、46C、36D、39。
计算机系统结构多媒体教程课件_第四章 存储系统
结论：CPU在执行程序时， 所用到的指令和数据的MEM 单元地址分布不会是随机的， 而是相对集中成自然的块或 页面(MEM中较小的连续单元 区)。
2013-8-31
《计算机系统结构》多媒体课件
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Embedded , desktop, server computers
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1、MEM容量、速度、价 格的矛盾 2、存贮体系层次 3、程序的局部性 4、存贮体系的性能参数
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《计算机系统结构》多媒体课件
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introduction
In 1980 microprocessors were often design without caches,while many come with two levels of caches on the chip. Why? !!!!
A A
Tm
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Tm
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《计算机系统结构》多媒体课件
(3)频宽Bm： * MEM连续访问时，每单位时间内存取的信 息量以bit/s OR Byte/s为单位。 * 单体MEM ：Bm =W/TM * 多体并行MEM ：Bm =W·m/TM 理想状态下MEM满负荷工作的最大频宽。 * 实际上由于MEM不可能一直处于RD/WR , 所以实际频宽 < 最大频宽。
1、MEM 容量 * Sm＝W*L*m * W:MEM 存储体字长（以 bit OR Byte 为单位） L:单个存贮体字数 m：并行工作的MEM 体个 数 * Sm 单位为***bit OR ***B
计算机系统结构课后答案unit4
第四章课后题1、设二级虚拟存储器的TA1=10^(-7)s、TA2=10^(-2)s,为使存储层次的访问效率e达到最大值的80%以上，命中率H至少要求达到多少？实际上这样高的命中率是很难达到的，那么从存储层次上如何改进？解：∵e=1/[H+(1-H)r] 且r=TA2/TA1 ∴H至少达到99.9%这样的命中率很难达到，可在二级存储器间加一层电子磁盘，降低r，从而降低对H的要求。
2、程序存放在模32单字交叉存储器中，设访存申请队的转移概率λ为25%,求每个存储周期能访问到的平均字数。
当模数为16呢？由此你可得到什么结论？解：B=[ 1-(1-λ)^m] /λ由λ=0.25,m=32 求得：B=4-4*(3/4)^32=4同理，m=16时,B=4-4*(3/4)^16=3.96由此可看出，当转移概率λ为25%比较大时，采用模32与模16的每个存储周期能访问的平均字数非常相近。
就是说，此时，提高模数m对提高主存实际频宽已不显著。
实际上，模数m的进一步增大，会因工程实现上的问题，导致实际性能反而可能比模16的还要低，且价格更高。
所以模数m不宜太大。
对于λ为25%的情况，可以计算机出m=8时，其B已经接近于3.6了。
3、设主存每个分体的存取周期为2μs，宽度为4个字节。
采用模m多分体交叉存取，但实际频宽只能达到最大频宽的0.6倍。
现要求主存实际频宽为4M B/S,问主存模数m应取多少方能使两者速度基本适配？其中m取2的幂。
解：由题意已知存取周期Tm=2*10^(-6)s,宽度W=4B,B实=0.6Bm=4*2^20 B/S,Bm=W*m/Tm=6.99*10^6B/Sm=Bm*Tm/W=6.99*10^6*2*10^-6/4=3.495所以m取4能满足要求P.S.①微秒（百万分之一秒) 1μs=10^-6s②计量单位中的M(兆)是10的6次方，见到M自然想起要在该数值的后边续上六个0，即扩大一百万倍。
在二进制中，MB也表示到了百万级的数量级，但1 MB不正好等于1000000字节，而是1048576字节，即1MB = 2E+20 By tes = 1048576Bytes。
计算机操作系统第四章存储器管理复习资料
第四章存储器管理第一部分教材习题（P159）15、在具有快表的段页式存储管理方式中，如何实现地址变换？答：在段页式系统中，为了便于实现地址变换，须配置一个段表寄存器，其中存放段表始址和段长TL。
进行地址变换时，首先利用段号S，将它与段长TL进行比较。
若S<TL，表示未越界，利用段表始址和段号来求出该段所对应的段表项在段表中的位置，从中得到该段的页表始址，并利用逻辑地址中的段内页号P来获得对应页的页表项位置，从中读出该页所在的物理块号b，再利用块号b和页内地址来构成物理地址。
在段页式系统中，为了获得一条指令或数据，须三次访问内存。
第一次访问内存中的段表，从中取得页表始址；第二次访问内存中的页表，从中取出该页所在的物理块号，并将该块号与页内地址一起形成指令或数据的物理地址；第三次访问才是真正从第二次访问所得的地址中，取出指令或数据。
显然，这使访问内存的次数增加了近两倍。
为了提高执行速度，在地址变换机构中增设一个高速缓冲寄存器。
每次访问它时，都须同时利用段号和页号去检索高速缓存，若找到匹配的表项，便可从中得到相应页的物理块号，用来与页内地址一起形成物理地址；若未找到匹配表项，则仍须再三次访问内存。
19、虚拟存储器有哪些特征？其中最本质的特征是什么？答：虚拟存储器有以下特征：多次性：一个作业被分成多次调入内存运行，亦即在作业运行时没有必要将其全部装入，只需将当前要运行的那部分程序和数据装入内存即可；以后每当要运行到尚未调入的那部分程序时，再将它调入。
多次性是虚拟存储器最重要的特征，任何其他的存储器管理方式都不具有这一特征。
因此，认为虚拟存储器是具有多次性特征的存储器系统。
