免费智能真题库 > 历年试卷 > 程序员 > 2016年下半年 程序员 上午试卷 综合知识
  第7题      
  知识点:   虚拟存储器管理   存储器   存储体系
  关键词:   存储器   存储体   计算机系统   虚拟存储        章/节:   软件基础知识       

 
计算机系统中,虚拟存储体系由(7)两级存储器构成。
 
 
  A.  主存一辅存
 
  B.  寄存器一Cache
 
  C.  寄存器一主存
 
  D.  Cache一主存
 
 
 

 
  第27题    2016年下半年  
   50%
某分页存储管理系统中的地址结构如下图所示。若系统以字节编址,则该系统每个页面的大小为(27)。
  第25题    2014年下半年  
   50%
某分页存储管理系统中的地址结构如下图所示。若系统以字节编址,则该系统页的大小为(25) MB;共有(26)个页面。
  第27题    2015年上半年  
   55%
在请求分页系统中,当运行进程访问的页面不在主存且主存中没有可用的空闲块时,系统应该先产生缺页中断,然后依次按照 (27)的顺..
   知识点讲解    
   · 虚拟存储器管理    · 存储器    · 存储体系
 
       虚拟存储器管理
               虚拟存储器的引入
               1)局部性原理
               存储管理策略的基础是局部性原理——进程往往会不均匀地、高度局部化地访问主存。局部性表现为时间局部性和空间局部性两类。
               .时间局部性:是指最近被访问的存储位置,很可能不久的将来还要访问,如循环、栈等。
               .空间局部性:是指存储访问有成组的倾向,当访问了某个位置后,很可能还要访问其附近的位置,如访问数组、代码顺序执行等。
               2)虚拟存储器的定义
               根据局部性原理,一个作业在运行之前,没有必要把作业全部装入主存,而仅将那些当前要运行的那部分页面或段先装入主存启动运行,其余部分暂时留在磁盘上。
               程序在运行时如果它所要访问的页(段)已调入主存,便可继续执行下去;但如果程序所要访问的页(段)尚未调入主存(称为缺页或缺段),程序应利用操作系统所提供的请求调页(段)功能,将它们调入主存,以使进程能继续执行下去。如果此时主存已满,无法再装入新的页(段),则还要再利用页(段)的置换功能,将主存中暂时不用的页(段)调出至磁盘上,以便腾出足够的主存空间后,再将所要访问的页(段)调入主存,使程序继续执行下去。这样,便可使一个大的用户程序在较小的主存空间中运行,也可使主存中同时装入更多的进程并发执行。从用户角度看,该系统所具有的主存容量,将比实际主存容量大得多,人们把这样的存储器称为虚拟存储器。
               虚拟存储器具有请求调入功能和置换功能,能仅把作业的一部分装入主存便可运行作业的存储器系统,能从逻辑上对主存容量进行扩充。
               3)虚拟存储器的实现
               (1)请求分页系统:在分页系统的基础上,增加了请求调页功能和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。
               (2)请求分段系统:在分段系统的基础上,增加了请求调段功能和分段置换功能所形成的段式虚拟存储系统。
               请求分页中的硬件支持
               请求分页是目前常用的一种虚拟存储器方式。
               1)请求分页的页表机制
               请求分页的页表机制是在纯分页的页表机制上形成的,由于只将应用程序的一部分调入主存,还有一部分仍在磁盘上,故需在页表中再增加若干项,如状态位、访问字段、辅存地址等供程序(数据)在换进、换出时引用。
               2)缺页中断机构
               在请求分页系统中,每当所要访问的页面不在主存时,便要产生一个缺页中断,请求操作系统将所缺页调入主存。与一般中断的主要区别在于:缺页中断在指令执行期间产生和处理中断信号,而一般中断在一条指令执行完后检查和处理中断信号。缺页中断返回到该指令的开始重新执行该指令,而一般中断则返回到该指令的下一条指令执行。
               3)地址转换机构
               请求分页系统中的地址转换机构是在分页系统的地址转换机构的基础上,为实现虚拟存储器而增加了某些功能后形成的,如产生和处理缺页中断、从主存中换出一页等。
               页面置换算法
               1)最佳置换算法
               最佳(Optimal)置换算法是一种理想化的算法,性能最好,但在实际上难以实现,所以该算法通常用来评价其他算法。
               2)先进先出置换算法
               先进先出(FIFO)置换算法总是淘汰最先进入内存的页面。其算法实现简单,是一种最直观,也是性能最差的算法。
               3)最近最久未使用置换算法
               最近最久未使用(Least Recently Used, LRU)置换算法是选择最近最久未使用的页面予以淘汰,系统在每个页面设置一个访问字段,用以记录这个页面自上次被访问以来所经历的时间T,当要淘汰一个页面时,选择T最大的页面。
               4)最近未用置换算法
               最近未用(Not Used Recently, NUR)置换算法将最近一段时间未引用过的页面换出,是一种LRU的近似算法。
 
