1、2.6 存储体系,本节主要内容有： 高速缓冲存储器Cache地址的映像与变换全相联方式直接方式组相联方式替换算法虚拟存储器虚拟存储器的管理方式虚拟存储器的工作过程三级存储体系,2.6.1 高速缓冲存储器Cache,1、高速缓冲存储器Cache的一般概念程序执行的局部性原理：CPU对内存的访问在一段相对较短的时间内间隔往往集中于某个局部，特别是碰到循环程序、反复调用的子程序、递归程序等就更是如此，这就是所谓的“程序执行的局部性原理”。Cache的引入：由于程序执行的局部性原理，在CPU和主存之间引入速度更快的存储器使得CPU访问内存的大多数操作是在这个快速存储器进行，这样使访内的速度大大提高，该
2、存储器称高速缓冲存储器（Cache Memory)CacheMM层次结构图及访内过程：,2.6.1 高速缓冲存储器Cache（续）,2、地址的映像与变换地址映像与变换的三种基本方式：全相联方式直接方式组相联方式,根据某种规则或算法把信息从主存复制到Cache的过程。,当执行程序时将主存地址变换为Cache地址的过。,2.6.1 高速缓冲存储器-地址的映像与变换（1）,（1）全相联方式映像方法：主存和Cache以同样大小分块。 假设某机内存16MB，Cache为8KB，按512B划分块，那么主存将划分为32K块，主存的地址为15位，Cache的块地址为4位，块内地址均为9位。其地址结构如下：,映
3、像规则：内存中的任何一块可以装入Cache的任何一块中。地址变换机构：由相联存储器担任。（相联存储器的单元个数与Cache的块数一致且对应，如本例16个；其存放内容是Cache对应块所存放的主存的块号；因此单元的宽度与主存块地址一致。,2.6.1 高速缓冲存储器-地址的映像与变换（1）,优点：主存的块装入Cache的位置没有限制，只要Cache有空闲块便可装入，只有全部装满才会出现冲突，根据算法只要淘汰Cache中任何一块就可装入新块，使Cache的存储空间得到最充分的利用。不足：无法直接从主存块号中获取Cache块号，使得其地址变换机构相对复杂，使用了相联存储器。全相联地址映像和变换的过程（
4、以上例说明）：当CPU给出24位的主存地址，地址变换机构根据高15位地址（主存块号）进行相联比较，如果找到（命中），则将该主存块号所在的相联存储器的单元块号作为Cache的块号，与块内地址（低9位）拼在一起成为Cache地址，这就完成了由主存到Cache的地址变换。如果找不到（不命中）说明该主存块还未装入，则CPU访问主存，同时由辅助硬设备将该块调入Cache。如下图：,2.6.1 高速缓冲存储器-地址的映像与变换（1）,2.6.1 高速缓冲存储器-地址的映像与变换（2）,（2）直接方式 映像方法：先将主存和Cache以同样大小分块，主存再按Cache的大小分为大小相等的区。主存地址结构如下（
5、例题同上）：映像规则：主存的任意一块只能放入Cache的任意一块中，即主存第N区的第i块只能装入到Cache的i块。 地址变换机构：由于不需要相联比较，所以一般存储器即可担任。其单元个数与Cache的块数一致且对应，如本例16个，其存放内容是主存的区号。,11位,2.6.1 高速缓冲存储器-地址的映像与变换（2）,直接方式的地址变换过程（以上例说明）：当CPU给出24位的主存地址，地址变换机构根据中间4位区 内块号按地址访问地址变换机构，若该单元内容与主存区号，即 高11位地址一致，则命中。这时主存地址中间4位所表示的区内 块号也就是Cache块号。4位块号和9位块内地址拼成的13位地址 就已
6、经是Cache地址了。如果没有命中则CPU访问主存，同时将 该块调入Cache并修改地址变换机构相应单元的内容。如下页图 所示：,直接方式地址映象及变换,2.6.1 高速缓冲存储器-地址的映像与变换（2）,直接方式的特点：优点：地址变换简单，若命中无需变换，可直接由主存地址 中提取到Cache地址，且地址变换机构是一个按地址访问的一般 存储器，结构简单。不足：太不灵活，主要表现在主存区号不同，但区内块号相 同的块无法同时装入Cache，即使别的块空这也不能用，当某段 时间恰巧要访问主存不同区号但相同块号的两块数据时，就会出 现两块数据频繁调入调出的不合理现象，称之为“抖动”，这种现 象势必一方
7、面降低了Cache的命中率，另一方面Cache的空间得 不到充分利用。,2.6.1 高速缓冲存储器-地址的映像与变换（3）,（3）组相联方式映像方法：是上两种方式的折中。即主存和Cache按同样大小分块，主存按Cache大小分区，主存和Cache按同样块数分组，如两块一组。 主存地址结构如下：,2.6.1 高速缓冲存储器-地址的映像与变换（3）,映像规则：主存任何一区的第n组只能映像至Cache的第n组（直接方式），但主存任何一组的两块却可映像至Cache的相应组两块中的任何一块中去（全相联方式）。组间直接方式，组内全相联方式。地址变换机构：介于按地址访问的存储器和相联存储器之间的混和存储器。
