第03章 存储系统(4cache及虚拟存储器)
数字逻辑与计算机组成原理：第三章 存储器系统(1)
A3 0
字线
地0 A2 0 址
译
A1
0码 器
A0 0
15
读 / 写选通
… …
…
0,0 … 0,7
16×8矩阵
15,0 … 15,7
0
…
7 位线
读/写控制电路
D0
… D7
(2) 重合法（双译码方式）
0 A4
0,00
…
0 A3
阵
A2
译
0码
31,0
…
A1
器 X 31
0 A0
… …
或低表示存储的是1或0。 T5和T6是两个门控管，读写操作时，两管需导通。
六管存储单元
保持
字驱动线处于低电位时，T5、T6 截止， 切断了两根位线与触发器之间的 联系。
六管存储单元
单译码方式
读出时: 字线接通 1)位线1和位线2上加高电平; 2)若存储元原存0，A点为低电
平，B点为高电平，位线2无电 流，读出0。
3)若存储元原存1，A点为高电 平，B点为低电平，位线2有电
流，读出1。
静态 RAM 基本电路的 读 操作（双译码方式）
位线A1
A T1 ~ T4 B
位线2
T5
行地址选择
T6
行选
T5、T6 开
列选
T7、T8 开
T7
T8
读选择有效
列地址选择 写放大器
写放大器
VA
T6
读放
读放
DOUT
T8 DOUT
DIN
1．主存与CPU的连接
是由总线支持的; 总线包括数据总线、地址总线和控制总线; CPU通过使用MAR（存储器地址寄存器）和MDR（存储
计算机组成原理课件 虚拟存储器
4.2 虚拟存储器
例1：一个程序共有5个页面组成，分别为P1～P5。程序执行过程中的页地 址流（即程序执行中依次用到的页面）如下：P1，P2，P1，P5，P4，P1， P3，P4，P2，P4，假设分配给这个程序的主存储器共有3个页面。图中， 用"*"号标记下次将要被替换掉的页面。
4.2 虚拟存储器
内部地址变换：多用户虚拟地址Av变换成贮存实地址A 多用户虚拟地址中的页内偏移量D直接作为主存实地址中的页内偏移d 主存实页号p与它的页内偏移d直接拼接就得到主存是地址A
4.2 虚拟存储器
一个用户程序要访问虚拟存储器时，必须给出多用户虚拟地址Av。在操作系统和 有关硬件的共同管理下，首先进行内部地址变换。 如果变换成功（命中），得到主存实页号p。把主存实页号p与它的页内偏移d直 接拼接起来就得到主存实地址A，访问主存储器。 如果内部地址变换失败（未命中），表示要访问数据不在主存储器中，必须访问 磁盘存储器。这时，进行外部地址变换。 外部地址变换主要用软件实现，首先查外页表得到与虚页号P相对应的磁盘存储 器的实地址，然后再查内页表（主存实页表），看主存储器中是否有空页。如果主 存储器中还有空页，只要找到空页号。把磁盘存储器的实地址和主存储器的实页号 送入输入输出处理机（输入输出通道）等，在输入输出处理机的控制下，把要访问 数据所在的一整页都从磁盘存储器调入到主存储器。 如果主存储器中已经没有空页，则要采用某种页面替换算法，先把主存中暂时不 用的一页写回到磁盘存储器中原来的位置上，以便腾出空位置来存放新的页。 在进行外部地址变换时，如果没有命中，则表示所需要的页还不在磁盘存储器中。 这时，要在操作系统控制下，启动磁带机、光盘存储器等海量存储器，先把与所需 要数据相关的文件从海量存储器中调入磁盘存储器。
虚拟存储和高速缓冲存储器
在实际应用中，虚拟文件系统存储方案以非对称式拓扑结构 为表现形式。
第十一页，共49页
虚拟存储的特点：
虚拟存储提供了一个大容量存储系统集中管理的手段，由网络中 的一个环节（如服务器）进行统一管理，避免了由于存储设备扩 充所带来的管理方面的麻烦。
虚拟存储对于视频网络系统最有价值的特点是：可以大大提高 存储系统整体访问带宽。
第十八页，共49页
三级缓存的性能影响
❖ 在游戏方面，提升三级缓存的容量对游戏的性能影响很大， 如果是网吧机提升三级缓存的容量，会有显著的性能提升的。
❖ 对PC机来说，三级缓存其实只是做了个辅助的作用，除了服务器 ，其实对大多数家庭机没什么用的， 对于家庭机内存是最重要的 。
第十九页，共49页
高速存储器的工作原理图：
地址总线
LRU管理逻辑
CAM
相联存储图表
主
CPU
虚拟存储器的基本构成
虚拟存储器的基本构成虚拟存储器是计算机系统中的一个重要组成部分，它扩展了计算机的存储容量，提高了系统的性能和可用性。
虚拟存储器由主存储器和辅助存储器两部分组成，通过一系列的管理机制，使得程序能够以透明的方式访问较大容量的存储空间。
1. 主存储器主存储器是虚拟存储器的核心组成部分，也是计算机系统中最快的存储器。
它通常由DRAM（动态随机存取存储器）构成，用于存储当前正在执行的程序和数据。
主存储器通过地址总线和数据总线与CPU直接连接，可以快速地读写数据。
虚拟存储器通过将主存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面（page）来管理主存储器的使用。