对换性：允许在作业的运行过程中进行换进、换出，也即，在进程运行期间，允许将那些暂不使用的程序和数据，从内存调至外存的对换区（换出），待以后需要时再将它们从外存调至内存（换进）；甚至还允许将暂不运行的进程调至外存，待它们重又具备运行条件时再调入内存。
计算机组成原理第四章部分课后题答案（唐朔飞版）
计算机组成原理第四章部分课后题答案（唐朔飞版）4.1 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。
主存：⽤于存放数据和指令，并能由中央处理器直接随机存取，包括存储器体M、各种逻辑部件、控制电路等辅存：辅助存储器，⼜称为外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据）。
存储容量⼤、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脱机保存信息。
主要包括磁表⾯存储器、软盘存储器、磁带存储设备、光盘存储设备。
Cache：⾼速缓冲存储器，⽐主存储器体积⼩但速度快，⽤于保有从主存储器得到指令的副本很可能在下⼀步为处理器所需的专⽤缓冲器。
RAM：(Random Access Memory)随机存储器。
存储单元的内容可按需随意取出或存⼊，且存取的速度与存储单元的位置⽆关的存储器。
这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要⽤于存储短时间使⽤的程序。
按照存储信息的不同，随机存储器⼜分为静态随机存储器（StaticRAM,SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM)。
SRAM：(Static Random Access Memory)它是⼀种具有静⽌存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。
DRAM：(Dynamic Random Access Memory)，即动态随机存取存储器最为常见的系统内存。
DRAM 只能将数据保持很短的时间。
为了保持数据，DRAM使⽤电容存储，所以必须隔⼀段时间刷新（refresh）⼀次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。
（关机就会丢失数据）ROM：只读内存（Read-Only Memory）的简称，是⼀种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。
其特性是⼀旦储存资料就⽆法再将之改变或删除。
通常⽤在不需经常变更资料的电⼦或电脑系统中，资料并且不会因为电源关闭⽽消失。
PROM：(Programmable Read-Only Memory)－可编程只读存储器，也叫One-Time Programmable (OTP)ROM“⼀次可编程只读存储器”，是⼀种可以⽤程序操作的只读内存。
计算机操作系统第四章-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。
2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：少量的、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：若干(千)兆字节、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：存在于主存中；•磁盘：数千兆或数万兆字节、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，使主存储器在成本、速度和规模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)：是一个实际内存单元(字节)的地址。
●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，需要把逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；地址映射分静态和动态两种方式。
1、静态地址重定位是程序装入时集中一次进行的地址变换计算。
物理地址= 重定位的首地址+ 逻辑地址•优点：简单，不需要硬件支持；•缺点：一个作业必须占据连续的存储空间；装入内存的作业一般不再移动；不能实现虚拟存储。
02325计算机系统结构复习资料
第一章计算机系统结构的基本概念从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。
位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。
位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。
全并行的例子有：阵列处理机ILLIACIV。
从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。
存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。
例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。
处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
处理器操作并行是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
擅长对向量、数组进行处理。
例子有阵列处理机。
指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
并行性的开发途径有时间重叠(Time Interl eaving )，资源重复(Resou rceReplication)，资源共享(ResourceSharing)。
时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
例子有阵列处理机，相联处理机。
资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一条指令对一个数据的操作。
