計(jì)算機(jī)組成原理第4章第五講

1、第四章第四章 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 第第5講講 v存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述 v主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 v高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器 v虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器 概述概述 段式虛擬存儲(chǔ)器段式虛擬存儲(chǔ)器 頁式虛擬存儲(chǔ)器頁式虛擬存儲(chǔ)器 段頁式虛擬存儲(chǔ)器段頁式虛擬存儲(chǔ)器 虛存的替換算法虛存的替換算法 v輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 Cache 的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) Cache 替換機(jī)構(gòu)替換機(jī)構(gòu) Cache 存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體 主存主存Cache 地址映射地址映射 變換機(jī)構(gòu)變換機(jī)構(gòu) Cache 主存的地址映射主存的地址映射 某一某一 主存塊主存塊 只能固定只能固定 映射到映射到 某一某一 緩存塊緩存塊直接直接 全相聯(lián)全

2、相聯(lián) 組相聯(lián)組相聯(lián) 某一某一 主存塊主存塊 能能 映射到映射到 任一任一 緩存塊緩存塊 某一某一 主存塊主存塊 只能只能 映射到映射到 某一某一 緩存緩存 組組 中的中的 任一塊任一塊 不靈活，命中率低不靈活，命中率低 成本高成本高 r=0時(shí)是直接映射方式；時(shí)是直接映射方式； r=c 是全相聯(lián)；是全相聯(lián)； v塊的大小為塊的大小為B，B=2b字字/字節(jié)字節(jié) vCache共有共有C塊，塊，C=2c v主存為主存為M塊，塊，M=2m，T=M/C，T=2t ，m=t+c 直接映射直接映射 全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射 R路組組相聯(lián)映射路組組相聯(lián)映射 R=2r 主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記 t+ct+c位位 （即即

3、m m位）位） 塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 b b位位 主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記 t+rt+r位位 組地址組地址 c-rc-r位位 塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 b b位位 主存字塊主存字塊/ /組標(biāo)記組標(biāo)記 t t位位 CacheCache字塊地址字塊地址 c c位位 塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址 b b位位 例例2 主存容量主存容量4M16位，位，Cache容量容量16K16位，位， 塊長塊長416位，訪存地址為字地址。位，訪存地址為字地址。 1）在直接映射方式下，設(shè)計(jì)主存地址；）在直接映射方式下，設(shè)計(jì)主存地址； 2）在全相聯(lián)映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址；）在全相聯(lián)映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址； 3）在二路組相聯(lián)方式下，設(shè)計(jì)主

4、存地址；）在二路組相聯(lián)方式下，設(shè)計(jì)主存地址； 主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記 8 8 CacheCache字塊地址字塊地址 1212 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址 2 2 主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記 2020 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址 2 2 主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記 9 9 組地址組地址 1111 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址 2 2 三、三、Cache替換算法替換算法 1. 先進(jìn)先出先進(jìn)先出 （ FIFO ）算法）算法 2. 近期最少使用（近期最少使用（ LRU）算法）算法 3. 隨機(jī)法隨機(jī)法 最早調(diào)入最早調(diào)入CacheCache的字塊最先替換，容易實(shí)現(xiàn)，開銷小的字塊最先替換，容易實(shí)現(xiàn)，開銷小 通過隨時(shí)記錄各字塊使用

5、情況，確定哪個(gè)字塊是最通過隨時(shí)記錄各字塊使用情況，確定哪個(gè)字塊是最 近最少用到的，算法復(fù)雜，命中率高近最少用到的，算法復(fù)雜，命中率高 用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生隨機(jī)被替換的塊，簡(jiǎn)單用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生隨機(jī)被替換的塊，簡(jiǎn)單 一、概述一、概述 1、虛擬存儲(chǔ)器、虛擬存儲(chǔ)器 提供一種容量非常大的存儲(chǔ)器提供一種容量非常大的存儲(chǔ)器 v多任務(wù)所需存儲(chǔ)器的總和大于實(shí)際存儲(chǔ)器空間；多任務(wù)所需存儲(chǔ)器的總和大于實(shí)際存儲(chǔ)器空間； v單個(gè)程序的地址空間超過了實(shí)際存儲(chǔ)器；單個(gè)程序的地址空間超過了實(shí)際存儲(chǔ)器； 地址空間地址空間 v虛地址虛地址/邏輯地址：程序員編程使用的地址；邏輯地址：程序員編程使用的地址； v虛存空間虛存空間/邏輯