2. 辅助存储器辅助存储器是虚拟存储器的扩展部分，它通常由硬盘、固态硬盘（SSD）等设备构成。
辅助存储器的容量远大于主存储器，用于存储不常用的程序和数据。
辅助存储器的读写速度较慢，但它具有持久性，数据不会因为断电而丢失。
虚拟存储器通过将辅助存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面来管理辅助存储器的使用。
3. 页面表页面表是虚拟存储器管理的关键数据结构，用于记录主存储器和辅助存储器之间的映射关系。
每个页面表由多个页表项组成，每个页表项记录了一个页面在主存储器和辅助存储器中的对应位置。
当程序访问一个虚拟地址时，操作系统会通过页面表查找对应的物理地址，并将数据从主存储器或辅助存储器中读取出来。
4. 页面置换算法由于主存储器的容量有限，当主存储器中的页面不足以存放所有正在运行的程序和数据时，就需要使用页面置换算法将部分页面从主存储器中换出到辅助存储器中。
常用的页面置换算法有最佳（OPT）、先进先出（FIFO）、最近未使用（LRU）等。
这些算法根据页面的访问模式和重要性来决定换出哪些页面，以保证系统的性能和可用性。
5. 页面调度算法页面调度算法用于确定哪些页面应该被加载到主存储器中。
常用的页面调度算法有最低频率优先（LFU）、先进先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）等。
第3章 计算机硬件系统 习题与答案
第三章习题（1）复习题1．计算机由哪几部分组成，其中哪些部分组成了中央处理器？答：计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五部分组成其中，运算器和控制器组成中央处理器（CPU）。
（P69）2．试简述计算机多级存储系统的组成及其优点？答：多级存储系统主要包括：高速缓存、主存储器和辅助存储器。
把存储器分为几个层次主要基于下述原因：（1）合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的性能价格比。
（2）使用磁盘、磁带等作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便。
(P74-P75)3．简述Cache的工作原理，说明其作用。
答：Cache的工作原理是基于程序访问的局部性的。
即主存中存储的程序和数据并不是CPU 每时每刻都在访问的，在一段时间内，CPU只访问其一个局部。
这样只要CPU当前访问部分的速度能够与CPU匹配即可，并不需要整个主存的速度都很高。
Cache与虚拟存储器的基本原理相同，都是把信息分成基本的块并通过一定的替换策略，以块为单位，由低一级存储器调入高一级存储器，供CPU使用。
但是，虚拟存储器的替换策略主要由软件实现，而Cache的控制与管理全部由硬件实现。
因此Cache效率高并且其存在和操作对程序员和系统程序员透明，而虚拟存储器中，页面管理虽然对用户透明，但对程序员不透明；段管理对用户可透明也可不透明。
Cache的主要作用是解决了存储器速度与CPU速度不匹配的问题，提高了整个计算机系统的性能。
(P77) 4．描述摩尔定律的内容，并说明其对于计算机的发展具有怎样的指导意义？答：摩尔定律（Moore law）源于1965年戈登·摩尔（GordonMoore，时任英特尔(Intel)公司名誉董事长）的一份关于计算机存储器发展趋势的报告。
根据他对当时掌握的数据资料的整理和分析研究，发现了一个重要的趋势：每一代新芯片大体上包含其前一代产品两倍的容量，新一代芯片的产生是在前一代产生后的18-24个月内。
第三章 存储系统练习题(答案)
24、下列因素中，与Cache的命中率无 关的是 (A) 。 A. 主存的存取时间； B. 块的大小； C. Cache的组织方式； D. Cache的容量。
25、在Cache的地址映射中，若主存中的 任意一块均可映射到Cache内的任意一行 的位置上，则这种方法称为 (A) 。 A.全相联映射； B.直接映射； C.组相联映射； D.混合映射。
38、组成2M × 8bit的内存，可以使用 ( C) 。 A. 1M × 8bit进行并联 ； B. 1M × 4bit 进行串联； C. 2M × 4bit 进行并联； D. 2M × 4bit 进行串联。 39、RAM芯片串联时可以 (B) 。 A. 增加存储器字长； B. 增加存储单元数量； C. 提高存储器速度； D. 降低存储器的平均价格。
I/O3~I/O0
…
……ຫໍສະໝຸດ 第5题图 4片2114的连接