8、地址变换过程 （如下图） ：,2.6.1 高速缓冲存储器Cache-替换算法,3.替换算法：当Cache已装满，随着程序的执行，访问频繁的 活动区会逐渐迁移，造成Cache不命中，这时必须从内存装入新 的待执行的块。常用替换算法： 先进先出算法FIFO（First In First Out） 最近最久未使用算法LRU（Least Recently Used）,2.6.1 高速缓冲存储器Cache-替换算法（续）,（1）先进先出算法FIFO：这种算法是对进入Cache的块按先后 顺序排队，需要替换时，先淘汰最早进入的块。例题：假设Cache分三块，采用全相联映射方式，若CPU访问 页面流如下，则
9、Cache的变化情况及命中情况：,1 2 3 2 1 4 5 3 1 4 5 2 3, ,2.6.1 高速缓冲存储器Cache-替换算法（续）,（2）最近最久未使用算法LRU：该算法是将最近最久未使用的块替换出去。例题：假设Cache三块，采用全相联映射方式，若CPU访问页 面流如下，则Cache的变化情况及命中情况如下：,1 2 3 2 1 4 5 3 1 4 5 2 3, ,注意：一般而言增加Cache的容量显然会提高命中率但两者之间并非正比关系,2.6.1 高速缓冲存储器Cache（续）,4、MM-Cache层次工作过程示意图：,2.6.2 虚拟存储器,1.虚拟存储器的基本概念：为了克服
10、内存空间的不足，以及实现多道程序运行技术，从而引入大容量、低价格的辅助存储器。平时各种程序和数据均保留在辅存中，当程序运行时，将当前即将运行的部分由辅存调入主存。虚拟存储技术是在主存和辅存之间，增加软件及必要的硬件，使主、辅存之间的信息交换，程序的再定位，地址的转换都能自动进行，使两者形成一个有机的整体。 虚拟存储器的原理框图如下：,2.6.2 虚拟存储器（续）,2. 虚拟存储器的管理方式 在虚存中，程序是分别存放在主存与辅存中，都占有实际的主存区域与辅存区域。虚地址与主、辅存地址间的对应关系，称为地址映像。 当访问主存时要进行虚地址到实地址的转换。 根据地址映像的方式不同，虚拟存储器可以有三
11、种管理方式：段式管理页式管理段页式管理,2.6.2 虚拟存储器-管理方式（1）,（1）段式管理程序按其逻辑功能分段。各程序段的大小不等，其逻辑地址均从0开始。装入时按段分别装入内存，运行时按段进行虚实地址转换。每一个程序在内存中都对应一个段表，表目和每个逻辑段一一对应，记录了各段存入内存的实地址及其它有关信息段式管理地址映像过程如下页：,2.6.2 虚拟存储器-管理方式（1）,段式管理的优缺点：优点：有利于程序的运行，便于实现信息共享和存储保护。缺点：随着程序的运行，会在主存空间产生较多“碎片”。,2.6.2 虚拟存储器-管理方式（2）,（2）页式管理辅存和主存空间以大小相同的存储空间分页，辅
12、存的页为虚页，主存的页为实页。主、辅存地址格式如下：页式管理在内存中为每个用户设置一页表，页表记录了虚地址各页在内存中的位置。页表的起始地址存放在页表基址寄存器中。页式管理地址映像过程如下页图：,2.6.2 虚拟存储器-管理方式（2）,页式管理的优缺点：优点：便于与主存辅存间的调进调出，有利于主存空间的充分利用。缺点：难以实现存储保护和存储共享。,2.6.2 虚拟存储器-管理方式（3）,（3）段页式管理（是前两种方式的综合）将程序先按逻辑功能分为段。将每段分为页，所以虚地址包括了段号、段内页号、页内地址。实地址只有实页号和页内地址。其地址格式如下：程序在内存中分别建立段表和页表。段页式管理地址
13、映像过程如下页图：,2.6.2 虚拟存储器-管理方式（3）,段页式管理优缺点：优点：兼有段、页式管理的优点。缺点：要经过三次读内存才能完成虚实地址的转换。第一次读段表得页表首地址，第二次读页表得实页号，第三次才形成实地址读得数据。降低了地址变换的速度。,2.6.2 虚拟存储器-工作过程,（1）在实际虚实地址变换中，必须考虑地址变换的速度，还有程序的调入调出处理，除了段表和页表外，还有以下3个部件：快表：位于Cache中，由相联存储器组成 ，存放当前最“活跃页”的地址。其表目格式与内容与页表完全相同，记录了虚地址与实地址的对应关系，其地址转换过程如下：,虚页号,页内地址,虚存页号,实存页号,虚存