6、空間：虛地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；邏輯空間：虛地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間； v實(shí)地址實(shí)地址/物理地址：物理內(nèi)存的訪問地址；物理地址：物理內(nèi)存的訪問地址； v物理存儲(chǔ)空間物理存儲(chǔ)空間/主存空間：實(shí)地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；主存空間：實(shí)地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間； v再定位：程序進(jìn)行虛地址到實(shí)地址轉(zhuǎn)換的過程；再定位：程序進(jìn)行虛地址到實(shí)地址轉(zhuǎn)換的過程； 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器 2、虛存的訪問過程、虛存的訪問過程 虛存空間的用戶程序按照虛地址編程并存放在虛存空間的用戶程序按照虛地址編程并存放在 輔存中；輔存中； 程序運(yùn)行時(shí)，由地址變換機(jī)構(gòu)依據(jù)當(dāng)時(shí)分配給程序運(yùn)行時(shí)，由地址變換機(jī)構(gòu)依據(jù)當(dāng)時(shí)分配給 該程序的實(shí)地址空間把程序的一部分調(diào)入實(shí)

7、存；該程序的實(shí)地址空間把程序的一部分調(diào)入實(shí)存； 每次訪存時(shí)，首先判斷該虛地址所對(duì)應(yīng)的部分每次訪存時(shí)，首先判斷該虛地址所對(duì)應(yīng)的部分 是否在實(shí)存中：如果是，則進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換并用是否在實(shí)存中：如果是，則進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換并用 實(shí)地址訪問主存；否則，按照某種算法將輔存實(shí)地址訪問主存；否則，按照某種算法將輔存 中的部分程序調(diào)度進(jìn)內(nèi)存，再按同樣的方法訪中的部分程序調(diào)度進(jìn)內(nèi)存，再按同樣的方法訪 問主存。問主存。 3、虛擬存儲(chǔ)器優(yōu)點(diǎn)、虛擬存儲(chǔ)器優(yōu)點(diǎn) 根本優(yōu)點(diǎn)根本優(yōu)點(diǎn) 存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理 保護(hù)保護(hù) 靈活靈活 提高存儲(chǔ)效率提高存儲(chǔ)效率 提高并行度提高并行度 可擴(kuò)展可擴(kuò)展 獲得運(yùn)行比物理存儲(chǔ)器更大空間程序的能力獲得運(yùn)行比物理

8、存儲(chǔ)器更大空間程序的能力 段式虛擬存儲(chǔ)管理段長可變，可以適應(yīng)段式虛擬存儲(chǔ)管理段長可變，可以適應(yīng) 程序數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，但容易造成程序數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，但容易造成“碎片碎片”。 操作系統(tǒng)可對(duì)虛擬空間進(jìn)行特定保護(hù)操作系統(tǒng)可對(duì)虛擬空間進(jìn)行特定保護(hù) 程序的某部分可以裝入主存的任意位置程序的某部分可以裝入主存的任意位置 只在主存儲(chǔ)器中保留最重要的部分只在主存儲(chǔ)器中保留最重要的部分 在進(jìn)行段頁替換的同時(shí)可以執(zhí)行其它進(jìn)程在進(jìn)行段頁替換的同時(shí)可以執(zhí)行其它進(jìn)程 為對(duì)象提供了擴(kuò)展空間的能力為對(duì)象提供了擴(kuò)展空間的能力 4、虛存與、虛存與Cache的比較的比較 Cache vCache主要目的是解決存儲(chǔ)速度問題，使存主要目的是解