计算机系统结构(第2版(课后习题答案
word 文档下载后可自由复制编辑你计算机系统结构清华第 2 版习题解答word 文档下载后可自由复制编辑1 目录1.1 第一章（P33）1.7-1.9 （透明性概念），1.12-1.18 （Amdahl定律），1.19、1.21 、1.24 （CPI/MIPS）1.2 第二章（P124）2.3 、2.5 、2.6 （浮点数性能），2.13 、2.15 （指令编码）1.3 第三章（P202）3.3 （存储层次性能）， 3.5 （并行主存系统），3.15-3.15 加 1 题（堆栈模拟），3.19 中（3）（4）（6）（8）问（地址映象/ 替换算法-- 实存状况图）word 文档下载后可自由复制编辑1.4 第四章(P250)4.5 （中断屏蔽字表/中断过程示意图），4.8 （通道流量计算/通道时间图）1.5 第五章（P343）5.9 （流水线性能/ 时空图），5.15 （2种调度算法）1.6 第六章（P391）6.6 （向量流水时间计算），6.10 （Amdahl定律/MFLOPS）1.7 第七章（P446）7.3 、7.29（互连函数计算），7.6-7.14 （互连网性质），7.4 、7.5 、7.26（多级网寻径算法），word 文档下载后可自由复制编辑7.27 （寻径/ 选播算法）1.8 第八章(P498)8.12 ( SISD/SIMD 算法)1.9 第九章(P562)9.18 ( SISD/多功能部件/SIMD/MIMD 算法)（注：每章可选1-2 个主要知识点，每个知识点可只选 1 题。
有下划线者为推荐的主要知识点。
）word 文档 下载后可自由复制编辑2 例 , 习题2.1 第一章 (P33)例 1.1,p10假设将某系统的某一部件的处理速度加快到 10倍 ,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知： Fe=0.4, Se=10，根据 Amdahl 定律S n To T n1 (1Fe )S n 1 10.6 0.4100.64 Fe Se 1.56word 文档 下载后可自由复制编辑例 1.2,p10采用哪种实现技术来求浮点数平方根 FPSQR 的操作对系统的性能影响较大。
计算机组成原理第四章单元测试(二)(含答案)
第四章存储系统(二)测试1、32位处理器的最大虚拟地址空间为A、2GB、4GC、8GD、16G2、在虚存、内存之间进行地址变换时，功能部件（）将地址从虚拟（逻辑）地址空间映射到物理地址空间A、TLBB、MMUC、CacheD、DMA3、在程序执行过程中，Cache与主存的地址映象是由A、用户编写程序完成B、操作系统完成C、编译系统完成D、硬件自动完成4、某计算机的存储系统由cache和主存组成。
某程序执行过程共访存2000次，其中访问cache缺失(未命中）100次，则该程序执行过程中Cache的命中率为A、80%B、85%C、90%D、95%5、在Cache的地址映射中，若主存中的任意一块均可映射到Cache内任意一行的位置上，则这种映射方法称为A、全相联映射B、直接映射C、2-路组相联映射D、混合映射6、采用虚拟存储器的主要目的是A、提高主存储器的存取速度B、扩大主存储器的存储空间，且能进行自动管理和调度C、提高外存储器的存取速度D、扩大外存储器的存储空间7、虚拟存储器中，程序执行过程中实现虚拟地址到物理地址映射部件（系统）是A、应用程序完成B、操作系统和MMU配合完成C、编译器完成D、MMU完成8、相联存储器是按( )进行寻址访问的存储器A、地址B、内容C、堆栈D、队列9、以下哪种情况能更好地发挥Cache的作用A、程序中存在较多的函数调用B、程序的大小不超过内存容量C、程序具有较好的时间和空间局部性D、递归子程序10、以下关于虚拟存储管理地址转换的叙述中错误的是（）A、地址转换是指把逻辑地址转换为物理地址B、一般来说，逻辑地址比物理地址的位数少C、地址转换过程中可能会发生“缺页”D、MMU在地址转换过程中要访问页表项11、假定主存按字节编址，cache共有64行，采用4路组相联映射方式，主存块大小为32字节，所有编号都从0开始。
问主存第3000号单元所在主存块对应的cache组号是A、1B、5C、13D、2912、下列关于MMU的叙述中，错误的是（）A、MMU是存储管理部件B、MMU负责主存地址到Cache地址的映射C、MMU参与虚拟地址到物理地址的转换D、MMU配合使用TLB 地址转换速度更快13、下列关于主存与cache地址映射方式的叙述中正确的是（）A、全相联映射方式比较适用于大容量CacheB、直接映射是一对一的映射关系，组相联映射是多对一的映射关系C、在Cache容量相等条件下，直接映射方式的命中率比组相联方式有更高的命中率D、在Cache容量相等条件下，组相联方式的命中率比直接映射方式有更高的命中率14、下列关于CaChe的说法中，错误的是（）A、CaChe对程序员透明B、CaChe行大小与主存块大小一致C、分离CaChe(也称哈佛结构)是指存放指令的CaChe与存放数据CaChe分开设置D、读操作也要考虑CaChe与主存的一致性问题15、下列关于CaChe的论述中，正确的是A、采用直接映射时，CaChe无需使用替换算法B、采用最优替换算法，CaChe的命中率可达到100％C、加快CaChe本身速度，比提高CaChe命中率更能提升存储系统的等效访问速度D、CaChe的容量与主存的容量差距越大越能提升存储系统的等效访问速度16、某计算机系统中，CaChe容量为512 KB，主存容量为256 MB，则CaChe 一主存层次的等效容量为A、512 KBB、256 MBC、256 MB+512 KBD、256 MB - 512 KB17、下列关于Cache的描述中正确的是( )A、Cache存储器是内存中的一个特定区域B、Cache存储器的存取速度介于内存和磁盘之间C、Cache存储器中存放的内容是内存的副本D、Cache中存放正在处理的部分指令和数据18、关于TLB和Cache,下面哪些说法中正确的是( )A、TLB和Cache中存的数据不同B、TLB 访问缺失(miss)后，可能在Cache中直接找到页表内容C、TLB miss会造成程序执行出错，但是Cache miss不会D、TLB和Cache都采用虚拟地址访问19、在下列因素中，与Cache的命中率有关的是( )A、Cache块大小B、Cache的总容量C、主存的存取时间D、替换算法20、下面有关Cache的说法中正确的是( )A、设置Cache的目的，是解决CPU和主存之间的速度匹配问题B、设置Cache的理论基础，是程序访问的局部性原理C、Cache与主存统一编址，Cache地址空间是主存的一部分D、Cache功能均由硬件实现，对程序员透明。
