计算机系统结构第四章

2014年1月11日7时41分
第四章
存储体系
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二、虚拟存贮器——段式存贮管理
根据所用的存贮映象算法不同，虚拟存贮器可以有段式、页式和段页式三 种不同的存贮管理方式。
1 段式存贮管理方式：
在系统工作时，根据所给的某道程序虚地址，由该道程序的程序号经硬 件自动到段表基址寄存器组中取出相应该程序的段表起始地址。将段表起始 地址与程序地址中给出的段号相加后，到该程序段表中读出相应行中的装入 位。若装入位为“0”，就发生段失效故障。此时，程序自动换道，由I/O处 理机去调段，而CPU转去执行另一道程序。若装入位为“1”，就读出段映 象表中该行的地址字段的值。将此地址字段的值与程序虚地址的段内位移相 加，就形成访存的物理地址。按此物理地址就可以访问所需要的物理存贮单 元。利用段表中的段长字段可以判断出该段的地址是否越界。利用段表中的 访问方式字段可以判断出这次访问是否会发生访问方式保护。
C1、SM1、T1 C2、SM2、T2
M1
C、SM、T
M2
6 存储体系的性能参数 C=（C1SM1+C2SM2）/（SM1+SM2） T=HT1+（1-H）T2
在设计存贮体系时，需要在选择高命中率的算法、层次化 相邻两级存贮器之间的容量差和速度差，以及所增设的辅助软 硬件价格等多个因素之间进行综合权衡。
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
单体单字 单体多字 多体单字
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
单体单字 单体多字 多体单字
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
单体单字 单体多字 多体单字
BM=W/TM
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
单体单字 单体多字 多体单字
BM=W/TM
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
单体单字 单体多字 多体单字
BM=W/TM
BM=4W/TM
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二、虚拟存贮器——段式存贮管理
将程序按逻辑意义分成段，各段顺序编号；各段程序都以 该段的起点为0相对编址。
设置段表，程序分几段，段表有几行，行与段顺序对应； 地址字段记录、装入位、段长。 如果系统有N道程序，就有N个段映象表。用N个段表基 址寄存器分别记录各道程序的段表在主存中的起始地址。
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二、虚拟存贮器——地址映象与变换
页面失效：CPU按虚地址访存时未找到所需的程序页，称为页 面失效。 页面争用：两个以上的虚页要想进入主存中同一个实页位置时， 就会产生实页冲突，或称发生了页面争用。
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二、虚拟存贮器——页式存贮管理
将程序和内存分称大小相等的页，分别按页顺序编号；虚 页号和实页号。让程序的起点必须处在主存中某一个页面位置 的起点上。 设置页表，程序分几页，页表有几行，行与页顺序对应； 虚页号、实页号、装入位。 如果系统有N道程序，就有N个页映象表。用N个页表基址 寄存器分别记录各道程序的页表在主存中的起始地址。
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
1 存贮系统的基本要求 对存贮系统的基本要求是：大容量、高速度、低价格。 存储器容量SM=W·L·m 存储器速度可以用存储周期TM和频宽Bm来描述。 TM是存贮器连续访问时所需要的间隔时间；
Bm是指存贮器连续访问时能提供的数据传送速率：
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
单体多字 单体多字存储器主要缺点：
（访问冲突大）
1）取指冲突； 2）读操作数冲突； 3）写数据冲突； 4）读写冲突；
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
单体多字存储器与多体单字存储器的区别：
1）前者并行读出的数据其地址必须是连续的且在同一单元内；
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
7 存贮体系依据于程序的局部性 程序的局部性表现在 时间和空间两个方面。时间上的局部 性是因为程序存在着循环。空间上的局部性是因为程序中大 部分指令是顺序存贮和顺序被取出来执行的，数据一般也是 以向量、数组、树、表等形式簇聚地存贮在一起的。最近的 未来要用的指令和数据大多局限于正在用的指令和数据，或 是与这些指令和数据位置上邻近的单元。这样，就可以把目 前常用或将要用到的信息预先放在容量较小的第一级存贮器 M1中，从而使CPU的访问速度可接近于M1的。
2）后者并行读出的数据可以分属不同的分体，地址无需连续， 因为每个存储体均有自己的地址译码、读写驱动等外围电路。
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
4 并行主存系统的局限性
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二、虚拟存贮器——地址映象与变换
全相联映象：让每道程序的任何一个虚页均可以映象装入到主 存中任何一个实页位置上。 地址映象：建立虚页和实页的对应关系； 地址变换：根据多用户虚地址计算实地址。
实地址=实页号*每页字数+页内偏移
虚页号=Int（虚地址/每页字数） 页内偏移=Mod（虚地址，每页字数）
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二、虚拟存贮器——段式存贮管理
段表
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二、虚拟存贮器——段式存贮管理
段式存贮管理方式为了对实主存的空间进行分配和回收，
段式存贮器需要为操作系统配备一个实主存空间管理表，进行
存贮管理。它包括占用区域表和可用区域表两部分。在分配主 存空间时，可采用下述两种方法：
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二、虚拟存贮器——页式存贮管理
页表
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二、虚拟存贮器——页式存贮管理
