现代操作系统的多级存储体系

简介现代操作系统的多级存储体系
姓名：杨潇班级：28001020 学号：2801305037
摘要：本文主要介绍了现代操作系统的四级存储体系：cpu寄存器、Cache、主存储器以及辅存。

并从工作原理和功能上对其进行分析。

关键词：存储空间、运行原理、读写速度、映像
引言：存储器系统作为计算机中用于存储程序和数据的部件很重要。

评判一个存储系统优劣的指标是：尽可能快的读写速度，尽可能大的存储容量，尽可能低的成本费用。

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为了尽可能的同时实现这些要求，计算机系统引入了多级存储体系的概念。

多级存储体系是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。

对于通用计算机而言，存储层次至少应具有四级：CPU寄存器，主存，辅存，Cache.在较高档的计算机中，还可以根据具体的功能分工细划为寄存器、高速缓存、主存储器、磁缓存、固定磁盘、可移动存储介质等。

正文：
存储器是计算机的核心部件之一，如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一。

现代计算机的系统通常把不同容量、不同速度的存储设备按一定的体系结构组织起来，以解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾，下图就是现代计算机的四级存储结构：
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。

cpu寄存器：
1、寄存器的概念及特点：
寄存器是CPU内部的元件，是内存阶层中的最顶端，也是系统获得操作资料的最快速途径。

它拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。

寄存器又分为内部寄存器与外部寄存器。

所谓内部寄存器，其实也是一些小的存储单元，也能存储数据。

但同存储器相比，寄存器又有自己独有的特点：①寄存器位于CPU内部，数量很少，仅十四个；②寄存器所能存储的数据不一定是8bit，有一些寄存器可以存储16bit数据，对于386/486处理器中的一些寄存器则能存储32bit数据；③每个内部寄存器都有一个名字，而没有类似存储器的地址编号。

2寄存器的工作原理：
CPU对存储器中的数据进行处理时，往往先把数据取到内部寄存器中，而后再作处理。

外部寄存器是计算机中其它一些部件上用于暂存数据的寄存器，它与CPU之间通过“端口”交换数据，外部寄存器具有寄存器和内存储器双重特点。

有些时候我们常把外部寄存器就称为“端口”，这种说法不太严格，但经常这样说。

外部寄存器虽然也用于存放数据，但是它保存的数据具有特殊的用途。

某些寄存器中各个位的0、1状态反映了外部设备的工作状态或方式；还有一些寄存器中的各个位可对外部设备进行控制；也有一些端口作为CPU 同外部设备交换数据的通路。

所以说，端口是CPU和外设间的联系桥梁。

CPU对端口的访问也是依据端口的“编号”（地址），这一点又和访问存储器一样。

不过考虑到机器所联接的外设数量并不多，所以在设计机器的时候仅安排了1024个端口地址，端口地址范围为
0--3FFH
3、寄存器的用途：
将寄存器内的数据执行算术及逻辑运算；存于寄存器内的地址可用来指向内存的某个位置，即寻址；读写数据到电脑的周边设备。

Cache：
高速缓冲存储器，是一个相对于主存来说容量很小、速度特快、用静态存储器器件实现的存储器系统。

它的作用在于缓解主存速度慢、跟不上CPU读写速度要求的矛盾。

它的实现原理，是把CPU最近最可能用到的少量信息（数据或指令）从主存复制到CACHE中，当CPU下次再用这些信息时，它就不必访问慢速的主存，而直接从快速的CACHE中得到，从而提高了得到这些信息的速度，使CPU有更高的运行效率。

1高速缓冲存储器的运行原理
主要基于如何解决主存单元与CACHE单元的对应问题。

通常使CACHE的每个存储单元由3部分内容组成。

一是CACHE的数据字段，保存从主存某一单元复制过来的数据内容，这是在CPU第一次从主存读出内容传送到CPU的同时，顺便将该内容写进一个选中的CACHE
单元的数据字段；二是CACHE的标志字段，保存相应主存单元的地址信息，用它指明该CACHE 单元的数据字段部分保存的数据是从哪一个主存单元复制过来的。