（1）图示的连接组成了几部 分存储区域？共有多大的存储容量？ 字长是多少？ 【解答】 图中组成了两部分存储区域； 容量为2K × 8，即字长8位。 （2）写出每部分存储区域的地址范围。 【解答】 第1、2片2114地址范围是—— FC00H~FFFFH（A15~A10=111111）； 第3、4片2114地址范围是—— 7C00H~7FFFH（A15~A10=011111）。
27、下列说法中正确的是 ( C ) 。 A. 虚拟存储器技术提高了计算机的速度； B. 若主存由两部分组成，容量分别为2n和 2m，则主存地址共需要n+m位； C. 闪存是一种高密度、非易失性的读/写 半导体存储器； D. 存取时间是指连续两次读操作所需最 小时间间隔。
28、下列说法中正确的是 (C) 。 A. 半导体RAM信息可读可写，且断电后 仍能保持记忆； B. 半导体DRAM是易失性的，而SRAM则 不是； C. SRAM只有在电源不掉的时候，所存信 息是不易失的。 29、通常计算机的内存储器可采用 ( A ) 。 A. RAM和ROM； B. ROM； C. RAM。
自考-操作系统概论-第3章 存储管理
重点：各种管理方式下的地址转换；可 变分区方式的主存分配算法以及 移动技术；页式虚拟存储管理的 实现以及页面调度算法
3.1 计算机系统中的存储器 3.2 重定位 3.3 单用户连续存储管理 3.4 固定分区存储管理 3.5 可变分区存储管理 3.6 页式虚拟存储管理
存储器的层次结构：
1、早期的单用户操作系统是（）存储管理功能 2、存储管理是对主存的（）区域进行管理 3、存储管理的目的是（） 4、地址转换的工作是将（） 5、动态重定位是需要由（）来实现 6、经过（），目标程序可以不经过修改而装入物理内 存单元 7、固定分区存储管理中，每个分区的大小是（） 8、碎片是指（），碎片的存在使得（） 9、最容易形成碎片的可变分区分配算法是（） 10、可变分区管理主存时（）程序在主存中不能移动
重定位问题与保护：物理地址和逻辑地址的映射关系
内存空间的扩充,提高主存空间利用率
使用固定分区的形式可以实现内存的扩充吗？
3.4.1 主存空间的分配与回收 3.4.2 地址转换和存储保护 3.4.3 如何提高主存空间的利用率
如何知道那个分区被占用,那个空闲
分区分配表:说明各区的分配和使用情况
分区分配表
操作系统的“合理”性
合理分配内存空间，保证多道程序的顺利运行 合理保护内存空间，防止各种可能的破坏泄漏
操作系统的“有效性”
有效保持内存空间的可用性，防止对资源的浪费 有效实现“小空间大容量”，提高计算机的适应性 有效配合CPU的调度过程，实现系统运行的稳定
内存空间的管理、分配和回收 内存空间的使用情况记录——位图、分配表、分 区表 内存空间的分配与回收——定长与不定长、静态 与动态 内存空间的地址映射（转换） 物理地址与逻辑地址的差别 内存空间的共享和保护 内存共享 内存保护：如何防止地址越界或操作越权？ 内存空间的扩充 虚拟存储：如何使用小内存空间来运行大的程序？
第3章 存储管理(3)答案
第3章 内存管理(3)一、单项选择题1．虚拟存储技术是 。
A ．补充内存物理空问的技术B ．补充相对地址空间的技术C ．扩充外存空问的技术D ．扩充输入输出缓冲区的技术解：虚拟存储技术并没有实际扩充内、外存，而是采用相关技术相对的扩充主存。
本题答案为B 。
2．以下不属于虚拟内存特征的是 。
A ．一次性B ．多次性C ．对换性D ．离散性解：多次性、对换性和离散性都是虚拟内存的特征。
本题答案为A 。
3．虚拟内存的基础是 。
A ．局部性理论B ．代码的顺序执行C ．变量的连续访问D ．指令局部性解：虚拟内存的基础是局部性理论，包括程序执行的局部性和存储空间访问的局部性。
本题答案为A 。
4．实施虚拟存储器管理的依据是程序的 。
A ．局部性原 B ．动态性原理 C ．并发性原 D ．一致性原理 解：同上题说明。
本题答案为A 。
5．实现虚拟内存最主要的技术是 。
A ．整体覆盖 B ．整体对换 C ．部分对换 D ．多道程序设计解：虚拟存储器具有多次性、对换性和虚拟性，而内、外存数据交换(对换)是基础。
本题答案为C 。
6．虚拟存储器是 。
A ．可以容纳总和超过主存容量的多个作业同时运行的一个地址空间B ．可提高计算机运算速度的设备C ．容量扩大了的主存D ．实际上不存在的存储器解：虚拟存储器的最大容量是由计算机的地址结构确定的，可以运行大于实际内存大 小的作业。
本题答案为A 。
7．若处理器有32位地址，则它的虚拟地址空间为 字节。
A ．2GB B ．4GB C ．100KB D ．640KB解：虚拟存储器的最大容量是由计算机的地址结构确定的，其虚拟地址空间=322B=4GB 。
本题答案为B 。
8．设主存容量为1MB ，外存容量为400MB ，计算机系统的地址寄存器有24位，那么虚存的最大容量是 。
A ．1MB B ．401MBC ．1MB+242 B D ．242 B解：虚拟存储器的最大容量是由计算机的地址结构确定的，其虚拟地址空间=242B 。