9、決存儲(chǔ)速度問題，使存 儲(chǔ)器的訪問速度不太影響儲(chǔ)器的訪問速度不太影響CPU的運(yùn)行速度。的運(yùn)行速度。 v單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)交換的次數(shù)較多，每次交換單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)交換的次數(shù)較多，每次交換 的數(shù)據(jù)量較小，只有幾個(gè)到幾十個(gè)字節(jié)。的數(shù)據(jù)量較小，只有幾個(gè)到幾十個(gè)字節(jié)。 v由硬件管理由硬件管理 虛存虛存 v“主存主存輔存層次輔存層次”，主要目的是解決存，主要目的是解決存 儲(chǔ)容量的問題。儲(chǔ)容量的問題。 v單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)交換次數(shù)較少，但每次交換單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)交換次數(shù)較少，但每次交換 的數(shù)據(jù)量大，達(dá)幾十至幾千字節(jié)。的數(shù)據(jù)量大，達(dá)幾十至幾千字節(jié)。 v由操作系統(tǒng)管理由操作系統(tǒng)管理 相同點(diǎn)相同點(diǎn) v出發(fā)點(diǎn)相同出發(fā)點(diǎn)相同 二者

10、都是為了提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能價(jià)格二者都是為了提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能價(jià)格 比而構(gòu)造的分層存儲(chǔ)體系，都力圖使存儲(chǔ)系比而構(gòu)造的分層存儲(chǔ)體系，都力圖使存儲(chǔ)系 統(tǒng)的性能接近高速存儲(chǔ)器，而價(jià)格和容量接統(tǒng)的性能接近高速存儲(chǔ)器，而價(jià)格和容量接 近低速存儲(chǔ)器。近低速存儲(chǔ)器。 v原理相同原理相同 都是利用了程序運(yùn)行時(shí)的局部性原理把都是利用了程序運(yùn)行時(shí)的局部性原理把 最近常用的信息塊從相對(duì)慢速而大容量的存最近常用的信息塊從相對(duì)慢速而大容量的存 儲(chǔ)器調(diào)入相對(duì)高速而小容量的存儲(chǔ)器。儲(chǔ)器調(diào)入相對(duì)高速而小容量的存儲(chǔ)器。 5、虛存管理要解決的問題、虛存管理要解決的問題 調(diào)度問題調(diào)度問題 v決定哪些程序和數(shù)據(jù)應(yīng)被調(diào)入主存；決定哪些程

11、序和數(shù)據(jù)應(yīng)被調(diào)入主存； 地址映射問題地址映射問題 v在訪問主存時(shí)把虛地址變?yōu)橹鞔嫖锢淼刂罚ㄟ@一過在訪問主存時(shí)把虛地址變?yōu)橹鞔嫖锢淼刂罚ㄟ@一過 程稱為內(nèi)地址變換）；在訪問輔存時(shí)把虛地址變成程稱為內(nèi)地址變換）；在訪問輔存時(shí)把虛地址變成 輔存的物理地址（這一過程稱為外地址變換），以輔存的物理地址（這一過程稱為外地址變換），以 便換頁。此外還要解決主存分配、存儲(chǔ)保護(hù)與程序便換頁。此外還要解決主存分配、存儲(chǔ)保護(hù)與程序 再定位等問題；再定位等問題； 替換問題替換問題 v決定哪些程序和數(shù)據(jù)應(yīng)被調(diào)出主存；決定哪些程序和數(shù)據(jù)應(yīng)被調(diào)出主存； 更新問題更新問題 v確保主存與輔存的一致性；確保主存與輔存的一致性； 核

12、心問題都在于處理數(shù)據(jù)的存放與調(diào)度核心問題都在于處理數(shù)據(jù)的存放與調(diào)度 二、段式虛擬存儲(chǔ)器二、段式虛擬存儲(chǔ)器 1、基本概念、基本概念 段段 v程序模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)果，即把程序中邏輯上相對(duì)獨(dú)立程序模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)果，即把程序中邏輯上相對(duì)獨(dú)立 的部分（如過程、函數(shù)、數(shù)據(jù)表等）設(shè)計(jì)為不同的段的部分（如過程、函數(shù)、數(shù)據(jù)表等）設(shè)計(jì)為不同的段, 再經(jīng)過連接程序連接成更大的程序；再經(jīng)過連接程序連接成更大的程序； 段表段表 v主存中的可再定位的一段信息，用于變換程序中的邏主存中的可再定位的一段信息，用于變換程序中的邏 輯地址為主存單元的實(shí)際地址；輯地址為主存單元的實(shí)際地址； 核心問題在于設(shè)立核心問題在于設(shè)立 和管理段