当程序中的一条指令要用一个主存地址读主存的某一单元时，就用这一地址来与CACHE中的各个标志字段的内容相比较，若找到某一标志字段的内容与该地址值相同，则同一CACHE单元的数据字段中的数据内容可能就是被读的数据；这表明，读CACHE时，是用CACHE单元内容的一部分（标志字段）
的值（原本用于读主存的一个地址），来确定该CACHE单元另外一部分（数据字段）的内容是否就是要读的数据。

以这种原理运行的存储器被称为关联（联想）存储器。

三是CACHE 单元的有效位字段，规定其值为1，表示该CACHE单元中的标志字段、数据字段的内容是有效的，为0，则说明该CACHE单元在此之前尚未使用，其标志字段、数据字段的内容是无效的。

有效位字段的内容，应在CACHE刚投入使用时，清每个单元的有效位为0；在一个CACHE 单元被选中，且数据字段、地址字段的内容完成写入操作之后，该单元的有效位亦被置为1，表明该单元已被占用，其标志字段、数据字段的内容是有效的。

2、高速缓冲存储器的3种映像方式
在把一主存单元的数据复制到CACHE中时，还要把该主存单元的地址，经过某种函数关系处理后写进CAC2E的标志字段，这一过程被称为CACHE的地址映像。

CACHE存储器通常使用3种映像方式，它们是全相联映像方式、直接映像方式、多路组相联映像方式，3种映像方式有各自的优缺点。

(1)全相联映像方式，是指主存的一个字（字块）可以映像到整个CACHE的任何一个字（字块）中，反过来说，CACHE的一个字（字块）中，在不同时刻可能存放的是整个主存中的任何一个字（字块）中的内容，即二者的对应关系是完全随意的，没有任何强制性的限制条件。

(2) 直接映像方式，是指主存的一个字（字块）只能映像到CACHE的一个准确确定的字（字块）中，反过来说，CACHE的一个字（字块）中，在不同时刻存放的仅能是整个主存中确定的某些字（字块）中的一个字（字块）的内容，即二者的对应关系是完全硬性确定的，没有任何选择余地。

(3)多路组相联映像方式，是对全相联映像和直接映想象的一种折衷的处理方案。

它既不是在主存和CACHE之间实现字块（字）的完全地随意对应，也不是在主存和CACHE之间的实现字块（字）的多对一的硬性对应，而是实现一种有限度的随意对应。

主存储器：
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。

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。

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。

地址总线用于选择主存储器的一个存储单元（字或字节），其位数决定了可以访问的存储单元的最大数目，称为最大可寻址空间。

数据总线用于在计算机各功能部件之间传送数据，数据总线的位数（总线的宽度），与总线时钟频率的乘积，正比于该总线所支持的最高数据吞吐（输入/输出）能力。

控制总线用于指明总线的工作周期类型和本次入/出完成的时刻。

总线的工作周期可以包括主存储器读周期，主存储器写周期，I/O设备读周期，I/O设备写周期，即区分要用哪个部件（主存或I/O设备）和操作的性质（读或写）；还有直接存储器访问（DMA）总线周期等。

从实现的读写操作功能区分，主存储器可以由只读存储区（ROM）和读写存储区（RAM）两部分组成，是分别采用ROM和RAM存储器芯片实现的。

ROM存储区用来储存内容固定不变的程序和数据，例如操作系统的内核部分，系统刚加电时运行的硬件诊断程序等。

从所用的半导体生产工艺区分，存储器芯片又可以分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM两种类型。

由于动态存储器集成度高，生产成本低，被广泛地用于实现要求更大容量的主存储器。

静态存储器读写速度快，生产成本高，通常多用其实现容量可以较小的高速缓冲存储器。

2．主存储器性能指标
主存储器涉及的主要性能指标是：读写速度和存储容量。

读写速度，通常用读、写一个存储单元必需的时间度量，例如60nS。

连续两次读写必须的时间间隔被称为存储周期，考虑到线路恢复的延迟问题，它应略大于一次主存读、写所用的时间。

存储容量，通常用构成存储器的字节（8 bits）数或字数表述，一个存储字通常由2、4、8个字节组成。

多数计算机都能在逻辑上同时支持按字或字节读写主存储器。

辅存：
辅存又称外存，狭义上是我们平时讲的硬盘。

科学地说是外部存储器（需要通过I/O 系统与之交换数据，又称为辅助存储器）。

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。

磁盘是用得最多的外存设备，其特点是容量大，速度尚可，能以比较低的成本长时间的记忆信息。

1．磁盘设备的组成
磁盘设备主要由主轴及其驱动系统、磁头及其定位系统、数据读写等控制逻辑部分组成，
2．磁盘片上的信息组织
磁盘片是磁存储器的信息记录载体，通常使用其两个记录面，也可以把多片磁盘片组装在同一个轴上，从而构成为一个多片结构的磁盘组。