计算机组织与系统结构第四章习题答案
第 4 章 习 题 答 案3. 已知某机主存空间大小为64KB ，按字节编址。
要求： （1）若用1K×4位的SRAM 芯片构成该主存储器，需要多少个芯片？ （2）主存地址共多少位？几位用于选片？几位用于片内选址？ （3）画出该存储器的逻辑框图。
参考答案： （1）64KB / 1K×4位 = 64×2 = 128片。
（2）因为是按字节编址，所以主存地址共16位，6位选片，10位片内选址。
（3）显然，位方向上扩展了2倍，字方向扩展了64倍。
下图中片选信号CS 为高电平有效。
A 15A 10A 9A 0D 0D 7……WE…4. 用64K×1位的DRAM 芯片构成256K×8位的存储器。
要求：（1） 计算所需芯片数，并画出该存储器的逻辑框图。
（2） 若采用异步刷新方式，每单元刷新间隔不超过2ms ，则产生刷新信号的间隔是多少时间？若采用集中刷新方式，则存储器刷新一遍最少用多少读写周期？ 参考答案：（1）256KB / 64K×1位 = 4×8 = 32片。
存储器逻辑框图见下页（图中片选信号CS 为高电平有效）。
（2）因为每个单元的刷新间隔为2ms ，所以，采用异步刷新时，在2ms 内每行必须被刷新一次，且仅被刷新一次。
因为DRAM 芯片存储阵列为64K=256×256，所以一共有256行。
因此，存储器控制器必须每隔2ms/256=7.8µs 产生一次刷新信号。
采用集中刷新方式时，整个存储器刷新一遍需要256个存储（读写）周期，在这个过程中，存储器不能进行读写操作。
A 17A 16A 15A 0D 0D 7………5. 用8K×8位的EPROM 芯片组成32K×16位的只读存储器，试问：（1）数据寄存器最少应有多少位？ （2） 地址寄存器最少应有多少位？ （3） 共需多少个EPROM 芯片？ （4） 画出该只读存储器的逻辑框图。
西安电子科技大学_计算机组成与体系结构_第4章存储系统_课件PPT
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
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4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
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存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
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4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
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4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
精品文档-计算机系统结构(第五版)(李学干)-第4章
第4章 存储体系
图 4 - 7 采用页式存储后D道程序仍可装入
第4章 存储体系
假设系统内最多可在主存中容纳N道程序，对每道程序都 将有一个页表。
图4 - 8 示意出页式管理的定位映像机构及其虚、实地址
第4章 存储体系
图 4 - 8 页式管理的定位映像机构及其虚、实地址的变换过程
第4章 存储体系
第4章 存储体系
论点2 分配给某道程序的容量S1的增大也只是在开始时对 H
图4 - 24 的实线反映了用堆栈型替换算法时H与S1的关系。 如果采用FIFO算法替换，由于它不是堆栈型算法，随着S1 的增大，H总的趋势也是上升的，但是从某个局部看，可能会 有下降，如图4-24中虚线所示。这种现象同样会体现在Sp、S1 与H的关系上。
第4章 存储体系
2. 段式存储中各段装入主存的起点是随意的，段表中的地址 字段很长，必须能表示出主存中任意一个绝对地址，加上各段 长度也是随意的，段长字段也很长，这既增加了辅助硬件开销， 降低了查表速度，也使主存管理麻烦。 例如，主存中已有A、B、C三个程序，其大小和位置如图4 - 7所示，现有一长度为12 KB的D道程序想要调入。
3. 参看图4 - 19，在页式虚拟存储器中每当用户用虚地址访 问主存时，都必须查找内页表， 将多用户虚地址变换成主存 的实地址①、②。
第4章 存储体系
图 4 - 19 页式虚拟存储器工作的全过程
第4章 存储体系
4.2.3 1. 对页面失效的处理是设计好页式虚拟存储器的关键之一。 2. 要想使虚拟存储器的等效访问速度提高到接近于主存的访
内容时，总希望它已在速度最快的M1中，这就要求未来被访问 信息的地址能预知，这对存储体系的构成是非常关键的。
第4章 存储体系
计算机系统结构(课后习题答案)
第一章电脑系统结构的基本概念1.有一个电脑系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
现假设需第i级的N 条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。
第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。
第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。
note: 由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
而现在第i 级有N条指令解释第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级需(N/M)条指令来完成第i级的计算量。