       存储器
        计算机系统中包括各种存储器,如CPU内部的通用寄存器组和Cache(高速缓存)、CPU外部的Cache、主板上的主存储器、主板外的联机(在线)磁盘存储器以及脱机(离线)的磁带存储器和光盘存储器等。不同特点的存储器通过适当的硬件、软件有机地组合在一起形成计算机的存储体系层次结构,位于更高层的存储设备比较低层次的存储设备速度更快、单位比特造价也更高。其中,Cache和主存之间的交互功能全部由硬件实现,而主存与辅存之间的交互功能可由硬件和软件结合起来实现。
               存储器的分类
                      按存储器所处的位置分类
                      按存储器所处的位置可分为内存和外存。
                      (1)内存。也称为主存(Main Memory),设在主机内或主机板上,用来存放机器当前运行所需要的程序和数据,以便向CPU提供信息。相对于外存,其特点是容量小、速度快。
                      (2)外存。也称为辅存,如磁盘、磁带和光盘等,用来存放当前不参加运行的大量信息,而在需要时调入内存。
                      按存储器的构成材料分类
                      按构成存储器的材料可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。
                      (1)磁存储器。磁存储器是用磁性介质做成的,如磁芯、磁泡、磁膜、磁鼓、磁带及磁盘等。
                      (2)半导体存储器。根据所用元器件又可分为双极型和MOS型;根据数据是否需要刷新又可分为静态(Static memory)和动态(Dynamic memory)两类。
                      (3)光存储器。利用光学方法读/写数据的存储器,如光盘(Optical Disk)。
                      按存储器的工作方式分类
                      按存储器的工作方式可分为读/写存储器和只读存储器。
                      (1)读/写存储器(Random Access Memory,RAM)。它指既能读取数据也能存入数据的存储器。按照存储单元的工作原理,随机存储器又分为静态随机存储器(Static RAM,SRAM)和动态随机存储器(Dynamic RAM,DRAM)。SRAM比DRAM更快,也贵得多。
                      (2)只读存储器。工作过程中仅能读取的存储器,根据数据的写入方式,这种存储器又可细分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等类型。
                      ①固定只读存储器(Read Only Memory,ROM)。这种存储器是在厂家生产时就写好数据的,其内容只能读出,不能改变。一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。
                      ②可编程的只读存储器(Programmable Read Only Memory,PROM)。其中的内容可以由用户一次性地写入,写入后不能再修改。
                      ③可擦除可编程的只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM)。其中的内容既可以读出,也可以由用户写入,写入后还可以修改。改写的方法是写入之前先用紫外线照射15~20分钟以擦去所有信息,然后再用特殊的电子设备写入信息。
                      ④电擦除可编程的只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,EEPROM)。与EPROM相似,EEPROM中的内容既可以读出,也可以进行改写。只不过这种存储器是用电擦除的方法进行数据的改写。
                      ⑤闪存(Flash Memory)。闪存是一种非易失性存储器,基于EEPROM,已成为重要的存储技术,为大量电子设备包括数码相机、手机、PDA、笔记本、台式机和服务器等计算机系统提供快速且持久的存储能力。
                      存储在ROM设备中的程序通常称为固件(Firmware)。例如,当计算机加电后,它会运行存储在ROM中的固件。
                      按访问方式分类
                      按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。
                      按寻址方式分类
                      按寻址方式可分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。
                      (1)随机存储器(Random Access Memory,RAM)。这种存储器可对任何存储单元存入或读取数据,访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。
                      (2)顺序存储器(Sequentially Addressed Memory,SAM)。访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关,磁带是典型的顺序存储器。
                      (3)直接存储器(Direct Addressed Memory,DAM)。介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。磁盘是一种直接存取存储器,它对磁道的寻址是随机的,而在一个磁道内则是顺序寻址。
               相联存储器
               相联存储器是一种按内容访问的存储器。其工作原理就是把数据或数据的某一部分作为关键字,按顺序写入信息,读出时并行地将该关键字与存储器中的每一单元进行比较,找出存储器中所有与关键字相同的数据字,特别适合于信息的检索和更新。
               相联存储器的结构如下图所示。
               