13、表和管理段表 2、段表、段表 在段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，虛地址由段號(hào)和段內(nèi)地在段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，虛地址由段號(hào)和段內(nèi)地 址（偏移量）組成，虛地址到實(shí)主存地址的變換址（偏移量）組成，虛地址到實(shí)主存地址的變換 通過段表實(shí)現(xiàn)；通過段表實(shí)現(xiàn)； 每個(gè)程序設(shè)置一個(gè)段表，段表的每一個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)每個(gè)程序設(shè)置一個(gè)段表，段表的每一個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng) 一個(gè)段，每個(gè)表項(xiàng)至少包含下面三個(gè)字段：一個(gè)段，每個(gè)表項(xiàng)至少包含下面三個(gè)字段： v有效位：指明該段是否已經(jīng)調(diào)入實(shí)存。有效位：指明該段是否已經(jīng)調(diào)入實(shí)存。 v段起址：指明在該段已經(jīng)調(diào)入實(shí)存的情況下，該段在段起址：指明在該段已經(jīng)調(diào)入實(shí)存的情況下，該段在 實(shí)存中的首地址。實(shí)存中的首地址。 v

14、段長：記錄該段的實(shí)際長度。設(shè)置段長字段的目的是段長：記錄該段的實(shí)際長度。設(shè)置段長字段的目的是 為了保證訪問某段的地址空間時(shí)，段內(nèi)地址不會(huì)超出為了保證訪問某段的地址空間時(shí)，段內(nèi)地址不會(huì)超出 該段長度導(dǎo)致地址越界而破壞其他段。該段長度導(dǎo)致地址越界而破壞其他段。 段表本身也是一個(gè)段，可以存在輔存中，但一般段表本身也是一個(gè)段，可以存在輔存中，但一般 駐留在主存中。駐留在主存中。 段號(hào)段號(hào) 段內(nèi)地址段內(nèi)地址 + + 邏輯地址邏輯地址 段始地址段始地址 段長段長 裝入位裝入位 段段 表表 主存實(shí)際地址主存實(shí)際地址 段表基地址段表基地址 段表內(nèi)容及其管理段表內(nèi)容及其管理 段式虛存的地址映射過程段式虛存的地址

15、映射過程 3、段式虛擬存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)、段式虛擬存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn) 段的分界與程序的自然分界相對(duì)應(yīng)；段的分界與程序的自然分界相對(duì)應(yīng)； 易于編譯、管理、修改和保護(hù)，便于多道程序共享；易于編譯、管理、修改和保護(hù)，便于多道程序共享； 段長動(dòng)態(tài)可變；段長動(dòng)態(tài)可變； 4、段式虛擬存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)、段式虛擬存儲(chǔ)器的缺點(diǎn) 段長各不相同，起點(diǎn)、終點(diǎn)不定；段長各不相同，起點(diǎn)、終點(diǎn)不定； 空間分配困難，容易產(chǎn)生碎片；空間分配困難，容易產(chǎn)生碎片； 需要更多的硬件支持；需要更多的硬件支持； 由于段長不一定是由于段長不一定是2的整數(shù)次冪，因而不能簡(jiǎn)單的整數(shù)次冪，因而不能簡(jiǎn)單 用虛地址和實(shí)地址的最低若干二進(jìn)制位作為段內(nèi)偏移用虛地址和實(shí)

16、地址的最低若干二進(jìn)制位作為段內(nèi)偏移 量，并與段號(hào)進(jìn)行直接拼接，必須用加法操作通過段量，并與段號(hào)進(jìn)行直接拼接，必須用加法操作通過段 起址與段內(nèi)偏移量的求和運(yùn)算求得物理地址。因此，起址與段內(nèi)偏移量的求和運(yùn)算求得物理地址。因此， 段式比頁式存儲(chǔ)管理方式需要更多的硬件支持。段式比頁式存儲(chǔ)管理方式需要更多的硬件支持。 三、頁式存儲(chǔ)管理三、頁式存儲(chǔ)管理 1、基本概念、基本概念 頁頁式存儲(chǔ)管理是把虛擬空間和主存空間都分成式存儲(chǔ)管理是把虛擬空間和主存空間都分成 大小相同的頁（為大小相同的頁（為2的整數(shù)冪個(gè)字），并以頁為的整數(shù)冪個(gè)字），并以頁為 單位進(jìn)行虛存與主存間的信息交換；單位進(jìn)行虛存與主存間的信息交換；