计算机硬件技术基础(第2版) 习题答案 耿增民 孙思云 第3章 习题答案
第三章习题答案1．名词解释随机存储器：随机存取存储器简称RAM，也叫做读/写存储器，它能够通过指令随机地、个别地对其中各个单元进行读/写操作。
随机存储器中任何一个存储单元都能由CPU或Ｉ/O设备随机存取，且存取时间与存取单元的物理位置无关。
按照存放信息原理的不同，随机存储器又可分为静态和动态两种。
只读存储器：只读存储器是只能随机读出已经存储的信息，但不能写入新的信息的存储器。
位扩展：位扩展是指用多个存储器器件对字长进行扩充。
位数的扩展是利用芯片的并联方式来实现的，各存储芯片地址线、片选端和读写控制线并联，数据端单独引出。
全译码法：除了将低位地址总线直接连至各芯片的地址线外，余下的高位地址总线全部参加译码，译码输出作为各芯片的片选信号。
相联存储器地址映象：地址映像的功能是应用某种函数把CPU发送来的主存地址转换成Cache的地址。
地址映象方式通常采用直接映象、全相联映象、组相联映象三种方式。
Cache：高速缓冲存储器。
虚拟存储器：虚拟存储器（VirtualMemory）又称为虚拟存储系统，是以存储器访问的局部性为基础，建立在主存一辅存物理体系结构上的存储管理技术。
它是为了扩大存储容量，把辅存当作主存使用，在辅助软、硬件的控制下，将主存和辅存的地址空间统一编址，形成个庞大的存储空间。
程序运行时，用户可以访问辅存中的信息，可以使用与访问主存同样的寻址方式，所需要的程序和数据由辅助软件和硬件自动调入主存，这个扩大了的存储空间，就称为虚拟存储器。
存储器带宽：内存储器每秒钟访问二进制位的数目称为存储器带宽，用Bm表示。
它标明了一个存储器在单位时间内处理信息的能力。
存取时间存取时间又称存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间。
逻辑地址：用户可以像使用内存一样利用虚拟存储器的辅存部分。
编程时，涉及辅存大小的空间范围的指令地址称为“虚地址（Virtual Address）”或“逻辑地址”。
物理地址：实际的主存储器单元地址则称为“实地址”或“物理地址（Physical Address）。
计算机组成原理试读稿_第3章存储器系统的层次结构_(初稿)【王道考研系列】2012计算机考研
大纲内容
（待补充）
已考真题分布
（待补充）
3.1 存储器的分类 3.1.1 考点精析
1. 存储器的分类（★）
存储器种类繁多，可以从不同的角度对存储器进行分类。 （1）按在计算机中的作用（层次）分类 1）主存储器：简称主存，又称内存储器（内存），用来存放计算机运行期间所需的大 量程序和数据，CPU可以直接随机地对其进行访问，也可以和高速缓冲存储器（Cache）以 及辅助存储器交换数据。其特点是容量较小、存取速度较快、每位价格较高。 2）辅助存储器：简称辅存，又称外存储器（外存），是主存储器的后援存储器，用来 存放当前暂时不用的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息，它不能与 CPU 直接交 换信息。其特点是容量极大、存取速度较慢、单位成本低。 3）高速缓冲存储器：简称Cache，位于主存和CPU之间，用来存放正在执行的程序段和 数据，以便CPU能高速地使用它们。Cache的存取速度可以与CPU的速度相匹配，但存储容量 小、价格高。目前的高档微机通常将它们或它们的一部分制作在CPU芯片中。 （2）按存储介质分类 按存储介质可分为磁表面存储器（磁盘、磁带）、半导体存储器（MOS 型存储器、双 极型存储器）和光存储器。 （3）按存取方式分类 1）随机存储器（RAM）：存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存 取时间与存储单元的物理位置无关。其优点是读写方便、使用灵活，主要用做主存或高速缓 冲存储器。 2）只读存储器（ROM）：存储器的内容只能随机读出而不能写入。信息一旦写入存储 器就固定不变了，即使断电，内容也不会丢失。因此，通常用它存放固定不变的程序、常数 和汉字字库，甚至用于操作系统的固化。它与随机存储器可共同作为主存的一部分，统一 构成主存的地址域。
第三章 存储系统