页式存贮管理的优点：
所用映象表的硬件量少；
地址变换的速度快； 主存空间的分配和管理简便得多。 页式存贮管理最主要的不足是：缺乏段式存贮管理的优点。 结论：页式存贮管理在实际中使用较多。将段式存贮管理和页 式存贮管理加以结合，取长补短，引出了段页式的存贮管理。
Bm=W·m/ TM
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
2 发展存储体系的必要性 存在的问题： 1） 容量增大，速度会下降，价格会升高； 2）速度升高，价格也会升高。 解决问题的思路：
1）改进工艺、提高技术、降低成本；
2）配置多种性能价格不同的存贮器组成系统，使所有信息以 各种方式分布于不同的存储器上。
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二、虚拟存贮器——段式存贮管理
段式存贮管理的优点是： 支持了程序的模块化设计和并行编程的要求，缩短了程序 的编制时间； 各个程序段的修改相互不会有影响； 便于多道程序共享主存中某些段，不必将它们在物理主存 中重复存放； 段式存贮管理最主要的问题是： 段映象表机构太庞大，其地址字段和段长字段都太长； 查表进行地址变换的速度太慢； 对主存各区域的存贮管理十分麻烦； 存贮器内部的段间零头浪费大，有时难以利用。 结论：单纯的段式存贮管理在实际的系统中无法采用。
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
8 存贮体系的透明性
虚拟存贮器和Cache存贮器对应用程序员都是透明的，不 需要对应用程序做任何修改就可以在系统上运行。由于CPU 与主存的速度差只有一个数量级，主存与辅存之间的速度差 却有3至4个数量级，所以，Cache存贮器只能全部采用硬件 来实现。这样，Cache存贮器对系统程序员也是透明的，操 作系统不参予对Cache存贮器的管理。而在虚拟存贮器中， 为了降低系统的成本，让不少功能依靠操作系统中的虚拟存 贮管理软件来实现。因此，虚拟存贮器对系统程序员则是不 透明的。
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
单体单字 单体多字 多体单字
BM=W/TM
BM=4W/TM
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
单体单字 单体多字 多体单字
BM=W/TM
BM=4W/TM
BM=Hale Waihona Puke BaiduW/TM
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二、虚拟存贮器——段式存贮管理
首先分配法：扫描可用区域表，找到可用区域立即分配；
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二、虚拟存贮器——段式存贮管理
最佳分配法：扫描全部可用区域表，分配找到可用区域，使
的分配后段间可用区零头最小；
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
主存
辅存
虚拟存贮器是从主存容量满足不了要求提出来的。在 主存和辅存之间，增加辅助的软硬件，让它们构成一个整
体。从CPU看，速度接近于主存的，容量是辅存的，每位
价格接近于辅存的。
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第四章
存储体系
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本章的基本要求 虚拟存储器的基本要求：
理解虚拟存贮器的工作原理； 掌握页式虚拟存贮器的虚、实地址字段对应关系和地址映
象规则。
熟练掌握在页式虚拟存贮器中，页面装入和替换的过程，
并能计算出页面命中率。
理解堆栈型替换算法的定义。 领会在虚拟存贮器中对页面失效的处理及内部地址映象表
主要缺点：分体冲突；
5 存储体系的形成与分支 所谓存贮体系指的是构成存贮系统的n种不同的存贮器 (M1~Mn)之间，配上辅助软硬件或辅助硬件，使之从应用程 序员来看，他们在逻辑上是一个整体。让存贮层次的等效访问 速度接近于最高层M1的，容量是最低层 Mn 的，每位价格是 接近于 Mn 的。典型的两级存贮体系是虚拟存贮器和Cache存 贮器。
第四章 存储体系
概
本章着重讲述
述
存贮体系的基本概念 并行主存系统的组成 虚拟存贮器的原理 Cache存贮器的原理
虚实地址的映象和变换
替换算法 影响性能的因素分析及软硬件功能分配中的某些问题
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第四章
存储体系
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本章的基本要求
并行主存系统的基本要求：
领会发展存贮体系的必要性及存贮体系的两个分支。 了解并行主存系统的各种组织形式。 掌握并行主存系统的极限频宽和实际频宽的关系与计算。 领会并行主存局限性以及发展存贮体系的必要性。 了解有关存贮体系的性能参数及相关结论。
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
Cache
主存
Cache存贮器是从主存速度满足不了要求提出来的。在物 理Cache和主存之间，加设辅助硬件，让它们构成一个整
体。从CPU看，速度接近于物理Cache的，容量是主存的，
每位价格接近于主存的。
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一、存贮体系的概念与并行主存系统
中的快慢表机构。
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本章的基本要求
高速缓存存储器的基本要求：
了解Cache存贮器的组成、工作原理。
掌握Cache存贮器中的组相联地址映象规则，相应的映 象表机构和虚、实地址变换过程。
给出主存的块地址流后，采用组相联或直接映象、LRU 或FIFO替换算法时，能 熟练画出各主存块装入Cache 和其被替换的过程示意图，并计算出Cache块的命中率。
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二、虚拟存贮器——段页式存贮管理
3段页式存贮管理方式： 分主存为大小相等的页，并顺 序编号； 将程序按逻辑意义先分成段， 并顺序编号；
各段再分成与实页相同大小的 页，各段的页单独顺序编号；
每道程序通过一个段表和相应 的一组页表来进行程序在主存空 间中的定位； 段表和页表一般在主存中，段 表的起始地址在段表基址寄存器 中，页表的起始地址在段表中； 段（页）表中的每一行对应一 个段页）；