最新存储器系统

存储器系统

3．2 存储器系统

3．2．1主要知识点

掌握各类存储器的功能、特性和使用，重点把握虚拟存储器、Cache（高速缓冲存储器）和多级存储器的有关内容。

3．2．1．1RAID存储器

廉价磁盘冗余阵列RAID，用多个较小的磁盘驱动器替换单一的大容量磁盘驱动器，同时合理地在多个磁盘上分布存放数据以支持同时从多个磁盘进行读写，从而改善了系统的I/O性能。RAID机制中共分6个级别，工业界公认的标准分别为RAID0～RAID5，其共同特征是：①RAID由若干个物理驱动器组成，但对操作系统而言仍是一个逻辑驱动器；②数据分布在阵列中多个驱动器上；③冗余的磁盘容量用以保存奇偶信息，以便在磁盘失效时进行恢复（只有RAID0不支持该特征）。

RAID应用的主要技术有：①分块技术。对主机请求读定的数据进行分块，使之分布于多台磁盘上。②交叉技术。对存放在多台磁盘上数据的读写，采取交叉方式进行。③重聚技术。对多台磁盘上下班存储空间进行重新编址，使数据按重新编址后的空间进行存放。

RAID0级（无冗余和无校验的数据分块）：具有最高的磁盘空间利用率，易管理，但系统的故障率高，属于非冗余系统。

RADI1级（磁盘镜像阵列）：由磁盘对组成，每一个工作盘都有其对应的镜像盘，上面保存着与工作盘完全相同的数据拷贝，具有最高的安全性，但磁盘空间利用率只有50%。

RAID2级（采用纠错海明码的磁盘阵列）：采用了海明码纠错技术，用户需增加校验盘来提供单纠错和双验错功能。对数据的访问涉及到阵列中的每一个盘。大量数据传输出时I/O性能较高，但不利于小批量数据传输，实际应用中很少使用。

RAID3和RAID4级（采用奇偶校验码的磁盘阵列）：把奇偶校验码存入在一个别独立的校验盘上。如果一个盘失效，其上的数据可以通过对其他盘上的数据进行异或运算得到。读者数据很快，但因为写入数据时要计算校验收位，速度较慢。

RAID5（无独立校验盘时的奇偶校验磁盘阵列）：与RAID4类似，但没有独立的校验盘，校验信息分布在组内所有盘上，对于大、小批量数据读写性能都很好。RAID4和RAID5使用了独立存取技术，阵列中每一个磁盘都相互独立地操作，所以I/O请求可以并行处理。

3．2．1．2Cache存储器

通常在CPU和主存储器之间设置小容量的高速存储器Cache.Cache容量小但速度愉，主存储器速度较低但容量大。，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，其存储系统容量与主存相当，而访问速度近似Cache。在计算机的存储系统体系中，Cache是访问速度最快的层次。

使用Cache改善系统改性能的依据是程序的局部性原理，即程序的地址访问流有很强的时序相关性，未来的访问模式与最近已发生的访问模式相似。依据局部性原理，把主存储器中访问概率高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取数据时就首先在Cache中查找是否有所需内容。如果有则直接从Cache中读取；若没有再从主存中读取该数据，然后同时送往CPU和Cache。

Cache 存储器的组织结构与主存储器不一样，它以行作为基本单元/每一行又分为标志和数据域两部分，数据域中存放着若干项数据，而标志项是是这一块数据的地址标识。

当CPU发出对存储器的读命令后，其访问地址先送给Cache控制器，Cache检查其地址标识符目录以确定是否匹配项。若发现匹配项（命中），则根据其访问地址确定是对该行数据埠中的第几项进行读取，然后该项即进入Cache的数据寄存器。如果没有命中，则到主存器读取数据。

当CPU发出访存请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中，若命中则直接对Cache进行访问，这个过程称为Cache的地址映射（Mapping）。常见映射方法有直接映射、相联映射和组成映射。

当Cache存储器产生了一次访问合职之后，相应的数据应同时读入CPU和Cache。但是当Cache。但是当Cache已存满数据后，新数据和须淘汰Cache的地址映射（Mapping）。常见的映射方法有直接映射、相当映射和组相联映射。

当Cache存储器产生了一次访问未命中之后，相应的数据应同时读入CPU和Cache。但是当Cache已存满数据后，新数据必须淘汰Cache中的某些旧数据。最常用的淘汰算法有随机淘汰法、先进先出法（FIFO）和近期最少使用淘汰法（LRU）。

3．2．1．3虚拟存储器

计算机里的程序和数据通常都存放在外存储器（辅助存储器）上，直到CPU需要的才调入到主存储器中。虚拟存储系统的作用是给程序员一个更大的"虚拟"的存储空间，其容量可远远超过主存储器的容量，而与辅助存储器容量相当。

在使用虚拟存储器体系的系统中，由程序（CPU）使用的访存地址称为虚拟地直，程序（CPU）直接访问的存储空间称为虚拟地址空间，而主存储器的地址则称为物理地。通常虚拟地直空间远远大小主存储器容量。

3．2．2试题解析

在硬件基础知识部分，存储器系统始终是考查的重点。从历年试题统计（见表3-3）来看，考查的内容主要集中在Cache、虚拟存储器和RAID磁盘阵列。

试题1 （2000年试题10）

从供选择的答案中选出应填入下面叙述中的{ }内的正确答案,把编号写在答卷的对应栏内.

假设某计算机具有1MB的内存（目前使用计算机往往具有64MB以上的内存），并按字节编址，为了能存取该内存各地址的内容，其地址寄存器至少需要二进制 A 位。为了使4字节组成的字能从存储器中一次读出，要求存放在存储器中的字边界对齐，一个字节的地址码应 B 。若存储器周期为200ns，且每个周期可访问4个字节，则该存储器带宽为 C bit/s。假如程序员可用的存储空间为4MB，则程序员所、用的地址为 D ，而真正访问内存的地址称为 E 。

A：①10 ②16 ③20 ④32

B：①最低两位为00 ②最低两位为10 ③最高两位为00 ④最高两位为10

C：①20M ②40M ③80M ④160M

D：①有效地址②程序地址③逻辑地址④物理地址

E：①指令地址②物理地址③内存地址④数据地址

[解析]

这是一道关于内存的计算题。

1M=220，故1MB内存按字节编址（即寻找空间为1M），地址寄存器至少需要20位。

如果采用字节编址，4字节一次读出，即字长为32位，每个字有4个单独编址的存储字节，字地址是该字高位字节的地址，总是等于4的倍数，正好用地址码的最低两位（为0）来区分同一字的4个字节。

若存储周期为200ns，每个周期可访问4个字节，其带宽为：

（1/200×10-9）×4=20×106（字节/秒）=160M（位/秒）

因为可用的4M内存空间超大型出了实际的物理内存1M，称为逻辑地址，实际访问内存的地址为物理地址。

[答案]A：③ B：① C：④ D：③ E：②

试题2 （1999年试题9）

从供选择的答案中选出应填入下面叙述中的{ }内的正确答案,把编号写在答卷的对应栏内.

用作存储器的芯片有不同的类型。

可随机读写，且只要不断电则基本存储信息就可一直保存的，称为 A 。

可随机读写，但即便在不断电的情况下其存储的信息也要定时刷新才不致丢失失的，称为 B 。

所存信息由生产厂家用来掩膜技术写好后就无法再改变的称为 C 。

通过紫外线照射后可擦除所有信息，然后重新写入新的信息并要可多次进行的，称为 D 。

通过电信号可在数秒钟内快速删除全部信息，但不能进行字节级别删除操作的。称为 E 。