免费智能真题库 > 历年试卷 > 网络管理员 > 2016年下半年 网络管理员 上午试卷 综合知识
  第3题      
  知识点:   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:   硬件基础知识       

 
计算机系统中,虚拟存储体系由(3)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9题    2012年上半年  
   36%
常见的内存由(9)构成,它用电容存储信息且需要周期性地进行刷新。
  第8题    2013年下半年  
   38%
掉电后存储在(8)中的数据会丢失。
  第4题    2013年下半年  
   33%
Cache的作用是(4)。
   知识点讲解    
   · 存储器    · 存储体系
 
       存储器
        存储器是计算机的一个重要组成部分,它用来保存计算机工作所必需的程序和数据。正因为有了存储器,计算机才有信息记忆功能。
               分类
               1)按在计算机中的作用分类
               按在计算机中的作用可分为内部存储器、外部存储器和缓冲存储器。
               (1)内部存储器简称内存或主存。内存是主机的一个组成部分,它用来容纳当前正在使用的,或者经常要使用的程序或数据,CPU可以直接从内部存储器取指令或存取数据。
               (2)外部存储器简称外存或辅存。外存也是用来存储各种信息的,但是CPU要使用这些信息时,必须通过专门的设备将信息先传送到内存中,因此外存存放相对来说不经常使用的程序和数据。另外,外存总是和某个外部设备相关的。
               (3)缓冲存储器用于两个工作速度不同的部件之间,在交换信息过程中起缓冲作用。
               2)按存储介质分类
               按存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器和光电存储器。
               3)按存取方式分类
               按存取方式可分为随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和串行访问存储器。
               (1)随机存储器(Random Access Memory, RAM)又称为读写存储器,是指通过指令可以随机地、个别地对各个存储单元进行访问。它是易失性存储器,这种存储器一旦去掉其电源,则所保存的信息全部丢失。
               (2)只读存储器(Read Only Memory, ROM)是一种对其内容只能读不能写入的存储器。它属于非易失性存储器,当去掉其电源后,所保存的信息仍保持不变。
               (3)串行访问存储器(Serial Access Storage, SAS)是指对存储器的信息进行读写时,需要顺序地访问。
               主存储器
               1)主存储器的种类
               主存储器一般由半导体随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)组成,其绝大部分由RAM组成。按所用元件类型来分有双极性和MOS存储器两类。前者存取速度比后者高,但集成度不如后者,价格也高,主要用于小容量存储器,后者主要用于大容量存储器。MOS存储器按存储元件在运行中能否长时间保存信息来分,有静态存储器(SRAM)和动态存储器(DRAM)两种。前者只要不断电,信息就不会丢失,而后者需要不断给电容充电才能使信息保持。由于后者密度大且较便宜,故使用较多。
               2)主存储器的主要技术指标
               衡量一个主存储器的性能指标主要为主存容量、可直接寻址空间、存储器存取时间、存储周期时间和带宽等。
               (1)主存容量是指每个存储芯片所能存储的二进制的位数,也就是存储单元数乘以数据线位数。
               (2)可直接寻址空间是由地址线位数确定的。例如,提供32位物理地址的计算机支持对4(232)GB的物理主存空间的访问。
               (3)存储器存取时间又称为存储器访问时间,是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
               (4)存储周期时间是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。
               (5)带宽是指存储器的数据传送率,即每秒传送的数据位数。
               3)主存储器的构成
               主存储器一般由地址寄存器、数据寄存器、存储矩阵、译码电路和控制电路组成。
               (1)地址寄存器(MAR)用来存放由地址总线提供的将要访问的存储单元的地址码。
               (2)数据寄存器(MDR)用来存放要写入存储矩阵或从存取矩阵中读取的数据。
               (3)存储矩阵用来存放程序和数据的存储单元排成的矩阵。
               (4)译码电路根据存放在地址寄存器中的地址码,在存储体中找到相应的存储单元。
               (5)控制电路根据读写命令控制主存储器的各部分协作完成相应的操作。
               4)主存储器的基本操作
               要从存储器中取一个信息字,CPU必须指定存储器字地址,并进行"读"操作。CPU把信息字的地址送到MAR,经地址总线送往主存储器,同时CPU应用控制线发一个"读"请求。此后,CPU等待从主存储器发回来的回答信号,通知CPU"读"操作完成,说明存储字内容已经读出并放在数据总线上送入MDR。