所以，当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M)Ks，以此类推2.硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。
答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。
但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
在DOS操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡〔硬件〕上，而随着CPU、硬盘、内存技术的不断发展，UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软件。
3.试以实例说明电脑系统结构、电脑组成与电脑实现之间的相互关系与影响。
答：电脑系统结构、电脑组成、电脑实现互不相同，但又相互影响。
〔1〕电脑的系统结构相同，但可采用不同的组成。
如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。
从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。
其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。
计算机组成原理第4章 存储系统
第四章存储系统4.1概述4.1.1技术指标4.1.2层次结构4.1.3存储器分类存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。
一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，均可以存储一位二进制代码。
这个二进制代码位是存储器中最小的存储单位，称为一个存储位或存储元。
由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。
根据存储材料的性能及使用方法不同，存储器有各种不同的分类方法。
(1)按存储介质分作为存储介质的基本要求，必须有两个明显区别的物理状态，分别用来表示二进制的代码0和1。
另一方面，存储器的存取速度又取决于这种物理状态的改变速度。
目前使用的存储介质主要是半导体器件和磁性材料。
用半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。
用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器。
(2)按存取方式分如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称为随机存储器。
半导体存储器是随机存储器。
如果存储器只能按某种顺序来存取，也就是说存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器称为顺序存储器。
如磁带存储器就是顺序存储器，它的存取周期较长。
磁盘存储器是半顺序存储器。
(3)按存储器的读写功能分有些半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，因此这种半导体存储器称为只读存储器(ROM)。
既能读出又能写人的半导体存储器，称为随机读写存储器(RAM)。
(4)按信息的可保存性分断电后信息即消失的存储器，称为非永久记忆的存储器。
断电后仍能保存信息的存储器，称为永久性记忆的存储器。
磁性材料做成的存储器是永久性存储器，半导体读写4.2 半导体随机读写存储器主存储器由半导体存储芯片构成，容量较小时可采用SRAM芯片，容量较大时一般采用DRAM芯片。
主存中的固化区采用ROM芯片，包括PROM、EPROM、EEPROM、等。
计算机组成原理 第 4 章 存储器系统(修改版)
磁芯存储器
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3.5英寸软盘
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硬盘
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(2)半导体存储器
• 半导体存储器是用半导体器件组成的存储器。 • 根据制造工艺不同，可分为双极型和MOS型。
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U盘
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(3) 光存储器
• 利用光学原理制成的存储器，它是通过 能量高度集中的激光束照在基体表面引 起物理的或化学的变化，记忆二进制信 息。如光盘存储器。
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4.1.1
存储器分类
• 1．按与CPU的连接和功能分类
• (1) 主存储器 CPU能够直接访问的存储器。用于存 放当前运行的程序和数据。主存储器设在 主机内部，所以又称内存储器。简称内存 或主存。
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(2) 辅助存储器
• 为解决主存容量不足而设置的存储器， 用于存放当前不参加运行的程序和数据。 当需要运行程序和数据时，将它们成批 调入内存供CPU使用。CPU不能直接访问 辅助存储器。 • 辅助存储器属于外部设备，所以又称为 外存储器，简称外存或辅存。
写操作（存操作） 地址 （MAR） AB
MEM
CPU MEM MDR
MEM
CPU
CB 读命令 （Read）
MEM
存储单 元内容 （M）
DB
MEM
CB 写命令 MEM （Write） DB 存储单元 MDR M
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CPU与主存之间的数据传送控制方式