               相联存储器的结构框图
               相联存储器中,输入检索寄存器用来存放要检索的内容(关键字),屏蔽寄存器用来屏蔽那些不参与检索的字段,比较器将检索的关键字与存储体的每一单元进行比较。为了提高速度,比较器的数量应很大。对于位比较器,应每位对应一个,应有2m×N个,对于字比较器应有2m个。匹配寄存器用来记录比较的结果,它应有2m个二进制位,用来记录2m个比较器的结果,1为相等(匹配),0为不相等(不匹配)。
               相联存储器可用在高速缓冲存储器中,在虚拟存储器中用来作为段表、页表或快表存储器,用在数据库和知识库中。
               高速缓存
               高速缓存(Cache)由快速半导体存储器构成,用来存放当前最活跃的程序和数据,其内容是主存局部域的副本,对程序员来说是透明的。
                      高速缓存的组成
                      Cache存储器中控制部分的功能是判断CPU要访问的信息是否在Cache存储器中,若在即为命中,若不在则没有命中。命中时直接对Cache存储器寻址;未命中时,要按照替换原则决定主存的一块信息放到Cache存储器的哪一块里。
                      现代CPU中Cache分为了多个层级,如下图所示。
                      
                      三级Cache示意图
                      在多级Cache的计算机中,Cache分为一级(L1 Cache)、二级(L2Cache)、三级(L3 Cache)等,CPU访存时首先查找L1 Cache,如果不命中,则访问L2Cache,直到所有级别的Cache都不命中,才访问主存。通常要求L1 Cache的速度足够快,以赶上CPU的主频。如果Cache为两级,则L1 Cache的容量一般都比较小,为几千字节到几十千字节;L2 Cache则具有较高的容量,一般为几百字节到几兆字节,以使高速缓存具有足够高的命中率。
                      高速缓存中的地址映像方法
                      在CPU工作时,送出的是主存单元的地址,而应从Cache存储器中读/写信息。这就需要将主存地址转换成Cache存储器的地址,这种地址的转换称为地址映像。Cache的地址映像有如下3种方法。
                      (1)直接映像。直接映像是指主存的块与Cache块的对应关系是固定的,如下图所示。
                      
                      直接映像示意图
                      在这种映像方式下,由于主存中的块只能存放在Cache存储器的相同块号中,因此,只要主存地址中的主存区号与Cache中记录的主存区号相同,则表明访问Cache命中。一旦命中,由主存地址中的区内块号立即可得到要访问的Cache存储器中的块,而块内地址就是主存地址中给出的低位地址。
                      直接映像方式的优点是地址变换很简单,缺点是灵活性差。例如,不同区号中块号相同的块无法同时调入Cache存储器,即使Cache存储器中有空闲的块也不能利用。
                      (2)全相联映像。全相联映像如下图所示。同样,主存与Cache存储器均分成大小相同的块。这种映像方式允许主存的任一块可以调入Cache存储器的任何一个块的空间中。
                      