17、虛存地址和主存地址分別被分為虛存地址和主存地址分別被分為虛存頁號(hào)虛存頁號(hào)、頁、頁 內(nèi)地址和內(nèi)地址和主存頁號(hào)主存頁號(hào)、頁內(nèi)地址，、頁內(nèi)地址，虛、實(shí)虛、實(shí)二二頁號(hào)頁號(hào) 會(huì)不同，但使用相同的頁內(nèi)地址；會(huì)不同，但使用相同的頁內(nèi)地址； 與段式存儲(chǔ)管理不一樣，頁不是程序本身的結(jié)與段式存儲(chǔ)管理不一樣，頁不是程序本身的結(jié) 構(gòu)特性，而是從管理的角度人為劃分的結(jié)果；構(gòu)特性，而是從管理的角度人為劃分的結(jié)果； 關(guān)鍵在于設(shè)置和管關(guān)鍵在于設(shè)置和管 理好頁表理好頁表 2、頁式虛存地址映射、頁式虛存地址映射 在大多數(shù)系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)頁表。頁表在大多數(shù)系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)頁表。頁表 中每一個(gè)虛存頁面對(duì)應(yīng)一個(gè)表項(xiàng)，表

18、項(xiàng)內(nèi)容包含中每一個(gè)虛存頁面對(duì)應(yīng)一個(gè)表項(xiàng)，表項(xiàng)內(nèi)容包含 該虛存頁面所在主存頁面的地址（物理頁號(hào)），該虛存頁面所在主存頁面的地址（物理頁號(hào)）， 以及指示該邏輯頁是否已調(diào)入主存的有效位。以及指示該邏輯頁是否已調(diào)入主存的有效位。 地址變換時(shí)，用邏輯頁號(hào)作為頁表內(nèi)的偏移地址地址變換時(shí)，用邏輯頁號(hào)作為頁表內(nèi)的偏移地址 索引頁表（將虛頁號(hào)看作頁表數(shù)組下標(biāo)）并找到索引頁表（將虛頁號(hào)看作頁表數(shù)組下標(biāo)）并找到 相應(yīng)物理頁號(hào)，用物理頁號(hào)作為實(shí)存地址的高字相應(yīng)物理頁號(hào)，用物理頁號(hào)作為實(shí)存地址的高字 段，再與虛地址的頁內(nèi)偏移量拼接，就構(gòu)成完整段，再與虛地址的頁內(nèi)偏移量拼接，就構(gòu)成完整 的物理地址?，F(xiàn)代的中央處理機(jī)通常有

19、專門的硬的物理地址?，F(xiàn)代的中央處理機(jī)通常有專門的硬 件支持地址變換。件支持地址變換。 頁表內(nèi)容和頁式管理頁表內(nèi)容和頁式管理 + （在內(nèi)存中）控制位（在內(nèi)存中）控制位 有效位有效位 頁表頁表 虛地址虛地址 (程序中給出程序中給出) 實(shí)地址實(shí)地址 (讀寫內(nèi)存用讀寫內(nèi)存用) 按地址讀按地址讀 實(shí)頁號(hào)實(shí)頁號(hào) 虛頁號(hào)虛頁號(hào) 頁內(nèi)地址頁內(nèi)地址 實(shí)頁號(hào)實(shí)頁號(hào) 頁內(nèi)地址頁內(nèi)地址 頁表基地址頁表基地址 控制位：包括修改位、替換位控制位：包括修改位、替換位 有效位：表示該頁是否已裝入主存有效位：表示該頁是否已裝入主存 頁式虛擬存儲(chǔ)器的地址映射過程頁式虛擬存儲(chǔ)器的地址映射過程 3、頁式虛擬存儲(chǔ)器的訪問過程、頁式虛擬

