第五章 存储器和存储系统

第五章一、问答题1、简述页式虚拟存储管理的基本原理。

2、交换扩充了内存，因此，交换也实现了虚拟存储器。

这句话对吗？不对。

交换是把各个进程完整地调入内存，运行一段时间，再放回磁盘上。

虚拟存储器是使进程在只有一部分在内存的情况下也能运行。

交换是把整个进程换入换出主存。

而虚拟存储器的基本思想是程序的大小可以超过物理内存的大小，操作系统把程序的一部分调入主存来运行，而把其他部分保留在磁盘上。

故交换并未实现虚拟存储器。

3、简述虚拟存储器的实现原理。

4、简述快表的作用。

5、什么是紧凑？什么时候紧凑？6、比较存储管理中的连续分配和离散分配方式。

7、当系统中的地址空间非常大时（例如32位），会给页表的设计带来什么问题？请给出一个方案并分析其优缺点。

答：会导致页表过长从而很难找到一块连续的存储空间存放页表，此外如果页表中的行不连续也会加大访问页表的查找时间。

可以用多级页表解决这个问题，将页表分页，离散地存储在不同区域，同时建立另一张页表映射原来页表的每一页。

优点是不需要大块的连续空间，但并没有减少页表的空间，同时也增加了访存次数。

8、缺页中断和一般中断有什么区别？9、简述分页存储管理的基本思想和页表的作用。

10、交换扩充了内存，因此，交换也实现了虚拟存储器。

这句话对吗？11、叙述简单Clock置换算法的实现方案。

12、解释静态重定位与动态重定位。

13、什么叫紧凑，什么时候紧凑？14、为了实现虚拟页式存储管理，页表应该包含哪些内容？15、页和段有哪些区别？16、覆盖技术和交换技术的特点是什么？17、简述分页和分段的区别。

18、什么是紧凑？什么时候紧凑？19、简述虚拟存储器的定义。

20、简述分页和分段的区别21什么叫可重入代码？22、局部性原理可以体现在哪两个方面，其具体含义是什么？23、分页和分段的主要区别是什么？二、计算题1、现有一分页虚拟存取管理系统，其页表保存在寄存器中。

若有一个可用的空页或被替换的页未被修改，则它处理一个缺页中断需要8ms。

计算机中的存储系统的构成计算机中的存储系统主要由以下几个部分构成：1.主存储器（Main Memory）：主存储器是计算机硬件中最重要的部分之一，负责存储和检索程序运行所需的数据和指令。

它通常由DRAM（动态随机存取存储器）或SRAM（静态随机存取存储器）组成，容量从几GB到几十GB 不等。

2.辅助存储器（Secondary Memory）：辅助存储器主要包括硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。

这些设备存储大量的数据和程序，虽然存取速度比主存储器慢，但容量大且价格低。

硬盘的容量通常在几百GB到几TB之间，而固态硬盘则具有更高的读写速度和耐用性。

3.三级存储器（Tertiary Memory）：这是更低一级的存储设备，通常包括光盘、U盘和SD卡等。

这些设备具有非常小的存储容量，通常用于存储小型的程序或数据文件。

4.高速缓存（Cache Memory）：高速缓存是主存和CPU之间的临时存储器，它保存了CPU最经常访问的数据和指令。

高速缓存的存取速度非常快，通常使用SRAM实现。

5.寄存器（Registers）：寄存器是CPU内部的高速存储部件，用于存储操作数和指令。

寄存器的存取速度比高速缓存还要快，但容量通常较小。

6.输入/输出设备（I/O Devices）：这些设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等，用于在计算机和用户之间进行交互。

这些设备通常有自己的存储和处理能力，例如打印机的墨盒就包含了一种形式的内存，用于存储墨水浓度和打印质量等信息。

7.通信接口（Communication Interfaces）：这些接口包括USB、HDMI、Ethernet等，用于计算机与其他计算机或设备之间进行数据交换。

