第03章 存储系统(4cache及虚拟存储器)

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 。

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）。

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。

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。