20、存儲(chǔ)器的訪問過程 操作系統(tǒng)得到程序給出的虛地址；操作系統(tǒng)得到程序給出的虛地址； 操作系統(tǒng)由虛地址得到虛頁號(hào)；操作系統(tǒng)由虛地址得到虛頁號(hào)； 訪問頁表，得到對(duì)應(yīng)的實(shí)頁號(hào)；訪問頁表，得到對(duì)應(yīng)的實(shí)頁號(hào)； 若該頁已在內(nèi)存中，則根據(jù)實(shí)頁號(hào)得到若該頁已在內(nèi)存中，則根據(jù)實(shí)頁號(hào)得到 實(shí)地址，訪問內(nèi)存；實(shí)地址，訪問內(nèi)存； 否則，啟動(dòng)輸入輸出系統(tǒng)，讀出對(duì)應(yīng)頁否則，啟動(dòng)輸入輸出系統(tǒng)，讀出對(duì)應(yīng)頁 裝入主存，再進(jìn)行訪問；裝入主存，再進(jìn)行訪問； 增加由硬件實(shí)現(xiàn)的快表，提高訪問速度增加由硬件實(shí)現(xiàn)的快表，提高訪問速度 4、快表、快表 由于頁表通常在主存中，因而即使邏輯頁已經(jīng)由于頁表通常在主存中，因而即使邏輯頁已經(jīng) 在主存中，也

21、至少要訪問兩次物理存儲(chǔ)器才能在主存中，也至少要訪問兩次物理存儲(chǔ)器才能 實(shí)現(xiàn)一次訪存，這將使虛擬存儲(chǔ)器的存取時(shí)間實(shí)現(xiàn)一次訪存，這將使虛擬存儲(chǔ)器的存取時(shí)間 加倍；加倍； 為了避免對(duì)主存訪問次數(shù)的增多，可以對(duì)頁表為了避免對(duì)主存訪問次數(shù)的增多，可以對(duì)頁表 本身實(shí)行二級(jí)緩存，把頁表中的最活躍的部分本身實(shí)行二級(jí)緩存，把頁表中的最活躍的部分 存放在高速存儲(chǔ)器中，組成快表；存放在高速存儲(chǔ)器中，組成快表； 快表快表，專用于頁表緩存的高速存儲(chǔ)部件通常稱，專用于頁表緩存的高速存儲(chǔ)部件通常稱 為快表，或轉(zhuǎn)換后援緩沖器為快表，或轉(zhuǎn)換后援緩沖器(TLB)； 保存在主存中的完整頁表則稱為保存在主存中的完整頁表則稱為慢表慢表

22、。 快表內(nèi)容和頁式管理快表內(nèi)容和頁式管理 + （在內(nèi)存中）控制位（在內(nèi)存中）控制位 有效位有效位 虛虛 頁號(hào)頁號(hào) 實(shí)實(shí) 頁號(hào)頁號(hào) 慢表慢表 虛地址虛地址 (程序中給出程序中給出) 實(shí)地址實(shí)地址 (讀寫內(nèi)存用讀寫內(nèi)存用) 快表快表(專設(shè)硬件專設(shè)硬件) 比較比較(按內(nèi)容選按內(nèi)容選) 按地址讀按地址讀 實(shí)頁號(hào)實(shí)頁號(hào) 虛頁號(hào)虛頁號(hào) 頁內(nèi)地址頁內(nèi)地址 實(shí)頁號(hào)實(shí)頁號(hào) 頁內(nèi)地址頁內(nèi)地址 頁表基地址頁表基地址 TLB的地址映射過程的地址映射過程 5、內(nèi)頁表和外頁表、內(nèi)頁表和外頁表 內(nèi)頁表內(nèi)頁表 v頁表是虛地址到主存物理地址的變換表，通頁表是虛地址到主存物理地址的變換表，通 常稱為內(nèi)頁表；常稱為內(nèi)頁表； 外頁表

23、外頁表 v用于虛地址與輔存地址之間的變換；用于虛地址與輔存地址之間的變換； v當(dāng)主存缺頁時(shí)，調(diào)頁操作首先要定位輔存，當(dāng)主存缺頁時(shí)，調(diào)頁操作首先要定位輔存， 而外頁表的結(jié)構(gòu)與輔存的尋址機(jī)制密切相關(guān)。而外頁表的結(jié)構(gòu)與輔存的尋址機(jī)制密切相關(guān)。 例如對(duì)磁盤而言，輔存地址包括磁盤機(jī)號(hào)、例如對(duì)磁盤而言，輔存地址包括磁盤機(jī)號(hào)、 磁頭號(hào)、磁道號(hào)和扇區(qū)號(hào)等。磁頭號(hào)、磁道號(hào)和扇區(qū)號(hào)等。 四、段頁式虛擬存儲(chǔ)器四、段頁式虛擬存儲(chǔ)器 段式和頁式虛擬存儲(chǔ)器的結(jié)合；段式和頁式虛擬存儲(chǔ)器的結(jié)合； 實(shí)存被等分成頁，每個(gè)程序則先按邏輯結(jié)實(shí)存被等分成頁，每個(gè)程序則先按邏輯結(jié) 構(gòu)分段，每段再按照實(shí)存的頁大小分頁，構(gòu)分段，每段再按照實(shí)