                      全相联映像示意图
                      例如,主存为64MB,Cache为32KB,块的大小为4KB(块内地址需要12位),因此主存分为16384块,块号从0~16383,表示块号需要14位,Cache分为8块,块号为0~7,表示块号需3位。存放主存块号的相联存储器需要有Cache块个数相同数目的单元(该例中为8),相联存储器中每个单元记录所存储的主存块的块号,该例中相联存储器每个单元应为14位,共8个单元。
                      在地址变换时,利用主存地址高位表示的主存块号与Cache中相联存储器所有单元中记录的主存块号进行比较,若相同即为命中。这时相联存储器单元的编号就对应要访问Cache的块号,从而在相应的Cache块中根据块内地址(上例中块内地址是12位,Cache与主存的块内地址是相同的)访问到相应的存储单元。
                      全相联映像的主要优点是主存的块调入Cache的位置不受限制,十分灵活。其主要缺点是无法从主存块号中直接获得Cache的块号,变换比较复杂,速度比较慢。
                      (3)组相联映像。这种方式是前面两种方式的折中。具体方法是将Cache中的块再分成组。例如,假定Cache有16块,再将每两块分为1组,则Cache就分为8组。主存同样分区,每区16块,再将每两块分为1组,则每区就分为8组。
                      组相联映像就是规定组采用直接映像方式而块采用全相联映像方式。也就是说,主存任何区的0组只能存到Cache的0组中,1组只能存到Cache的1组中,以此类推。组内的块则采用全相联映像方式,即一组内的块可以任意存放。也就是说,主存一组中的任一块可以存入Cache相应组的任一块中。
                      在这种方式下,通过直接映像方式来决定组号,在一组内再用全相联映像方式来决定Cache中的块号。由主存地址高位决定的主存区号与Cache中区号比较可决定是否命中。主存后面的地址即为组号。
                      替换算法
                      替换算法的目标就是使Cache获得尽可能高的命中率。常用算法有如下几种。
                      (1)随机替换算法。就是用随机数发生器产生一个要替换的块号,将该块替换出去。
                      (2)先进先出算法。就是将最先进入Cache的信息块替换出去。
                      (3)近期最少使用算法。这种方法是将近期最少使用的Cache中的信息块替换出去。
                      (4)优化替换算法。这种方法必须先执行一次程序,统计Cache的替换情况。有了这样的先验信息,在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换。
                      Cache性能分析
                      Cache的性能是计算机系统性能的重要方面。命中率是Cache的一个重要指标,但不是最主要的指标。Cache设计的目标是在成本允许的条件下达到较高的命中率,使存储系统具有最短的平均访问时间。设Hc为Cache的命中率,tc为Cache的存取时间,tm为主存的访问时间,则Cache存储器的等效加权平均访问时间ta为:
                      ta=Hctc+(1-Hc)tm=tc+(1-Hc)(tm-tc
                      这里假设Cache访问和主存访问是同时启动的,其中,tc为Cache命中时的访问时间,(tm-tc)为失效访问时间。如果在Cache不命中时才启动主存,则
                      ta=tc+(1-Hc)tm
                      Cache的命中率与Cache容量的关系如下图所示。Cache容量越大,则命中率越高,随着Cache容量的增加,其失效率接近0%(命中率逐渐接近100%)。但是,增加Cache容量意味着增加Cache的成本和增加Cache的命中时间。
                      
                      Cache容量与命中率的关系
                      在指令流水线中,Cache访问作为流水线中的一个操作阶段,Cache失效将影响指令的流水。因此,降低Cache的失效率是提高Cache性能的一项重要措施。当Cache容量比较小时,容量因素在Cache失效中占有比较大的比例。降低Cache失效率的方法主要有选择恰当的块容量、提高Cache的容量和提高Cache的相联度等。
               虚拟存储器
               在概念上,可以将主存存储器看作一个由若干个字节构成的存储空间,每个字节(称为一个存储单元)有一个地址编号,主存单元的该地址称为物理地址(physical address)。当需要访问主存中的数据时,由CPU给出要访问数据所在的存储单元地址,然后由主存的读写控制部件定位对应的存储单元,对其进行读(或写)操作来完成访问操作。
               现代系统提供了一种对主存的抽象,称为虚拟存储(virtual memory),使用虚拟地址(virtual address,由CPU生成)的概念来访问主存,使用专门的MMU(Memory Management Unit)将虚拟地址转换为物理地址后访问主存。设主存容量为4GB,则其简化后的访问操作和内存模型如下图所示。
               