这些接口通常也包含自己的内存，用于临时存储传输的数据。

在以上这些组成部分中，主存储器、辅助存储器和高速缓存是计算机存储系统中的核心部分。

它们之间的协作关系直接影响了计算机的性能和效率。

例如，当CPU需要访问的数据或指令不在高速缓存中时，它会从主存储器中读取数据或指令。

第五章虚拟存储器一、单项选择题1. 虚拟存储器的最大容量＿＿＿。

*A. 为内外存容量之和 B. 由计算机的地址结构决定（（（实际容量C. 是任意的D. 由作业的地址空间决定虚拟存储器是利用程序的局部性原理，一个作业在运行之前，没有必要全部装入内存，而只将当前要运行那部分页面或段装入便可以运行，其他部分放在外部存储器内，需要时再从外存调入内存中运行，首先它的容量必然受到外存容量的限制，其次寻址空间要受到计算机地址总线宽度限制。

最大容量（逻辑容量）收内外存容量之和决定，实际容量受地址结构决定。

2．在虚拟存储系统中，若进程在内存中占3块（开始时为空），采用先进先出页面淘汰算法，当执行访问页号序列为1﹑2﹑3﹑4﹑1﹑2﹑5﹑1﹑2﹑3﹑4﹑5﹑6时，将产生＿＿＿次缺页中断。

（开始为空，内存中无页面，3块物理块一开始会发生三次缺页。

）A. 7B. 8C. 9D. 103. 实现虚拟存储器的目的是＿＿＿.A.实现存储保护B.实现程序浮动C.扩充辅存容量D.扩充主存容量4. 作业在执行中发生了缺页中断,经操作系统处理后,应让其执行＿＿＿指令.（书本158页，（2）最后一句话）A.被中断的前一条B.被中断的C.被中断的后一条D.启动时的第一条5．在请求分页存储管理中，若采用FIFO页面淘汰算法，则当分配的页面数增加时，缺页中断的次数________。

(在最后一题做完后再作答)答案错误选择：DA．减少 B. 增加 C. 无影响 D. 可能增加也可能减少6. 虚拟存储管理系统的基础是程序的________理论.A. 局部性B. 全局性C. 动态性D.虚拟性7. 下述_______页面淘汰算法会产生Belady现象.A. 先进先出*B. 最近最少使用C. 最近不经常使用D. 最佳二. 填空题1. 假设某程序的页面访问序列为1.2.3.4.5. 2. 3. 1. 2. 3. 4. 5. 1. 2. 3. 4且开始执行时主存中没有页面，则在分配给该程序的物理块数是3 且采用FIFO方式时缺页次数是____13____; 在分配给程序的物理块数是4且采用FIFO方式时，缺页次数是___14______; 在分配给程序的物理块数是3且采用LRU方式时，缺页次数是______14____。