24、存的頁大小分頁， 程序按頁進(jìn)行調(diào)入和調(diào)出操作，但可按段程序按頁進(jìn)行調(diào)入和調(diào)出操作，但可按段 進(jìn)行編程、保護(hù)和共享；進(jìn)行編程、保護(hù)和共享； 地址映射通過一個(gè)段表和一組頁表進(jìn)行；地址映射通過一個(gè)段表和一組頁表進(jìn)行； 優(yōu)點(diǎn)，可以兼取頁式和段式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；優(yōu)點(diǎn)，可以兼取頁式和段式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)； 缺點(diǎn)，需要在地址映射過程中多次查表；缺點(diǎn)，需要在地址映射過程中多次查表； 段頁式虛存的地址變換過程段頁式虛存的地址變換過程 五、虛存的替換算法五、虛存的替換算法 當(dāng)從輔存調(diào)頁至主存而主存已滿時(shí)，也需要進(jìn)當(dāng)從輔存調(diào)頁至主存而主存已滿時(shí)，也需要進(jìn) 行主存頁面的替換。虛存的替換算法與行主存頁面的替換。虛存的替換算法與C

25、ache 類似，有類似，有FIFO算法、算法、LRU算法等。算法等。 虛擬存儲(chǔ)器的替換算法與虛擬存儲(chǔ)器的替換算法與cache的替換算法不的替換算法不 同的是：同的是： vcache的替換全部靠硬件實(shí)現(xiàn)，而虛存的替換由操作的替換全部靠硬件實(shí)現(xiàn)，而虛存的替換由操作 系統(tǒng)的支持；系統(tǒng)的支持； v虛存缺頁對(duì)系統(tǒng)性能的影響比虛存缺頁對(duì)系統(tǒng)性能的影響比cache未命中要大得多，未命中要大得多， 因?yàn)檎{(diào)頁需要訪問輔存，并要進(jìn)行任務(wù)切換；因?yàn)檎{(diào)頁需要訪問輔存，并要進(jìn)行任務(wù)切換； v虛存頁面替換的選擇余地很大，屬于一個(gè)進(jìn)程的頁虛存頁面替換的選擇余地很大，屬于一個(gè)進(jìn)程的頁 面都可替換。面都可替換。 輔助存儲(chǔ)器輔助

26、存儲(chǔ)器 一、概述一、概述 1. 特點(diǎn)特點(diǎn)不直接與不直接與 CPU 交換信息，容量大，速度慢交換信息，容量大，速度慢 2. 磁表面存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)磁表面存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo) 道密度道密度 Dt位密度位密度 Db C = n k s 尋道時(shí)間尋道時(shí)間 + 等待時(shí)間等待時(shí)間 (1) 記錄密度記錄密度 (2) 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 (3) 平均尋址時(shí)間平均尋址時(shí)間 (4) 數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率 (5) 誤碼率誤碼率 輔存的速度輔存的速度 尋址時(shí)間尋址時(shí)間 磁頭讀寫時(shí)間磁頭讀寫時(shí)間 Dr = Db V 出錯(cuò)信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比出錯(cuò)信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比 二、磁記錄原理和記錄方式二、磁記錄原理和

27、記錄方式 磁記錄原理磁記錄原理 通過磁頭和記錄介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成讀通過磁頭和記錄介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成讀/寫操作；寫操作； 2. 磁表面存儲(chǔ)器的記錄方式磁表面存儲(chǔ)器的記錄方式 磁記錄方式是指如何將一串二進(jìn)制信息，通過讀寫電路變磁記錄方式是指如何將一串二進(jìn)制信息，通過讀寫電路變 換成磁層介質(zhì)中的磁化翻轉(zhuǎn)序列，是一種編碼方法；換成磁層介質(zhì)中的磁化翻轉(zhuǎn)序列，是一種編碼方法； 好的編碼方法應(yīng)該具備好的編碼方法應(yīng)該具備 v更高的編碼效率、自同步能力及讀寫可靠性等更高的編碼效率、自同步能力及讀寫可靠性等 常用的編碼方式（常用的編碼方式（RZ/NRZ/NRZ1/PM/FM/MFM) v歸零制（歸零制（RZ） 線