               内存模型及使用虚拟地址访存示意图
               虚拟存储器实际上是一种逻辑存储器,实质是对物理存储设备进行逻辑化的处理,并将统一的逻辑视图呈现给用户。因此,用户在使用时,操作的是虚拟设备,无需关心底层的物理环境,从而可以充分利用基于异构平台的存储空间,达到最优化的使用效率。
               外存储器
               外存储器用来存放暂时不用的程序和数据,并且以文件的形式存储。CPU不能直接访问外存中的程序和数据,只有将其以文件为单位调入主存才可访问。外存储器主要由磁表面存储器(如磁盘、磁带)、光盘存储器及固态硬盘(采用Flash芯片或DRAM作为存储介质的存储器)构成。
                      磁盘存储器
                      硬盘是最常见的外存储器。一个硬盘驱动器内可装有多个盘片,组成盘片组,每个盘片都配有一个独立的读/写头。
                      为了正确地存储信息,将盘片划成许多同心圆,称为磁道(track)。将一个磁道沿圆周划分为若干段,每段称为一个扇区(sector),每个扇区内可存放一个固定长度的数据块,如512字节。一组盘片的所有记录面上相同序号的磁道构成一个柱面(cylinder)。
                      硬盘的寻址信息由硬盘驱动号、柱面号、磁头号(记录面号)、数据块号(或扇区号)以及交换量组成。
                      磁盘以扇区大小的块来读写数据。对扇区的访问时间(access time)主要包括以下三个部分:寻道时间(seek time)、旋转时间(rotational latency)和传送时间(transfer time)。
                      (1)寻道时间。为了读取某个目标扇区的内容,需要将读/写头移动到包含目标扇区的磁道上,这称为寻道时间Tseek。显然,寻道时间与读/写头的移动速度以及其之前的位置有关。通过数千次对随机扇区的寻道操作求平均值来测得平均寻道时间,一般为3~9ms。
                      (2)旋转时间。一旦读/写头定位至期望的磁道,就等待目标扇区旋转到读/写头的下方,该时间依赖于读/写头到达目标扇区前盘面的位置和旋转速度。在最坏情况下,读/写头刚好错过目标扇区,就必须等待磁盘旋转一周。因此,最大旋转延迟时间Tmax rotaion为磁盘旋转速度的倒数,平均旋转时间Tavg rotaion为最大旋转延迟时间的一半。
                      (3)传送时间。当目标扇区的第一个位位于读/写头下方时,就可以开始读或写该扇区的内容了。一个扇区数据的传送时间依赖与旋转速度和每磁道的扇区数目,因此可以粗略估算一个扇区的平均传送时间Tavg transfer为磁盘旋转速度的倒数乘以每磁道扇区数的倒数。
                      现代磁盘构造复杂,大容量磁盘采用多区记录技术,将柱面的集合分割成不相交的子集,每个子集称为一个记录区。每个记录区包含一组连续的柱面,一个及记录区中每个柱面的每条磁道有相同数量的扇区,扇区数由最靠近盘片中心的磁道所能包含的扇区数决定。
                      一个磁盘上可以记录的最大位数称为其最大容量。最大容量由记录密度、磁道密度和面密度决定。
                      记录密度是指每英寸磁道的段中可以存储的位数。磁道密度是盘片半径方向上每英寸的磁道数。面密度则是记录密度与磁道密度的乘积。
                      磁盘最大容量等于每扇区字节数×每磁道平均扇区数×每盘面磁道数×每盘片记录面数×盘片数。
                      磁盘通常以千兆字节(GB)或兆兆字节(TB)为单位来表示磁盘容量,且1GB=109B,1TB=1012B。
                      磁盘控制器必须对磁盘进行格式化后才能存储数据。格式化后的容量通常小于最大容量。