此时读这样的磁盘上的信息时，必须指出该信息在磁盘的哪个盘片的哪一记录面，具体会表现为选择多个磁头中的哪一个磁头(假定对应每个可用的盘片记录面各有一个磁头)。

在同一个磁盘记录面上，信息被写在许多个同心圆上，每个同心圆为一个磁道，不同磁道用磁道号表示，磁道间的距离为道密度。

对多片结构的磁盘组，不同记录面上的同一磁道被叫做一个柱面。

在同一个磁道上，信息被组织为固定大小的区段，称为扇区，即把一个圆周等分成若干部分，每部分就构成一个扇区，每个扇区的一个磁道，用于存储一定数目的二进制信息(如以字节数表示)。

扇区的一个磁道通常是磁盘进行读写的最小信息单位。

不同扇区用扇区号表示。

3．磁盘设备的运行原理
要读写磁盘上的信息，首先必须给出信息在磁盘设备上的准确位置，这个位置信息通常由哪个磁盘面(即哪一个磁头)，哪一个磁道的哪一个存储区域(通常为磁道的扇区)等几部分组成。

对于写操作，当把要用的写入地址送入磁盘的地址寄存器之后，再把要写入的数据经磁盘接口送到磁盘的读写控制逻辑电路，经过编码处理)，送写入驱动器再送入选定的磁头的写入线圈，把信息串行地写入选定的磁道中。

对于读操作，首先使磁头移动到由磁盘地址寄存器指定的存储区域，选中的磁头执行读操作，读出信号送读出放大器，经译码电路分离出数据脉冲，拼装成字节或字的格式送入磁盘接口。

作为计算机系统外存储器的主要支柱设备，磁盘的容量、读写速度、价格和容错支持，一直是人们致力解决的问题。

1．磁盘阵列技术
一个有效途径是使用统一管理的由多个磁盘组成的磁盘阵列，通过多个磁盘设备的并行操作来提高设备总体的性能和可靠性。

通过合理地在多个磁盘之间组织数据，可以得到比较理想的容错能力。

为统一管理磁盘阵列，就要使用一块特定的接口卡（一般称为RAID卡，阵列控制卡），把组成阵列的多个物理磁盘连接为一个逻辑整体，这被称为一个逻辑磁盘。

该卡的一端被插接到高速的SCSI总线或PCI总线的插槽中，以便与计算机主机接通，另外一端有1到3个接插头，通过电缆与1到3组磁盘设备连接，每组可有串行连接在一起的1到7物理磁盘。

系统能通过该卡对连接到卡上的多个磁盘，按用户的使用要求，灵活地配置为不同的使用和容错方式。

2．容错方式
合理地把一个文件的内容划分为“块”并写到组成一个逻辑磁盘的多个物理磁盘中去，再采取适当的数据存储保护措施，不仅可以提高数据读写的速度，而且可以大大增加磁盘系统工作的可靠性，就是说使该磁盘系统具有很好的容错能力。

容错方式通常划分成6种模式，又经常被说成6级容错，分别叫作RAID0、RAID2…、RAID5。

常用的是RAID0、RAID1、RAID4、RAID5这4种。

已被工业界广泛接受并在一些产品中得到实际应用。

总结：各级存储设备都有自己的特点：寄存器的读写速度快但数量少，Cache的速度快但容量小，主存储器读写速度尚可、存储容量适中、成本低、外存的容量大但读写速度慢，所以多级存储体系的建立是非常必要的，它能合理地结合各级存储设备的优缺点，尽可能地达到低成本、高速度，大容量的目标，例如：cache+主存储器解决高速度和低成本的矛盾，主存+辅存解决大容量和低成本的矛盾。

综上所述多级存储体系解决了实质性的问题，在计算机操作系统中占有了举足轻重的地位。

参考文献：《微机原理与接口技术》——李广军
《计算机系统结构》——张晨曦。