               为了存一个字到主存,CPU先将信息字在主存中的地址经MAR送到地址总线,并将信息字送到MDR,同时CPU发出"写"命令。此后,CPU等待从主存储器发回来的回答信号,通知CPU"写"操作完成,说明主存从数据总线接收到信息字并按地址总线指定的地址存储。
               外存储器
               外存储器的特点是容量大、价格低,但是存取速度慢,用于存放暂时不用的程序和数据。外存储器主要有磁盘存储器、磁带存储器和光盘存储器。磁盘是最常用的外存储器,通常分软磁盘和硬磁盘两类。目前,常用的外存储器有软盘、硬盘和光盘存储器。它们和内存一样,存储容量也是以字节为基本单位的。
               1)软磁盘存储器
               软磁盘是用柔软的聚酯材料制成圆形底片,在两个表面涂有磁性材料。目前,常用软盘的直径为3.5英寸。软磁盘安装在硬塑胶盒中,而且没有裸露部分,因此使盘片得到了更好的保护,信息在磁盘上是按磁道和扇区的形式来存放的。磁道即磁盘上的一组同心圆的信息记录区,它们由外向内编号,一般为0~79道。每条磁道被划成相等的区域,称为扇区。一般每磁道有9、15或18个扇区。每个扇区的容量为512B。一个软盘的存储容量可由下面的公式算出,即
               软盘总容量=磁道数×扇区数×扇区字节数(512B)×磁盘面数(2)
               例如,3.5英寸软盘有80个磁道,每条磁道18个扇区,每个扇区512B,共有两面,则其存储容量的计算公式为:
               软盘容量=80×18×512×2=1 474 560B=1.44MB
               扇区是软盘(或硬盘)的基本存储单元,每个扇区记录一个数据块,数据块中的数据按顺序存取。扇区也是磁盘操作的最小可寻址单位,与内存进行信息交换是以扇区为单位进行的。
               在进行写入操作时,写保护开关先要对磁盘是否有写保护缺口进行检索,如果检测到有写保护缺口,则允许进行写操作;如果没有或被胶纸黏封,则不能进行写操作。
               使用软磁盘应注意防磁、防潮、防污(灰尘和手摸)、防丢信息(写保护和勤复制)和防病毒(常加写保护,不使用来历不明的软磁盘)。
               2)硬磁盘存储器
               硬磁盘是由涂有磁性材料的铝合金圆盘组成的。目前常用的硬盘是3.5英寸的,这些硬盘通常采用温彻斯特技术,即把磁头、盘片及执行机构都密封在一个整体内,与外界隔绝,所以这种硬盘也称为温彻斯特盘。
               硬盘的两个主要性能指标是硬盘的平均寻道时间和内部传输速率。一般来说,转速越高的硬盘寻道的时间越短,而且内部传输速率也越高,不过内部传输速率还受硬盘控制器Cache的影响。目前,市场上硬盘常见的转速有5400r/min、7200r/min,最快的平均寻道时间为8ms,内部传输速率最高为190MB/s。硬盘的每个存储表面被划分成若干个磁道(不同硬盘磁道数不同),每个磁道被划分成若干个扇区(不同的硬盘扇区数不同)。每个存储表面的同一道形成一个圆柱面,称为柱面。柱面是硬盘的一个常用指标。
               硬盘的存储容量计算公式为
               存储容量=记录面面数×每面磁道数×每扇区字节数×扇区数
               例如,某硬盘有记录面15个,磁道数(柱面数)8894个,每道63扇区,每扇区512B,则其存储容量为
               15×8894×512×63=4.3GB
               使用硬盘应注意避免频繁开关机器电源,应使其处于正常的温度和湿度、无振动、电源稳定的良好环境。
               3)光盘存储器
               光盘指的是利用光学方式进行信息存储的圆盘。人们把采用非磁性介质进行光存储的技术称为第一代光存储技术,其缺点是不能像磁记录介质那样把内容抹掉后重新写入新的内容。把采用磁性介质进行光存储的技术称为第二代光学存储技术,其主要特点是可擦写。
               光盘存储器可分成CD-ROM、CD-R和可擦除型光盘。
               CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),是只读型光盘,这种光盘的盘片是由生产厂家预先将数据或程序写入,出厂后用户只能读取,而不能写入或修改。CD-R(CD-Recordable),即一次性可写入光盘,但必须在专用的光盘刻录机中进行。可擦除型光盘可多次写入。
               高速缓冲存储器
               计算机的主-辅存层次解决了存储器的大容量和低成本之间的矛盾,但是在速度方面,计算机的主存和CPU一直有很大的差距,这个差距限制了CPU速度潜力的发挥。为了弥合这个差距,设置高速缓冲存储器(Cache)是解决存取速度的重要方法。就是在主存和CPU之间设置一个高速的容量相对较小的存储器,如果当前正在执行的程序和数据存放在这个存储器中,当程序运行时不必从主存取指令和数据,所以提高了程序的运行速度。它具有以下特点。
               (1)位于CPU与主存之间。
               (2)容量小,一般在几千字节到几兆字节之间。
               (3)速度一般比主存快5~10倍,由快速半导体存储器制成。
               虚拟存储器
               主存的特点是速度快但容量小,CPU可直接访问。外存的特点是容量大和速度慢,CPU不能直接访问。用户的程序和数据通常放在外存中,因此需要经常在主存与外存之间取来送去,由用户来干预调度很不方便。虚拟存储器用来解决这个矛盾,使用户感到他可以直接访问整个内、外存空间,而不需用户干预。因此容量很大的速度较快的外存储器(硬磁盘)成为虚拟存储器主要组成部分。用户程序采用虚地址访问整个虚拟空间,而指令执行时只能访问主存空间。因此,必须进行虚实地址转换,把不在主存的单元内容调入主存某单元,再按转换的实地址进行访问。
 
       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3题    在手机中做本题