计算机存储系统的名词解释在现代计算机科技的发展进程中，计算机存储系统扮演着至关重要的角色。

计算机存储系统是指用来存储和读取数据的硬件和软件组成的系统。

为了更好地理解和利用计算机存储系统，以下将对其一些重要的名词进行解释和阐述。

一、RAM（随机访问存储器）RAM，全称为Random Access Memory，是计算机存储系统中常见的重要组成部分。

它是一种易失性存储器，用于暂时存储正在运行的程序和数据。

RAM可以迅速读写数据，使得计算机可以快速访问和处理信息。

它的容量越大，计算机的运行速度就越快。

二、ROM（只读存储器）ROM，全称为Read-Only Memory，是计算机存储系统中的一种非易失性存储器。

与RAM不同，ROM中的数据通常无法被修改或者删除，因此它用来存储计算机的固化程序和数据。

ROM中的信息在计算机启动时被读取，确保计算机能够正确地启动和运行。

三、硬盘驱动器硬盘驱动器是计算机存储系统中的另一个重要组成部分。

它是一种用于长期存储和读取数据的设备，通过磁盘片和读写磁头实现数据的存储和检索。

硬盘驱动器的容量通常较大，能够存储大量的文件和程序。

在计算机开机时，操作系统会从硬盘驱动器中加载作为启动源的程序和数据。

四、固态硬盘固态硬盘（SSD）是近年来计算机存储系统领域的重大创新之一。

与传统的机械硬盘不同，固态硬盘采用了闪存芯片作为存储介质。

固态硬盘的特点是读写速度快、抗震动、散热效果好等。

尤其在移动设备和高性能需求的计算机中，固态硬盘取代了传统硬盘，成为了首选的存储设备。

五、磁盘阵列磁盘阵列是由多个磁盘组成的存储系统。

通过将多个磁盘组合成一个逻辑单元，磁盘阵列能够提供更高的容量和更好的性能。

磁盘阵列可以通过在多个磁盘上同时读取和写入数据来加快访问速度，并且具备容错功能，即使其中一个磁盘损坏，仍然可以保证数据的安全性和可靠性。

六、缓存缓存是计算机存储系统中的一种高速存储介质，用于临时存储常用数据和指令。

微机原理与接⼝复习1、微机中各部件的连接采⽤什么技术？为什么？答：现代微机中⼴泛采⽤总线将各⼤部件连接起来。

有两个优点：⼀是各部件可通过总线交换信息，相互之间不必直接连线，减少了传输线的根数，从⽽提⾼了微机的可靠性；⼆是在扩展计算机功能时，只须把要扩展的部件接到总线上即可，⼗分⽅便。

2、微机系统的总线结构分哪三种？（选择/填空）答：单总线、双总线、双重总线3、模型机有哪些寄存器，以及作⽤？（选择/填空）答：通⽤寄存器组：可由⽤户灵活⽀配，⽤来存放参与运算的数据或地址信息。

地址寄存器：专门⽤来存放地址信息的寄存器。

程序计数器：它的作⽤是指明下⼀条指令在存储器中的地址。

指令寄存器：⽤来存放当前正在执⾏的指令代码指令译码器：⽤来对指令代码进⾏分析、译码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号4、8086CPU的内部结构由哪两部分组成，各组成部件⼜有哪些部件组成、功能是什么？答：8086CPU内部结构由BIU\EU两部分组成.(1)EU的组成和各组成部件功能如下:算术逻辑运算单元：⽤于8位/16位⼆进制算术和逻辑运算.通⽤寄存器组：⽤来存放操作数或操作数的地址标志寄存器：⽤来存放反映CPU运算的状态特征和存放某些控制标志数据暂存器：协助ALU完成运算,暂存参加运算的数据(2)BIU的组成和各组成部件功能地址加法器：⽤来形成20位物理地址段寄存器：⽤来存放段的基值IP：存放下⼀条指令的地址指令队列缓冲器：⽤来存放预取的指令总线控制逻辑：将内部总线和外部总线相连.5、8086/8088为什么采⽤地址/数据复⽤技术？8086有哪些管脚是复⽤的？答：考虑到芯⽚成本，8086/8088采⽤40条引线的封装结构。

40条引线引出8086/8088的所有信号是不够⽤的，采⽤地址/数据线复⽤引线⽅法可以解决这⼀⽭盾，从逻辑⾓度，地址与数据信号不会同时出现，⼆者可以分时复⽤同⼀组引线。

8086管脚复⽤有：AD15～AD0是分时复⽤的存储器或端⼝的地址和数据总线地址／状态总线A19／S6～A16／S3BHE/S7为⾼8位数据总线允许／状态复⽤引脚7、CPU在中断周期要完成哪些主要的操作？答：CPU在中断周期要完成下列操作：（1）关中断（2）保留断点（3）保护现场（4）给出中断⼊⼝地址，转去相应的中断服务程序（5）恢复现场（6）开中断(7) 返回8、芯⽚8255有⼏个控制字？各⾃功能如何？若8255A控制字写⼊同⼀个控制端⼝如何区分不同的控制字？答：芯⽚8255有2个控制字：⽅式选择控制字和端⼝C置位/复位控制字。