• 同步控制方式：数据传送在固定的时间间隔内 完成，即在一个存取周期内完成。 • 异步控制方式：数据传送的时间不固定，存储 器在完成读/写操作后，需向CPU回送“存储器 功能完成”信号（MFC），表示一次数据传送完 成。 • 目前多数计算机采用同步方式控制CPU与主存之 间的数据传送。 • 由于异步控制方式允许不同速度的设备进行信 息交换，所以多用于CPU与外设的数据传送中。
计算机操作系统第4章存储器管理PPT课件
➢ 不支持多道程序
➢ 内存利用率不高
➢ 受内存容量限制
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4.2.2 连续分区存储管理
➢ 将内存划分成若干个连续区域，称为分区 ➢ 每个分区只能存储一个程序，而且程序也只
能在它所驻留的分区中运行(连续性)
➢ 是实现多道程序的最简单的存储管理方案 ➢ 根据划定的分区是否可变，分为固定分区和
可变分区管理
编译/链接
地址映射
data1 3456
200
3456
1200
3456
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三种装入方式
➢ 绝对装入
✓ 编译时给出绝对地址
✓ 相对地址与绝对地址相同，无须地址转换
✓ 适用于单道程序环境
➢ 静态重定位装入
✓ 相对地址与绝对地址不同
✓ 装入时一次性给出绝对地址
➢ 动态重定位装入
✓ 相对地址与绝对地址不同
✓ 地址的转换推迟到指令运行时才进行
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1. 固定分区 ➢ 基本思想
✓ 由OS在初启时，将内存空间划分为若干连 续区域，一个区域称为一个分区
✓ 每个分区的大小固定不变，每个分区装一 个且只能装一个进程
✓ 每个分区大小可以相同也可以不同
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➢ 数据结构 ✓ 分区说明表：分区号、起始地址、大小、状态 ✓ 分区请求表：进程号、内存大小
分区号 始址(K) 大小(K) 状态
要位置
➢ 任何一种存储装置，都无法同时从速度与
容量两方面，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结构
5
存储器层次
存取时间减少
高速缓存
存取速度增加 存取成本增加
内存
存储容量减少
计算机组成原理第四章存储系统(二)(含答案)
第四章存储系统（二）4.6 多体交叉存储器随堂测验1、一个4体并行低位交叉存储器，每个模块的容量是64K×32位，存取周期为200ns，假定四个存储可以连续访问，以下说法中，（）是正确的。
（单选)A、在连续工作一段时间后，200ns内储器向CPU提供256位二进制信息B、连续工作一段时间后，200ns内存储器向CPU提供128位二进制信息C、在连续工作一段时间后，200ns存储器向CPU提供32位二进制信息D、以上答案都不正确2、下列关于多体交叉存储器的描述中，正确的是（）（多选）A、通过并行访问提高存储系统的访问速率B、通过增加数据总线的位数提高存储系统访问速率C、通过提高存储单体的速率提高存储系统的访问速率D、实现对不同存储单体数据的并行访问对数据的分布有要求3、为了通过交叉访问提高存储系的访问速率，必须满足下列条件（）（多选）A、采用低位地址交叉B、采用高位地址交叉C、满足局部性原理D、采用最优调度算法4、下图为能实现并行访问的多体交叉存储系统示意图。
设存储单体的存储周期为T1、存储系统的周期为T2、总线的传输周期为t . 下列描述中正确的是（）（多选）A、是高位多体交叉B、是低位多体交叉C、T1=T2D、CPU连续并行访问m个字的总时间为T1 + (m -1)t4.7 Cache的基本原理随堂测验1、为实现Cache地址映射，需要将来自CPU的物理地址根据映射方式进行不同划分，下列描述中错误的是（）（单选）A、全相联映射方式下，将地址划分为主存块地址和块内偏移地址两部分B、直接相联映射方式下，根据Cache大小将地址划分为标记（Tag）、索引(Index)和块内偏移地址三部分。
其中Index指向Cache特定行位置C、组相联映射方式下，根据Cache 分组数大小将地址划分为标记（Tag）、索引(Index)和块内偏移地址三部分。
其中Index指向Cache特定组位置D、K路组相联是指CHCHE被分成K组2、下列关于Cache的描述中正确的是（）（多选）A、缓解快速CPU与慢速主存之间的速度差异B、实现Cache目标的理论基础是局部性原理C、在存储体系中，Cache处于CPU和主存之间D、Cache的写穿策略是指CPU写Cache的同时也把数据写入主存3、下列关于Cache结构的描述中正确的是（) （多选）A、标记存储体存放从主存地址中剥离出的标记(Tag)B、数据存储体存放与主存交换的数据C、有效位(Valid)用于判断Cache的数据是否有效D、脏位(Dirty)用于判断主存的相关数据是否有效4、下列属于协助Cache工作所需的部件或功能是（）（多选）A、相联存储器B、调度替换算法C、脏位和有效位比较电路D、标记比较电路4.8 相联存储器随堂测验1、相联存储器是一种按内容访问的存储器,这里的"内容"是指（）（单选）A、所访问的数据B、主存地址C、从主存地址中分离出的标记(Tag)D、从主存地址中分离出来的索引(Index)2、下列关于相联存储器的描述中，正确的是（）（单选）A、在实现技术相同的情况下，容量较小的相联存储器，速度较快B、相联存储器结构简单，与静态存储器的访问方式基本相同C、为提高查找速度，相联存储器的存储体应采用动态存储单元D、访问相联存储器时既需要内容，也需要地址3、下列关于相联存储器的描述中，正确的是（）（多选）A、按地址进行并行访问B、对访问的内容进行并行比较C、按关键字实现快速查找D、相联存储器中存放的是主存数据的副本4.9 Cache地址映射与变换方法随堂测验1、某计算机的Cache共有16块，采用2路组相联映射方式（即每组2块）。
计算机系统结构第四章自考练习题答案 (1)
第四章存储体系历年真题精选1. 下列说法正确的是（ D ）。