存储系统一、选择1、设机器字长为32位，一个容量为16MB的存储器，CPU按半字寻址，其可寻址的单元数是2、若某存储器存储周期为250ns，每次读出16位，则该存储器的数据传输率是3、设机器字长为64位，存储容量为128MB，若按字编址，它可寻址的单元个数是4、在Cache和主存构成的两级存储体系中，主存与Cache同时访问，Cache的存取时间是100ns，主存的存取时间是1000ns，如果希望有效（平均）存取时间不超过Cache存取时间的115%，则Cache的命中率至少应为5、某一SRAM芯片，其容量为1024×8位，除电源和接地端外，该芯片的引脚的最小数目为6、某一DRAM芯片，采用地址复用技术，其容量为1024×8位，除电源和接地端外，该芯片的引脚的最少数目为7、某存储器容量为32K×16位，则（）8、A.地址线为16根，数据线为32根B. 地址线为32根，数据线为16根C.址线线为15根，数据线为16根D. 地址线为15根，数据线为32根9、若RAM中每个存储单元为16位，则下面所述正确的是（）A.地址线也是16根B.地址线与16无关C.地址线与16有关D.地址线不得少于16根10、下面有关DRAM和SRAM存储芯片的叙述，通常情况下，错误的是（）A.DRAM芯片的集成度比SRAM高B.DRAM芯片的成本比SRAM高C.DRAM芯片的速度比SRAM快D.DRAM芯片工作时需要刷新，SRAM芯片工作时不需要刷新11、某SARM芯片，其存储容量为512×8位，包括电源端和接电线，该芯片引出线的数目应为12、在存储器芯片中，地址译码采用双译码方式是为了13、在1K×1位的存储芯片中，采用双译码方式，译码器的输出信号有条。
14、若存储周期为250ns，每次读出16位，则该存储器的数据传输率为15、若数据在存储器中采用以低字节地址为字地址的存放方式，则十六进制数12345678H的存储自己顺序按地址由小到大依次是16、某计算机字长为32位，存储器容量为16MB，CPU按半字寻址，其可寻址的单元数是17、某计算机字长为32位，存储器容量为4MB，CPU按字寻址，其寻址范围是0到18、某计算机字长为16位，存储器容量为256KB，CPU按字节寻址，其寻址范围是19、某计算机字长为16位，存储器容量为256KB，CPU按字寻址，其寻址范围是20、某计算机字长为16位，存储器容量为64KB，CPU按字寻址，其可寻址得21、某计算机字长为32位，存储器容量为256KB，CPU按字寻址，其可寻址的单元数是22、4个16K×8位的存储芯片，可设计为容量的存储器。
[操作系统]第3章 存储管理
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3.3.2 可变分区管理
1. 可变分区概念 可变分区/动态分区，与固定分区有三点不同： 1）分区的建立时刻 可变分区：在系统运行过程中，在作业装入时动态建立 固定分区：系统初启时建立。 2）分区的大小 可变分区：根据作业对内存的需求量而分配。 固定分区：事先设定，固定不变。 3）分区的个数 可变分区：变化不定。 固定分区：固定不变。
第3章 存储管理 章
本章研究的主要目的： 第一、要使主存得到充分、有效的利用； 第二、为用户提供方便的使用环境。
第3章 存储管理 章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 概述 地址映射 分区管理 覆盖与交换 分页管理 分段管理 段页式管理 虚拟存储器管理
3.1 概述
存储器分类
作业调度时，根据内存需求，按一定的分区分 配算法，在PDT中查找空闲区，若满足，则进 行分配，并置该分区状态为1，表明已被占用。 作业执行完，回收内存时，回收的分区状态置 0，等待重新分配。
固定分区存在问题
简单易行但存在下列问题： 碎片 可接纳的作业大小受分区大小的限制 一般用在作业大小预先知道的专用系统中。
空白区表中的空白区按其容量以递减的次序排 列。查找分区说明表，找到第一个满足申请长 度的空闲区，分配并分割。剩余部分插入适当 位置。 最差适应算法：分割大空闲区后，还可以产生 较大的空闲区，空闲区均匀地减小，以避免碎 片。
④ 唯一最佳适应算法（single best fit） 分区按大小顺序分级（8KB、16KB、32 KB、…… ） 作业按请求容量也分成相应的存储级，仅当 PDT中相应级的分区为空闲时，才进行内存 分配，即使有更大的分区空闲也不予以分配。
分配策略/算法
① 首次/最先适应First fit：
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
12
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
13
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
……
11
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
14
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）
408计算机组成原理计组存储器真题
知识点概括
1.存储器的分类
2.层次化存储器的基本结构
局部性原理
3.半导体随机存取存储器(1) SRAM; (2) DRAM; (3) Flash.