14、地址,实存地址,实页号,页内地址,相联比较器,相联,比较,2.6.2 虚拟存储器-工作过程（续）,帧页表：记录当前内存使用情况，用来对主存进行管理，它位于主存，其格式见下表：,2.6.2 虚拟存储器-工作过程（续）,外页表：用来登记程序虚页号与辅存地址的对应关系，它位于主存。,2.6.2 虚拟存储器-工作过程（续）,（2）虚拟存储器的工作过程,一个多用户页式管理的虚拟存储器的工作过程如下页图所示：,例 题,2.6.3 三级存储体系,多级存储体系是为了解决存储器容量、速度、价格之间的矛盾而引入的。三级存储体系由高速缓冲存储器Cache、主存储器MM及属于外存储器的磁盘、磁带、磁盘组成。Cache
15、是最接近CPU 的存储级，其速度最快、容量最小而单位成本最高；辅存是最下层的存储器，其速度最慢而容量最大，单位成本最低；主存位于两者之间。Cache-MM层次之间的地址变换和替换算法完全由硬件完成，以满足地址高速变换的要求；MM-VM层次以软件为主，由软件、硬件联合完成。Cache-MM层次的信息传输以块为单位（几十到几千字节）；MM-VM层次的信息传输是以段或页为单位（几到十几千字节之间）,虚拟存储器VM,2.7 外存储器,本节主要内容包括：磁存储器磁盘存储器磁带存储器激光存储器,2.7.1 磁记录原理及记录方式,存储原理：靠磁记录介质的两个剩磁状态来记录信息。常见分类：磁盘、磁带、磁卡共同
16、特点：存储密度高，记录容量大，每位价格低；可重复使用；信息掉电不丢失属非破坏性读出，读出时信息不再生；不能随机存取；存取速度较低；读写可靠性较主存差；机械结构复杂，对工作环境要求较严。,2.7.1 磁记录原理及记录方式（续）,磁记录方式：归零制RZ不归零制NRZ1调频制FM改进调频制MFM调相制PM群码制GCR,1.归零制RZ,凡是能从磁头读出信号中分离获得同步选通信号的磁记录方式，称为具有自同步能力,2.不归零制NRZ1(见1就变不归零制）,记录密度是归零制的4倍，不具备自同步能力，读出信号频带过宽，仅适合磁带使用,3.调频制FM,自同步，用于单密度磁盘。,4.改进调频制MFM,自同步，磁记
17、录密度高于FM制，故称为双密度,5.调相制PM,自同步，用于快速启停式磁带机。,5.群码制GCR（GCR(5,4)）,原理：NRZ1的磁密度最高，但由于出现连继的0，导致丧失自同步能力，如何消除连继的0？ 信息按4位分组，共有16种组合方式，选择用5位编码来（共32种组合方式，从中选择16种）表示这些信息，所选的编码在中间位置最多仅出现两个连继的0，在两边位置最多只有一个0，将这种5位编码写入磁存储器，读出时再将5位编码转换为4位编码信息。是目前最前用的编码方式,2.7.2 磁盘存储器,磁盘存储器的主要技术指标存储密度道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数。单位：道/mm或道/英寸。位密度：
18、沿磁道圆周方向单位长度上所能记录的二进制位数。单位：位/mm，或位/英寸。磁盘内圈位密度高，磁盘外圈位密度低。存储容量：磁盘装置所能存储的二进制信息总量。与存储密度、盘片几何尺寸、盘片数量直接相关。非格式化容量=位密度内圈磁道周长磁道总数格式化容量=扇区容量每道扇区数磁道总数,2.7.2 磁盘存储器（续）,磁盘存储器的主要技术指标（续） 平均存取时间存取时间：从发出读/写命令起，磁头从某一起始位置移到指定位置，并开始读/写数据所需要的时间。寻道时间：磁头定位至待访磁道所需时间旋转等待时间：磁道上待访信息区旋转到达磁头下方所需时间平均存取时间=平均寻道时间+平均等待时间 数据传输率：单位时间内磁
19、盘存储器能读/写的有效字节数。单磁头串行读/写磁盘：数据传输率（b/s）=扇区内字节数每道扇区数磁盘转速,2.7.2 磁盘存储器（续）,磁盘的分类,2.7.3 磁带存储器,磁带存储器的特点：是典型的按顺序存取的存储器。寻址时间最长、信息传输速度低，但是具有存储价格便宜，容量大，可脱机保存。,2.7.4 激光记录原理及光盘存储器,光盘分类,存储方式和存储介质,形变型光盘,磁光型光盘,相变型光盘,读写功能,只读型光盘（CD-ROM）,可擦写型光盘,只写一次型光盘,直接重写型光盘,2.7.4 激光记录原理及光盘存储器（续）,光盘的存取原理光盘存储器是利用激光束在记录面上存储信息的，根据激光束及反射光的强弱不同可以完成信息的读写，属非接触型存储器。光盘存储器组成：光盘片、光驱动器、控制器、接口。光盘存储器的特性：存储容量大、记录密度高、非接触读/写对介质无损伤。,红皮书：音频CD 黄皮书：CD-ROM 绿皮书：多媒体CD-ROM 桔皮书：CD-R,存储器小结,