A. Cache容量一般不大，命中率不会很高B. Cache本身速度很快，但地址变换速度很慢C. Cache芯片速度一般比CPU速度慢数十倍D. Cache存储器查映像表和访问物理Cache其间可以流水，使速度与CPU匹配2．以下与虚拟存储器的等效访问速度无关的是（ D ）。
A. 页地址流B. 页面调度策略C. 主存的容量D. 辅存的容量3. 页面虚拟存储器把（程序）空间和（主存）空间都机械等分成相同大小的页面。
4. Cache若采用全相联映像规则，则主存中（任意一）块都可映像装入到Cache中的（任意一）块的位置上。
5. 解决计算机主存与CPU的速度差对机器性能的影响，可采用哪三种解决方法？(p86)6. 对于二级虚拟存储层次，其等效访问时间与主、辅存的访问时间有什么关系？可采取哪些措施提高存储层次的等效访问速度？（至少提出两种）（P88）7. 有一个虚拟存贮器，主存有0～3四页位置，程序有0～7八个虚页，采用全相联映象和FIFO替换算法。
给出如下程序页地址流；2，3，5，2，4，0，1，2，4，6。
（1）假设程序的2，3，5页已先后装入主存的第3、2、0页位置，请画出上述页地址流工作过程中，主存各页位置上所装程序各页页号的变化过程图，标出命中时刻。
（2）求出此期间虚存总的命中率H。
（50%）8. 某虚拟存储器共8个页面，每页为1024个字，实际主存为4K个字，采用页表法进行地址映象。
映象表的内容如下表所示。
实页号装入位3 11 12 03 02 11 00 10 0(1)求出会发生页面失效的全部虚页号；（2，3,5,7）(2)求出虚地址为：0，3728，1023，1024，7800，6800的主存实地址。
（3072，页失效，4095,1024，页失效，656）同步强化练习一．单项选择题。
1. 替换算法要解决的问题是（ C ）。
A.用户的虚页如何与主存的实页对应B.如何用主存的实页号替代多用户的虚页号C.当页面失效，选择主存中哪个页作为被替换的页D.新用户要进入主存，选择哪个用户作为被替换的用户2. 虚拟存储器地址变换是指（ C ）。
精品文档-计算机组成与系统结构(裘雪红)-第4章
第4章 存 储 系 统
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刷新操作的具体形式有如下两种： ① 只用 RAS 刷新。图4.16描述的就是这种操作形式。
② CAS 在 RAS 有效前进行刷新。在 RAS 有效前使 CAS 有效，即可进入 CAS 在 RAS 有效前进行刷新的周期。此时， 时钟激活一个芯片内部的刷新计数器，用来产生需要刷新的行
第4章 存 储 系 统
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4.1.3 存储器的性能指标 1. 存储容量 存储容量指的是存储器所能存储的二进制信息的总位数，
其表示方式一般为:存储器总存储单元数×每个存储单元的位数。 例如，某计算机内存容量为1024 K×8 bit或1024 KB、 1 GB(通常用b表示位bit，B表示字节Byte); 某磁盘存储器的容 量为160 GB。
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图 4.8 主存字扩展的连接电路图
第4章 存 储 系 统
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(3) 主存的位扩展。当存储器芯片的数据位数较少，而构 成的主存每一存储地址单元要求的存储数据位较多时，可采用
位扩展，即用多片存储器芯片来达到位扩展的目的。图4.9就是 一种主存位扩展连接的形式。
在图4.9中，存储器芯片的容量是2 K×4 bit，而要构成的
除上述指标外，还有如体积、重量、封装方式、工作电压、环 境条件等指标。
第4章 存 储 系 统
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4.2 内部存储器(主存储器)
4.2.1 随机读写存储器RAM 在计算机中，常用的随机读写存储器RAM分为两大类:一类
是静态随机读写存储器SRAM, 另一类是动态随机读写存储器 DRAM。
第4章 存 储 系 统
第4章 存 储 系 统
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(2) 动态读写存储器DRAM。 动态存储器DRAM也有多种结
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4.三级存储系统
多数计算机是由高速缓冲存储器(Cache)、主存 储器和磁盘存储器(辅存)构成一个三级存储系统.
实现方式:组织成2个独立的二级存储系统.
(1)由Cache和主存组成的“Cache-主存”存储 系统,或称为Cache存储器.
1.程序访问局部性 2.存储系统的多级层次结构 3.存储系统的透明性要求 4.三级存储系统
1.程序访问局部性
程序访问局部性包括:时间局部性和空间局部性.
时间局部性:程序在最近的未来要用到的信息很可能 是在正在使用的信息. 如循环程序的多次重复使用.
空间局部性:程序在最近的未来用用到的信息很可能 同现在使用的信息在存储空间位置上是相邻近的.
的页面替换算法。 4.掌握Cache存储系统的地址映象及变换方法以
及Cache存储系统的块替换算法。
第4章 存储系统/Memory System
【学习内容】
4.1 存储系统的层次结构与性能指标 4.2并行存储器
4.3虚拟存储器 4.4高速缓冲存储器（Cache) 4.5三级存储系统
4.1 存储系统的层次结构与性能指标
这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程 序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接 近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大 的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜 的那个存储器。
具有这种层次的存储系统能获得比较高的性能 价格比的重要依据是:程序对程序空间的访问具有 程序访问局部性的特点.