习题五一. 思考题⒈半导体存储器主要分为哪几类？简述它们的用途和区别。

答：按照存取方式分，半导体存储器主要分为随机存取存储器RAM（包括静态RAM和动态RAM）和只读存储器ROM（包括掩膜只读存储器，可编程只读存储器，可擦除只读存储器和电可擦除只读存储器）。

RAM在程序执行过程中，能够通过指令随机地对其中每个存储单元进行读\写操作。

一般来说，RAM中存储的信息在断电后会丢失，是一种易失性存储器；但目前也有一些RAM 芯片，由于内部带有电池，断电后信息不会丢失，具有非易失性。

RAM的用途主要是用来存放原始数据，中间结果或程序，与CPU或外部设备交换信息。

而ROM在微机系统运行过程中，只能对其进行读操作，不能随机地进行写操作。

断电后ROM中的信息不会消失，具有非易失性。

ROM通常用来存放相对固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。

根据制造工艺的不同，随机读写存储器RAM主要有双极型和MOS型两类。

双极型存储器具有存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点，适用于对速度要求较高的高速缓冲存储器；MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适用于内存储器。

⒉存储芯片结构由哪几部分组成？简述各部分的主要功能。

答：存储芯片通常由存储体、地址寄存器、地址译码器、数据寄存器、读\写驱动电路及控制电路等部分组成。

存储体是存储器芯片的核心，它由多个基本存储单元组成，每个基本存储单元可存储一位二进制信息，具有0和1两种状态。

每个存储单元有一个唯一的地址，供CPU访问。

地址寄存器用来存放CPU访问的存储单元地址，该地址经地址译码器译码后选中芯片内某个指定的存储单元。

通常在微机中，访问地址由地址锁存器提供，存储单元地址由地址锁存器输出后，经地址总线送到存储器芯片内直接进行译码。

地址译码器的作用就是用来接收CPU送来的地址信号并对它进行存储芯片内部的“译码”，选择与此地址相对应的存储单元，以便对该单元进行读\写操作。

第五章存储层次知识点汇总存储器层次结构、存储层次性能参数（平均每位价格、命中率、平均访存时间）、存储层次4个问题、CPU 访存地址分割、全相联映像、直接映像、组相联映像、查找方法、替换算法（随机、先进先出、最近最少使用法）、写直达法、写回法、按写分配、不按写分配、Cache性能分析、3C失效（强制失效、容量失效、冲突失效）、Victim Cache、伪相联映像Cache、硬件预取、编译器优化（数组合并、内外循环交换、循环融合、分块）、写缓冲合并、单字宽存储器、多字宽存储器、多体交叉存储器、存储体、虚拟存储器（页式、段式）、快表（TLB）简答题1.单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？（知识点：多级存储器）答：主要矛盾：(1) 速度越快，每位价格就越高。

(2) 容量越大，每位价格就越低。

(3) 容量越大，速度越慢。

采取多级存储层次方法来解决。

2.“Cache-主存”和“主存-辅存”层次的主要区别是什么？（知识点：存储层次）3.在存储层次中应解决哪四个问题？（知识点：存储层次的四个问题）答：（1）映像规则：当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上。