4.主存储器(1) DRAM芯片; (2) 多模块存储器; (3) 主存与CPU的连
接.
5.外部存储器(1) 磁盘存储器；(2) 固态硬盘SSD.
6.高速缓冲存储器(1) Cache基本原理; (2) Cache与主存之间的映射; (3) Cache中主存块的替换算法；(4) Cache写策略.
7.虚拟存储器
(1) 虚拟存储器的基本概念; (2) 页式虚拟存储器; (3)段
式虚拟存储器；(4)段页式虚拟存储器.
第三章存储器层次结构
1.存储器的分类
2.层次化存储器的
基本结构
调节CPU 和主存间读取速度不匹配的问题缓存CPU 主存辅存
10 ns 20 ns 200 ns ms
增拓主存容量两级存储：
⚫主存-辅存
⚫缓存-主存
局部性原理
⚫RAM⚫ROM
地址复用。
虚拟存储器
虚拟存储器
虚拟出一个容量极大的内存储器
01 作用
目录
02 设置
03 调整分页位置
04 使用技巧
05 相关
பைடு நூலகம்
06 替换方法
07 虚实地址
09 页式调度 011 段页式调度
目录
08 异构体系 010 段式调度 012 变换算法
虚拟存储器(Virtual Memory)：在具有层次结构存储器的计算机系统中，自动实现部分装入和部分替换功能， 能从逻辑上为用户提供一个比物理贮存容量大得多，可寻址的“主存储器”。虚拟存储区的容量与物理主存大小 无关，而受限于计算机的地址结构和可用磁盘容量。根据所用的存储器映像算法，虚拟存储器管理方式主要有段 式、页式、和段页式三种。
虚拟存储器(2)单独建立一个空白分区，在该分区设置虚拟内存，其最小值设置为物理内存的1.5倍，最大值 设置为物理内存的3倍，该分区专门用来存储页面文件，不要再存放其它任何文件。
相关
虚拟存储器
virtual memory
为了给用户提供更大的随机存取空间而采用的一种存储技术。它将内存与外存结合使用，好像有一个容量极 大的内存储器，工作速度接近于主存，每位成本又与辅存相近，在整机形成多层次存储系统。
如果你的硬盘够大，那就请你打开”控制面板“中的“系统”，在“性能”选项中打开“虚拟内存”，选择 第二项：用户自己设定虚拟内存设置，指向一个较少用的硬盘，并把最大值和最小值都设定为一个固定值，大小 为物理内存的2倍左右。这样，虚拟存储器在使用硬盘时，就不用迁就其忽大忽小的差别，而将固定的空间作为虚 拟内存，加快存取速度。虚拟内存的设置最好在“磁盘碎片整理”之后进行，这样虚拟内存就分布在一个连续的、 无碎片文件的空间上，可以更好的发挥作用。
第3章存储系统习题-文档资料
2. 每个模块内共有多少片RAM芯片？
3. 主存共需多少RAM芯片？CPU如何选择个模块条？ 【解】 1. 由于主存地址码给定 18 位，所以最大存储空间为218 ， 主存的最大容量为 256K B；而每个模块条的存储容量 为 32K ，故需要 8 个模块条。 2. 因为使用4K×4位的芯片，所以模块内需要芯片 16 片。 模块内采用 字位同时 扩展方式。 3. 主存共需要 128 RAM芯片。
字长 8 位，所以数据线有 8 根， 加上控制线 片选 信号和 读写 信号，电源线和地线，
所以该芯片引出线的最小数目应为 26 2. 地址范围为 0000 H~ 3FFF H。 根。
【第二题】模块化存储器设计。已知某8位机的主存采用半导 体存储器，地址码为18位，若使用4K×4位RAM芯片组成该 机所允许的最大主存空间，并选用模块条的形式，问： 1. 若每个模块条为32K×8位，共需几个模块条？
32K×8位的模块条的构成：
模块条内使用16个4K×4位的RAM芯片拼成8组4K×8位， 地址码的低12位(A0~A11)直接接到芯片地址输入端， 地址码的高3位(A14~A12)通过3:8译码器输出，分别接到8组 芯片的选片端。
WE D3~D0 D7~D4 4K×4 4K×4 4K×4 4K×4
一、填空
计算机中的存储器是用来存放 程序和数据 的。
存储器系统的层次结构是为了使整个计算机的存储系 统在 容量和价格 上接近最外层的存储器，在 性能 上 接近最里层的存储器。 对DRAM进行操作，有 读、写和刷新 三种操作类型。