存储器的层次结构
是辅存的地址空间,而是比实际物理地址空间大得多的 虚拟地址空间,并且用像主存一样的随机访问方式. 2.存储系统的带宽 存储器被连续访问时能提供的数据传输率称为存储器 的最大带宽(一般用每秒钟所传送的信息位数来衡量)。由于 存储器不一定始终满负荷工作,因此,存储器的实际带宽 一般低于最大带宽.
Cache存储器对系统程序员也是透明的,操作 系统不会参与对Cache存储器的管理.
在虚拟存储器中,为了降低成本,有部分功能由 操作系统的存储管理软件来实现,因此,虚拟存储器 对系统程序员是不透明的.
目前,很多CPU的芯片内集成有Cache,因此把 Cache又分为相临的二级,片内Cache称为一级 Cache,片外Cache称为二级Cache.
4.1.2存储系统的性能指标
两个存储器组成的存储系统.
T1＜ T2 , S1 ＜S2 , C1＞ C2
存储系统的性能指标
1.存储系统的容量 S 存储系统对计算机的使用者提供尽可能大地址空间,且
能够随机访问. 对于Cache存储器,其容量等于主存的容量,既M=M2. 对于虚拟存储器,其容量既不是主存的地址空间,也不
存储器的层次结构
存储器的主要性能指标 速度: 用存储器的访问周期、读出时间、频带 宽度等表示 容量: 用字节B、千字节KB、兆字节MB和千兆 字节GB等表示 价格: 用单位容量的价钱表示，例如$C/bit
存储器的层次结构
存储系统的定义
两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的 存储器,用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方 法连接起来成为一个系统。
4.1.1 存储器的层次结构 4.1.2存储系统的性能指标
存储器的层次结构
计算机中的存储器
类型:
主存储器、Cache、通用寄存器、 各种缓冲存储器
构成材料: ECL, TTL, MOS，磁表面存储器，光 存储器,SRAM,DRAM 直接译码、随机访问、相联访问、块
访问方式： 交换、文件组、手工加载等
Cache存储器是针对主存速度不能满足而提出 来的,在物理Cache和主存之间增加辅助硬件,使 Cache和主存构成一个整体, Cache存储器的等效 访问速度接近物理Cache访问速度,容量却是主存 的容量,每位价格接近主存的价格.
三级存储系统
虚拟存储器和Cache存储器对应用程序员都是 透明的.由于CPU与主存的速度只差1个数量级,主 存与辅存的速度却差3～4个数量级,因此, Cache 只能全部采用硬件来实现.
3.存储系统的透明性要求
存储系统应满足以下透明性要求:
(1)在程序执行期间,CPU产生一个连续的逻辑地 址流,逻辑地址需要变换为某个Mi的物理地址,才能
实现对Mi的访问,这钟地址变换对程序员应该是透
明的.
(2) 在两个相临的存储器Mi 和Mi+1 之间调入和调 出块或页的操作对程序员也应该是tem
以存储器为 中心的计算 机结构
主存
读缓存 读缓 写缓 器指令 存器 存器
CPU
I/O I/O 部部 件件
现代计算机系统都以存储器为中心.在计算机运行过程 中，存储器是各种信息存储和交换的中心.
存储系统/Memory System
【学习目标】
1.领会存储系统的含义及其性能指标. 2. 理解并行存储器的工作原理。 3.掌握虚拟存储系统的工作原理和虚拟存储系统
程序访问局部性指出了最近的未来要使用的指令和 数据很可能就是正在使用的指令和数据,或者是与 正在使用的指令和数据在存储空间位置上相邻的 指令和数据.因此,可以把存储空间位置相邻的信息 作为一“块”或一“页”放到容量最小但速度最 快的一级存储器中,从而可以使访问速度接近速度 最快的那一级的存储器的速度.
(2)由主存和磁盘存储器组成的“主存-辅存”存 储系统,因采用虚拟存储技术,也称为虚拟存储器.
Cache
主存
辅存
三级存储系统
虚拟存储器(Virtual Memory )是针对主存容量 不能满足要求而提出来的,在主存和辅存之间增加 辅助的软件和硬件,使主存和辅存构成一个整体. 等效的访问速度接近于主存访问速度,容量是辅存 的容量,每位价格接近于辅存.
2.存储系统的多级层次结构 例如:
由n个速度、容量、价格各不相同的存储器组成的存储系统.其中, M1级最靠近CPU,它的速度最快,或者说M1的访问周期T1最小,正是 通过高速的M1使存储系统的访问速度能与CPU的速度匹配.但是, 高速的M1的单位容量的平均价格同速度较低的存储器相比要贵得 多,容量S1也因为价格的限制不能T太大.多层次结构的存储系统的 性能价格比有优于任何的单级存储器.