                      光盘存储器
                      根据性能和用途,光盘存储器可分为只读型光盘(CD-ROM)、只写一次型光盘(WORM)和可擦除型光盘。只读型光盘是由生产厂家预先用激光在盘片上蚀刻不能再改写的各种信息,目前这类光盘的使用很普遍。只写一次型光盘是指由用户一次写入、可多次读出但不能擦除的光盘,写入方法是利用聚焦激光束的热能,使光盘表面发生永久性变化而实现的。可擦除型光盘是读/写型光盘,它是利用激光照射引起介质的可逆性物理变化来记录信息。
                      光盘存储器由光学、电学和机械部件等组成。其特点是记录密度高、存储容量大、采用非接触式读/写信息(光头距离光盘通常为2mm)、信息可长期保存(其寿命达10年以上)、采用多通道记录时数据传送率可超过200Mb/s、制造成本低、对机械结构的精度要求不高、存取时间较长。
                      固态硬盘
                      固态硬盘(Solid State Disk,SSD)的存储介质分为两种,一种是采用闪存(FLASH芯片)作为存储介质;另一种是采用DRAM作为存储介质。
                      基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别,其主体是一块PCB板,板上最基本的配件就是控制芯片、缓存芯片和用于存储数据的闪存芯片。主控芯片是固态硬盘的大脑,其作用有两个:一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷;二是承担数据中转的作用,连接闪存芯片和外部SATA或USB接口。不同主控芯片差异很大,在数据处理能力、算法,对闪存芯片的读写控制方面会有非常大的不同,直接会导致固态硬盘产品在性能上差距很大。
                      一个闪存由多个块、每块由多页组成,通常页的大小为512B~4KB,块的大小为32~128页。在闪存中,数据是以页为单位读写的。只有在一个页所在的块被整体擦除后,才能写入该页。写一个块重复写入限定次数(例如100000)后,该块就会磨损坏而不能再使用。如果一个固态硬盘的主控芯片中磨损逻辑处理得好,就可以用很多年。
                      SSD的读操作比写操作要快,顺序读写操作比随机读写操作要快。进行随机写操作时,要擦除整块,因此需要较长的时间。另外,如果写操作试图修改一个包含其他有用数据的块,则需要将有用数据复制到一个新擦除的块中,然后才能进行写入操作。
                      固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘基本相同,外形和尺寸也基本与普通的2.5英寸硬盘一致。
                      固态硬盘虽然价格仍较为昂贵,容量较低,但是由于具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点,因此常作为传统机械式硬盘的替代品使用。
               磁盘阵列技术
               磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存子系统。现在常见的磁盘阵列称为廉价冗余磁盘阵列(Redundant Array of Independent Disk,RAID)。
               虽然RAID包含多块硬盘,但从用户视角看则是一个独立的大型存储设备。RAID可以充分发挥出多块硬盘的优势,实现远超出任何一块单独硬盘的速度和吞吐量。除了性能上的提高之外,RAID还可以提供良好的容错能力。RAID技术分为几种不同的等级,分别可以提供不同的速度、安全性和性价比。
               目前,常见的RAID如下表所示。
               