平衡CPU的执行速度和主存的存 cache的目的是 取速度不匹配的矛盾 。
• DRAM——动态随机存储器
• ROM——只读存储器
计算机组成原理课件——第3章 存储系统1
11
存储器分类图
双极型半导体存储器 RAM MOS存储器（静态、动态） 主存 PROM ROM EPROM，EEPROM MROM 存储器 快擦型存储器（Flash） 磁盘 辅存磁带 光盘 缓冲存储器
位线D 行地址 选择 列地址 选择
列选高电平
T7、T8导通
A T5
T1 T4
~
B T6
位线D
写选择高电平
DIN 写放T7 T5 A DIN 写放(非) T8 T6 B
T7
T8
读放大器
写放大器
写放大器
DOUT
DIN
计算机学院体系结构中心
写选择
读选择
35
SRAM存储器的结构
Data Bus k位 Address Bus n位
CPU
Read Write Ready
计算机学院体系结构中心
Main Memory 主 存
7
存储器分类（1）
按照存储介质 半导体存储器，磁介质存储器，光存储器 按照存储器与CPU的耦合程度 内存（主存＋cache），外存 按存储器的读写功能 读写存储器（RWM, Read/Write Memory）， 只读存储器（ROM，Read-Only Memory） 按掉电后存储的信息可否保持 易失性（挥发性）存储器， 非易失性（不挥发）存储器
D 7 0 1
D DD 2 1 0
…… …… N-1
计算机学院体系结构中心
20
内存的主要技术指标（1）
存储容量
存储器可存储的信息的字节数或比特数 通常表示为
存储字数 × 存储字长 （存储单元数） （每单元的比特数） 例：1M bit 比特的存储器可以组织成 1M×1比特，记为：1Mb 128K×8比特，记为：128KB 256K×4比特
计算机组成原理(第三版)第 3 章 存储器及存储系统
16
3.2 主存储器
• 主存储器按其功能可分为RAM和 ROM。
一 二 随机存取存储器RAM 只读存储器ROM
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17
一、随机存取存储器RAM
MM
Y0
Bm-1
Y1
……
B0
An-1…A0
M A R
M A D
…
Y2n-2
Y2n-1
…
CS
WE
R/W读写 控制电路
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三、存储器的层次结构
1.分级原理： 根据程序执行的集中性和局部性原理而构建的分层结构。信 息流动分规律为从低速、大容量层次向高速、小容量层次流动 ，解决速度、价格、价格这三者之间的矛盾，层次间信息块的 调度由硬件和软件自动完成，其过程对用户透明。 2.三级存储管理系统： • Cache： • ·采用TTL工艺的SRAM，哈佛结构； • ·采用MOS工艺的SRAM，指令与数据混存，其与内存之间信息块 的调度（几十字节）全由Cache控制器硬件完成。 • 主存： • ·ROM常用FROM，E2PROM等构成； • ·RAM常用DRAM构成，RAM和ROM采用统一编码。 • 虚存： • 采用磁盘存储器，主存+OS中的存储器管理软件联合构成，其 信息块常用页、段表示，其间的信息块调度由管理软件完成。
字线
数 据 线 Cd
T
C
单管MOS动态存储器结构
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（2）DRAM存储器
RAS CAS WE OE 定时和控制
4M×4位的DRAM
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二、 Cache及特点
•位于CPU与主存之间； •Cache容量小于主存容量； •Cache速度比主存速度快5~10倍 •Cache由快速半导体元件构成
(高速SRAM芯片) •Cache是主存部分内容的复制全部功能由 硬件实现,对程序员来说, Cache是透明的.