28、圈中正脈沖為線圈中正脈沖為“1”，負(fù)脈沖為，負(fù)脈沖為“0”，信息位之間電流為零，信息位之間電流為零 不歸零制（不歸零制（NRZ） 線圈中一直有正或負(fù)脈沖（包括兩位信息位之間）；線圈中一直有正或負(fù)脈沖（包括兩位信息位之間）； 見見1翻轉(zhuǎn)的不歸零制（翻轉(zhuǎn)的不歸零制（NRZ1） 只有見到只有見到“1”才改變電流的方向；才改變電流的方向； 調(diào)相制（調(diào)相制（PM） 用脈沖的邊沿來表示用脈沖的邊沿來表示“0”和和“1”； 調(diào)頻制（調(diào)頻制（FM） “1”:位周期中心和位與位之間都翻轉(zhuǎn)；位周期中心和位與位之間都翻轉(zhuǎn)； “0”:位周期中心不翻轉(zhuǎn)，位與位之間翻轉(zhuǎn)；位周期中心不翻轉(zhuǎn)，位與位之間翻轉(zhuǎn)； 改進(jìn)的調(diào)頻制（

29、改進(jìn)的調(diào)頻制（MFM） 只有連續(xù)兩個(gè)或以上的只有連續(xù)兩個(gè)或以上的“0”時(shí)，才在位周期的起始位置時(shí)，才在位周期的起始位置 翻轉(zhuǎn)；翻轉(zhuǎn)； 常用磁記錄方式波形圖常用磁記錄方式波形圖 011100010 數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列 RZ NRZ NRZ1 PM FM MFM T 位周期位周期 例例 NRZ1 的讀出代碼波形的讀出代碼波形 0110010數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列 驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流 磁通變化磁通變化 感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì) 同步脈沖同步脈沖 讀出代碼讀出代碼 三、硬磁盤存儲(chǔ)器三、硬磁盤存儲(chǔ)器 1. 硬磁盤存儲(chǔ)器的類型硬磁盤存儲(chǔ)器的類型 (1) 固定磁頭和移動(dòng)磁頭固定磁頭和移動(dòng)磁頭 (2) 可換盤和固定盤可換盤和固

30、定盤 2. 硬磁盤存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)硬磁盤存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 磁磁 盤盤 控控 制制 器器 磁磁 盤盤 驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng) 器器 盤盤 片片 主主 機(jī)機(jī) 磁盤磁盤 磁磁 盤盤 組組 主軸主軸磁頭磁頭 音圈音圈 電機(jī)電機(jī) 位置檢測(cè)位置檢測(cè) 定位驅(qū)動(dòng)定位驅(qū)動(dòng) 模擬控制模擬控制 放放 大大 閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng) 由磁盤控制由磁盤控制 器送來的目器送來的目 標(biāo)磁道信號(hào)標(biāo)磁道信號(hào) 測(cè)測(cè) 速速 輸輸 出出 讀寫臂讀寫臂 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 主軸主軸定位驅(qū)動(dòng)定位驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)控制 (1) 磁盤驅(qū)動(dòng)器磁盤驅(qū)動(dòng)器 (2) (2) 磁盤控制器磁盤控制器 接收主機(jī)發(fā)來的命令，轉(zhuǎn)換成磁盤驅(qū)動(dòng)器的控制命令接收主機(jī)發(fā)來的命令，轉(zhuǎn)換成磁盤驅(qū)動(dòng)器的控制命令 實(shí)現(xiàn)主機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)主機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 控制磁盤驅(qū)動(dòng)器讀寫控制磁盤驅(qū)動(dòng)器讀寫 通過總線通過總線 (3) (3) 盤片盤片 對(duì)主機(jī)對(duì)主機(jī) 對(duì)硬盤（設(shè)備）對(duì)硬盤（設(shè)備） 磁盤控制器磁盤控制