               廉价冗余磁盘阵列
               除此之外,上述各种类型的RAID还可以组合起来,构成复合型的RAID,此处不再赘述。
               存储域网络
               存储域网络是连接服务器与存储设备的网络,它能够将多个分布在不同地点的RAID组织成一个逻辑存储设备,供多个服务器共享访问,如下图所示。通过网络将一个或多个服务器与多个存储设备连接起来,每个存储设备可以是RAID、磁带备份系统、磁带库和CD-ROM库等,构成了存储域网络(Storage Area Network,SAN)。这样的网络不仅解决服务器对存储容量的要求,还可以使多个服务器之间可以共享文件系统和辅助存储空间,避免数据和程序代码的重复存储,提高存储器的利用率。另外,SAN还实现了分布式存储系统的集中管理,降低了大容量存储系统的管理成本,提高了管理效率。
               
               SAN的结构
 
       存储体系
        计算机中,用于存放程序或数据的存储部件有CPU内部寄存器、高速缓冲存储器(Cache)、主存储器(内存储器、内存)和辅存(外存储器、外存)。它们的存取速度不一样,从快到慢依次为寄存器→Cache→内存→辅存。一般来讲,速度越快,成本就会越高。因为成本高,所以容量就会越小。严格来说,CPU内部寄存器不算存储系统。因此,在计算机的存储系统体系中,Cache是访问速度最快的设备。
               主存储器
               内存采用的是随机存取方式,因此简称为RAM。如果计算机断电,则RAM中的信息会丢失。内存需对每个数据块进行编码,即每个单元有一个地址,这就是所谓的内存编址问题。内存一般按照字节编址或按照字编址,通常采用的是十六进制表示。例如,假设某内存储器按字节编址,地址从A4000H到CBFFFH,则表示该存储器有(CBFFFA4000)+1个字节(28 000H字节),也就是163 840个字节(160KB)。
               编址的基础可以是字节,也可以是字(字是由一个或多个字节组成的),要算地址位数,首先应计算要编址的字或字节数,然后对其求2的对数即可得到。例如,上述内存的容量为160KB,则需要18位地址来表示(217=131 072,218=262 144)。
               内存这个知识点的另外一个问题就是求存储芯片的组成问题。实际的存储器总是由一片或多片存储器配以控制电路构成。其容量为W×B,W是存储单元的数量,B表示每个单元由多少位组成。如果某一芯片规格为w×b,则组成W×B的存储器需要用(W/w)×(B/b)块芯片。例如,上述例子中的存储器容量为160KB,若用存储容量为32K×8b的存储芯片构成,因为1B=8b(一个字节由8位组成),则至少需要(160K/32K)×(1B/8)=5块。
               高速缓冲存储器
               Cache的功能是提高CPU数据输入输出的速率,突破所谓的“冯·诺依曼瓶颈”,即CPU与存储系统间数据传送带宽限制。高速存储器能以极高的速率进行数据的访问,但因其价格高昂,如果计算机的内存完全由这种高速存储器组成,则会大大增加计算机的成本。因此通常在CPU和内存之间设置小容量的高速存储器Cache。Cache容量小但速度快,内存速度较低但容量大,通过优化调度算法,系统的性能会大大改善,就如同其存储系统容量与内存相当而访问速度近似于Cache。
               使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。依据局部性原理,把内存中访问概率高的内容存放在Cache中,当CPU需要读取数据时就首先在Cache中查找是否有所需内容。如果有,则直接从Cache中读取;若没有,再从内存中读取该数据,然后同时送往CPU和Cache。如果CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到(称为访问命中),则可以大大提高系统性能。
               如果以h代表对Cache的访问命中率(“1-h”称为失效率,或者称为未命中率),t1表示Cache的周期时间,t2表示内存的周期时间,在读操作中使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为t3。则:
               t3=t1×h+t2×(1-h
               系统的平均存储周期与命中率有很密切的关系,命中率的提高即使很小也能导致性能上的较大改善。
               当CPU发出访存请求后,存储器地址先被送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中,若命中则直接对Cache进行访问。这个过程称为Cache的地址映射。常见的映射方法有直接映射、相联映射和组相联映射。
               当Cache产生了一次访问未命中之后,相应的数据应同时读入CPU和Cache。但是当Cache已存满数据后,新数据必须淘汰Cache中的某些旧数据。最常用的淘汰算法有随机淘汰法、先进先出淘汰法(FIFO)和近期最少使用淘汰法(LRU)。
               因为需要保证缓存在Cache中的数据与内存中的内容一致,相对于读操作而言,Cache的写操作比较复杂,常用的有以下几种方法。
               (1)写直达(Write Through)。当要写Cache时,数据同时写回内存,有时也称为写通。
               (2)写回(Write Back)。CPU修改Cache的某一行后,相应的数据并不立即写入内存单元,而是当该行从Cache中被淘汰时才把数据写回到内存中。
               (3)标记法。对Cache中的每一个数据设置一个有效位,当数据进入Cache后,有效位置1;而当CPU要对该数据进行修改时,数据只需写入内存并同时将该有效位清0。当要从Cache中读取数据时需要测试其有效位:若为1则直接从Cache中取数,否则从内存中取数。