三、Cache存储器的构成
了解构成及工作原理必须首先了解“块”的概 念。
全相联映射
11位
主存块号
主存地址 9位
块内地址
相联存储器
0000 主存块号 0001
比较
1111 11位
Cache 块0 块1
块15
4位
9位
Cache块号 块内地址
Cache地址主存 块0 Nhomakorabea1块2047
2.直接映象 主存第j块和Cache第i块有如下函数关系:
i= j mod m (m为Cache中总块数)
3、组相联映象
Cache与主存均分组，主存再分区，主存中任一区 的某一组号与Cache的相应组号有固定的映象关系 (组间直接映射)，但主存组内的块可自由映象到对 应的Cache组中任一块(组内全相联映射)
第三章 存储系统
•存储器概述 •随机读写存储器RAM •半导体只读存储器ROM •高速存储器 •cache存储器 •虚拟存储器
3.5 Cache 存储器
何谓程序访问的局部性原则？
程序对存储空间90%的访问局限于存储 空间的10%区域中，而另外10%的访问 则分布在存储空间其余90%的区域中， 这即为访存局部性规律。
Cache存储器中，把cache和主存各分成若干块。 主存与cache中块的数目不同但块的大小相等。 块的大小通常以在主存的一个读/写周期中能访 问的数据长度为限，常为几十字节。
1、Cache的基本工作原理
AB
CPU
主存 地址 寄存
器
MA
未满
不 已满 替换算法控制部件
命
中
(块)
主存— Cache Cache 地址变换 命 地址 机构 中 寄存器
8KB,划分为16块,每块512B
块
字0 字1
m位 Cache
标记 块0 标记 块1
主存
块0 块1
…
字511
标记 块15
块2047
1.全相联映射方式
允许主存中的每一个字块映象到Cache的任何一个字块位置上
Cache 块0 块1
块15
主存
块0 块1
块2047
优点:块冲突概率最低,只有当Cache中全部装满后,才有可能出现 块冲突,灵活 缺点:查找时间长,速度慢
4
16 18
块号 0
16 1
块分配＃1 情况
6
＃2
2 26 26 2 2
16 1 6
26 1
＃ 3
6
66
8
＃ 4
444
＃5
＃ 6
22
22 22
22 22 22 22 22
＃ 7
＃
操作 调 调 命 命 调 调 命 替
状态 进 进 中 中 进 进 中 换
作业
设有一个Cache的容量为2K字,每块16字,求: (1)该Cache可容纳多少个块? (2)如果主存的容量为256K字,则有多少个块? (3)在直接映象方式下,主存的地址格式? Cache的地址格式? (4)在直接映象方式下,主存中的第I块映象到 Cache中哪一块?
..
主存
块0 块1
块15 块0 块1
块15
0组 1组
…
.. … ..
127组
块15
例:设一个Cache中有8个块,访问主存进行读操作的块地址序列为
22、26、22、26、16、4、16、18，求每次访问后Cache中的
内容
直接映象下Cache访问情况
地址 22 26 22 26
命中与否 不命中 不命中
(3)当不命中时,CPU转去直接访问主存,若为读操作,CPU从主 存读取信息的同时,Cache控制部件把该地址所在那块存储内容 从主存一次调进Cache存储器.不命中时,若为写操作,许多计算机 系统只向主存写信息,不必同时把这个地址所在的整块存储内容 再调入Cache中.
注意:CPU与Cache之间的数据交换是以字为单位;而Cache 与主存之间的数据交换是以块为单位.
3.5.2 主存与cache的地址映射（映象）和地址变换
地址映象:将主存块按照某种规则或方法装入或定位在Cache中。
地址变换:是将主存地址变换成Cache地址，从而访问Cache。
在高速缓冲存储器当中,把Cache和主存机械等分为相同大小的块,每 一块是由若干个字(或字节)组成.
例：某机主存容量为1MB,划分为2048块,每块512B; Cache容量为
3.5.1 Cache 基本原理
解决CPU和主存之间速度不匹配采用的一项重要技术
一、Cache的工作机制
Cache的工作机制基于程序访问的局部性原则。一个 运行程序的代码大都顺序存放在地址连续的存储器中， 与程序相关的数据在存储器中也相对集中。所以程序 运行时，尤其有循环程序和子程序时，在较短时间区 间内，常会对局部范围的存储器频繁访问，而此范围 之外的地址访问甚少。这种现象称为程序访问的局部 性。把局部范围的主存内容从主存放到一个高速小容 量存储器中，使CPU在这一段时间内直接访问它，以 减少或不去访问慢速的主存，程序运行速度明显提高。
主存
Cache 块0 块1
块15
块0
块1
0组
..
块15
块0
块1
1组
块15
…
.. … ..
优点:硬件简单,成本低 缺点:块冲突率很高
127组
块15
直接映象
主存地址
主存组号
块号
7位
4位
9位 块内地址
比较 存储器 0000 主存组号 0001
1111
Cache 块0 块1
块15
7位
9位
块号
4位
块内地址
Cache地址
命中 命中
地址转换关系 22 MOD 8=6 26 MOD 8=2 22 MOD 8=6 26 MOD 8=2
16
不命中
16 MOD 8=0
4
不命中
4 MOD 8=4
16
命中
16 MOD 8=0
18
不命中
18 MOD 8=2
直接映象的块分配情况
访问顺序 1
23
4
5
6
7
8
地址 22 26 22
26
16
多主
字
宽存
Cache 存储器
DB
单字宽
2.Cache的工作过程
(1)CPU送出访问单元的地址由AB打入Cache存储器的MA,由 主存-Cache地址变换机构判断该单元内容是否已在Cache中存 有副本,如果副本已在Cache中,称为命中;否则,称为不命中.
(2)当命中时,把访问地址变换为它在Cache的地址,然后驱动 Cache存储体,当是读操作时,CPU从Cache中直接读取信息,若 为写操作,应注意Cache与主存数据的一致性