（2）查找算法：当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块。

（3）替换算法：当发生失效时，应替换哪一块。

（4）写策略：当进行写访问时，应进行哪些操作。

4.地址映像方法有哪几种？它们各有什么优缺点？（知识点：地址映像）（1）全相联映像。

实现查找的机制复杂，代价高，速度慢。

Cache空间的利用率较高，块冲突概率较低，因而Cache的失效率也低。

（2）直接映像。

实现查找的机制简单，速度快。

Cache空间的利用率较低，块冲突概率较高，因而Cache 的失效率也高。

（3）组相联映像。

组相联是直接映像和全相联的一种折中。

5.Cache的3C失效是哪三种失效？针对每种失效给出一种降低失效率的方法。

（知识点：3C失效）答：强制性失效、容量失效、冲突失效。

5.1 解释下列术语多级存储层次：由若干个采用不同实现技术的存储器构成的存储器系统，各存储器处在离CPU不同距离的层次上。

使得靠近CPU的存储器速度较快，容量较小。

整个存储系统的速度接近与离CPU最近的存储器的速度，而容量和每位价格接近于最低层次的容量和价格。

全相联映像：指主存中的任一块可以被放置到Cache中的任意一个位置。

直接映像：指主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个位置。

组相联映像：指主存中的每一块可以被放置到Cache中固定的一个组中的任意位置。

替换算法：由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调入一个块到Cache中时，会出现该块所映像的Cache块位置已经被占用的情况。

替换算法即解决如何选择替换块的问题。

LRU：最近最少使用法。

选择近期最少被访问的块作为被替换的块。

写直达法：在执行“写”操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。

写回法：只把信息写入Cache中相应的块，该块只有在被替换时才被写回主存。

按写分配法：在写失效时，先把所写单元所在的块从主存调入Cache，然后再进行写入。

不按写分配法：写失效时，直接写入下一级存储器而不将相应的块调入Cache。

命中时间：CPU所要访问的块在Cache中，确认并取走所花费的时间开销。

失效率：CPU一次访存不命中的概率。

失效开销：CPU一次访存不命中，而额外增加的访存开销。

强制性失效：当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache。

容量失效：如果程序执行执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些快被替换后，若又重新被访问，就会发生失效。

冲突失效：在组相联或直接映像Cache中，若不多的块映像到同一组中，则会出现该组中某个块被别的块替换，然后又重新被访问的情况。

2：1 Cache经验规则：大小为N的直接映像Cache的失效率约等于大小为N/2的2路组相联Cache的失效率。

计算机体系结构存储系统的认识与理解计算机体系结构是计算机科学中的一个重要概念,涉及到计算机硬件和软件之间的关系、计算机的逻辑结构和功能等方面。

存储系统是计算机体系结构中的重要组成部分,负责存储和管理系统的数据和程序。

本文将介绍计算机体系结构存储系统的认识与理解,并探讨其重要性和实现方法。

一、计算机体系结构存储系统的认识与理解计算机存储系统是指为计算机提供存储数据和程序的地方,通常包括主存储器、辅助存储器和输入输出设备等组成部分。

其中,主存储器是计算机中最重要的存储系统之一,用于存储计算机程序和数据。

主存储器通常分为三种类型:随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和闪存。

RAM是随机访问的存储器,可以在任何时候进行读写操作,但是其容量有限。

ROM是一种只读存储器,只能读取其编程内容,因此其容量非常大,但不可修改。

闪存是一种非易失性存储器,具有快速读写速度和大容量等优点,但是较为昂贵。

辅助存储器包括外置存储器和内置存储器。

外置存储器通常包括硬盘、软盘、USB存储器等,用于存储临时数据和文件。

内置存储器则包括内存、EEPROM、FRAM等,用于存储系统配置文件、程序代码等。

输入输出设备用于将数据和程序传输到计算机外部,例如显示器、键盘、鼠标等。

计算机存储系统的重要性不言而喻。

存储系统的配置和优化对计算机的性能、可靠性和安全性都有着重要的影响。

合理的存储系统可以提高计算机的运行效率,减少存储空间的占用,提高数据传输速度,降低系统出错率。

二、计算机体系结构存储系统的实现方法计算机体系结构存储系统的实现方法可以分为以下几种:1. 基于硬件的存储系统:这种存储系统直接将存储芯片嵌入到计算机系统中,通过硬件连接实现数据的存储和读取。

2. 基于软件的存储系统:这种存储系统使用操作系统提供的软件存储功能,通过操作系统的存储管理功能实现数据的存储和读取。

3. 基于网络的存储系统:这种存储系统通过网络进行数据存储和传输,可以通过分布式存储技术实现数据的大容量存储和高效性访问。