               磁盘
               本知识点的要点是掌握与磁盘相关的最重要的概念与计算公式。
               磁盘是最常见的一种外部存储器,它是由一至多个圆形磁盘组成的,其常见技术指标如下。
               (1)磁道数=(外半径-内半径)×道密度×记录面数
               说明:硬盘的第一面与最后一面是起保护作用的,一般不用于存储数据,所以在计算的时候要减掉。例如,6个双面的盘片的有效记录面数是6×2-2=10。
               (2)非格式化容量=位密度×3.14×最内圈直径×总磁道数
               说明:每个磁道的位密度是不相同的,但每个磁道的容量却是相同的。一般来说,0磁道是最外面的磁道,其位密度最小。
               (3)格式化容量=总磁道数×每道扇区数×扇区容量
               (4)平均数据传输速率=每道扇区数×扇区容量×盘片转速
               说明:盘片转速是指磁盘每秒钟转多少圈。
               (5)存取时间=寻道时间+等待时间
               说明:寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间;等待时间为等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间。显然,寻道时间与磁盘的转速没有关系。
               RAID
               廉价磁盘冗余阵列(Redundant Array of Inexpensive Disks,RAID)技术旨在缩小日益扩大的CPU速度和磁盘存储器速度之间的差距。其策略是用多个较小的磁盘驱动器替换单一的大容量磁盘驱动器,同时合理地在多个磁盘上分布存放数据以支持同时从多个磁盘进行读写,从而改善了系统的I/O性能。小容量驱动器阵列与大容量驱动器相比,具有成本低、功耗小和性能好等优势;低代价的编码容错方案在保持阵列的速度与容量优势的同时保证了极高的可靠性,同时也较容易扩展容量。但是由于允许多个磁头同时进行操作以提高I/O数据传输速度,因此不可避免地提高了出错的概率。为了补偿可靠性方面的损失,RAID使用存储的校验信息来从错误中恢复数据。最初,inexpensive一词主要针对当时另一种技术(Single Large Expensive Disk,SLED)而言,但随着技术的发展,SLED已是明日黄花,RAID和non-RAID皆采用了类似的磁盘技术。因此RAID现在代表独立磁盘冗余阵列(Redundant Array of Independent Disks),同时用independent来强调RAID技术所带来的性能改善和更高的可靠性。
               RAID机制中共分8个级别,RAID应用的主要技术有分块技术、交叉技术和重聚技术。
               (1)RAID 0级(无冗余和无校验的数据分块):具有最高的I/O性能和最高的磁盘空间利用率,易管理,但系统的故障率高,属于非冗余系统。它主要应用于那些关注性能、容量和价格而不是可靠性的应用程序。
               (2)RAID 1级(磁盘镜像阵列):由磁盘对组成,每一个工作盘都有其对应的镜像盘,上面保存着与工作盘完全相同的数据拷贝,具有最高的安全性,但磁盘空间利用率只有50%。RAID 1主要用于存放系统软件、数据及其他重要文件。它提供了数据的实时备份,一旦发生故障,所有的关键数据即刻就可重新使用。
               (3)RAID 2级(采用纠错海明码的磁盘阵列):采用了海明码纠错技术,用户需增加校验盘来提供单纠错和双验错功能。对数据的访问涉及阵列中的每一个盘。大量数据传输时I/O性能较高,但不利于小批量数据传输,因此实际应用中很少使用。
               (4)RAID 3级和RAID 4级(采用奇偶校验码的磁盘阵列):把奇偶校验码存放在一个独立的校验盘上。如果有一个盘失效,其上的数据可以通过对其他盘上的数据进行异或运算得到。读数据很快,但因为写入数据时要计算校验位,因此速度较慢。
               (5)RAID 5级(无独立校验盘的奇偶校验码磁盘阵列):与RAID 4类似,但没有独立的校验盘,校验信息分布在组内所有盘上,对于大批量和小批量数据的读写性能都很好。RAID4级和RAID 5级使用了独立存取技术,阵列中每一个磁盘都相互独立地操作,所以I/O请求可以并行处理。因此,该技术非常适合于I/O请求率高的应用,而不太适应于要求高数据传输率的应用。与其他方案类似,RAID 4级和RAID 5级也应用了数据分块技术,但块的尺寸相对大一些。
               (6)RAID 6级(具有独立的数据硬盘与两个独立的分布式校验方案):在RAID 6级的阵列中设置了一个专用的、可快速访问的异步校验盘。该盘具有独立的数据访问通路,但其性能改进有限,价格却很昂贵。
               (7)RAID 7级(具有最优化的异步高I/O速率和高数据传输率的磁盘阵列):是对RAID6级的改进。在这种阵列中的所有磁盘都具有较高的传输速度,有着优异的性能,是目前最高档次的磁盘阵列。
               (8)RAID 10级(高可靠性与高性能的组合):由多个RAID等级组合而成,建立在RAID 0级和RAID 1级基础上。RAID 1级是一个冗余的备份阵列,而RAID 0级是负责数据读写的阵列,因此该等级又称为RAID 0+1级。由于利用了RAID 0极高的读写效率和RAID 1级较高的数据保护和恢复能力,使RAID 10级成为了一种性价比较高的等级,目前几乎所有的RAID控制卡都支持这一等级。
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第7题    在手机中做本题