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1、第第5章章多级结构的存储系统多级结构的存储系统5.1三级结构存储系统概述三级结构存储系统概述主存储器主存储器虚拟存储器虚拟存储器CPU高速缓存高速缓存三级结构的存储系统三级结构的存储系统1采用多级结构存储系统的目的采用多级结构存储系统的目的通过把读写速度高，但容量小、存储的单通过把读写速度高，但容量小、存储的单位成本最高的高速缓冲存储器（位成本最高的高速缓冲存储器（Cache）与）与读写速度略慢、但容量可以更大、价格适中读写速度略慢、但容量可以更大、价格适中的主存储器，和读写速度最慢、但容量可以的主存储器，和读写速度最慢、但容量可以极大、存储价格最低的高速磁盘空间（虚拟极大、存储价格最低的高速
2、磁盘空间（虚拟存储器），组合成统一管理与调度的一体化存储器），组合成统一管理与调度的一体化的存储器系统，以便达到高速度、大容量、的存储器系统，以便达到高速度、大容量、低价格的目的，即得到具有更高的运行性能低价格的目的，即得到具有更高的运行性能/价格比的存储器系统。价格比的存储器系统。2三级结构的存储系统的运行原理三级结构的存储系统的运行原理三级结构的存储系统的运行原理是建立在程序三级结构的存储系统的运行原理是建立在程序运行的局部性原理之上的。程序运行的局部性原理运行的局部性原理之上的。程序运行的局部性原理主要体现在以下三个方面：主要体现在以下三个方面：（1）时间方面：在一小段时间内，最近被访问
3、过）时间方面：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问。的程序和数据很可能再次被访问。（2）空间方面：这些最近被访问过的程序和数据，）空间方面：这些最近被访问过的程序和数据，往往集中在一小片存储区中。往往集中在一小片存储区中。（3）指令执行顺序方面：指令顺序执行比转移执）指令执行顺序方面：指令顺序执行比转移执行的可能性要大（大约行的可能性要大（大约5：1）。）。3多级结构存储系统的一致性原则和包含性原则多级结构存储系统的一致性原则和包含性原则一致性原则一致性原则：同一个信息会同时存放在几个级别：同一个信息会同时存放在几个级别的存储器中，此时，这一信息在几个级别的存储器的存储器中
4、，此时，这一信息在几个级别的存储器中必须保持相同的值。中必须保持相同的值。包含性原则包含性原则：处于内层（更靠近处于内层（更靠近CPU）存储器中）存储器中的信息一定被包含在各外层的存储器中，即内层存的信息一定被包含在各外层的存储器中，即内层存储器的全部信息一定是各外层存储器中所存信息中储器的全部信息一定是各外层存储器中所存信息中一小部分的副本。一小部分的副本。例如，高速缓冲存储器中的信息，肯定也存放在例如，高速缓冲存储器中的信息，肯定也存放在主存中，还存放在虚拟存储器中，但主存储器中的主存中，还存放在虚拟存储器中，但主存储器中的非常多的信息不会同时在高速缓冲存储器中，虚拟非常多的信息不会同时在
5、高速缓冲存储器中，虚拟存储器中的更多的信息也不会同时出现在主存储器存储器中的更多的信息也不会同时出现在主存储器中。中。4每一层存储器所用的存储器介质：每一层存储器所用的存储器介质：高速缓冲存储器高速缓冲存储器静态存储芯片静态存储芯片主存储器主存储器动态存储器芯片动态存储器芯片虚拟存储器虚拟存储器快速磁盘设备快速磁盘设备5作作业业3.1在在计计算算机机中中，为为什什么么有有采采用用多多级级结结构构的的存存储储器系统？它应用是建立在程序的什么特性之上的？器系统？它应用是建立在程序的什么特性之上的？答答：通通过过把把读读写写速速度度高高，但但容容量量小小、存存储储的的单单位位成成本本最最高高的的高高
6、速速缓缓冲冲存存储储器器（Cache）与与读读写写速速度度略略慢慢、但但容容量量可可以以更更大大、价价格格适适中中的的主主存存储储器器，和和读读写写速速度度最最慢慢、但但容容量量可可以以极极大大、存存储储价价格格最最低低的的高高速速磁磁盘盘空空间间（虚虚拟拟存存储储器器），组组合合成成统统一一管管理理与与调调度度的的一一体体化化的的存存储储器器系系统统，以以便便达达到到高高速速度度、大大容容量量、低低价价格格的的目目的的，即即得得到到具具有有更更高高的的运运行行性性能能/价价格格比的存储器系统。比的存储器系统。多级结构的存储器系统是建立在程序运行的局多级结构的存储器系统是建立在程序运行的局部型
7、原理之上。部型原理之上。6 作业作业3.3.2.2.多多级结构的存构的存储器是由哪三器是由哪三级存存储器器组成的？每一成的？每一级存存储器使用什么性器使用什么性质的的存存储介介质，这些介些介质的主要特性是什么？在的主要特性是什么？在多多级结构的存构的存储器中，何器中，何谓信息的一致性原信息的一致性原则和包含性原和包含性原则？答：多答：多级结构的存构的存储器由高速器由高速缓冲存冲存储器、主器、主存存储器和虚器和虚拟存存储器三器三级存存储器器组成。成。 高高速速缓冲冲存存储器器使使用用静静态存存储芯芯片片，主主存存储器器使使用用动态存存储器器芯芯片片，虚虚拟存存储器器使使用用快快速速磁磁盘设备。静
8、静态存存储芯芯片片速速度度快快，价价格格贵贵，容容量量小小；动态存存储器器芯芯片片容容量量较大大，速速度度较慢慢，价价格格适适中中；快快速速磁磁盘设备容容量量特特大大，价格最低，但速度最慢。价格最低，但速度最慢。7 在在多多级级结结构构的的存存储储器器中中，一一致致性性原原则则，是是指指保保存存在在不不同同级级的的存存储储器器中中同同一一个个数数据据必必须须有有相相同同的的值值；包包含含性性原原则则是是指指保保存存在在内内层层存存储储器器（靠靠近近CPUCPU）中中的的数数据据一一定定也也被被保保存存在在外外层层存存储储器器中中，即即保保存存在在内内层层存存储储器器中中的的数数据据只只是是已已
9、保保存存在在外外层层存存储储器器中中更更多多数数据据中中的的一一小小部部分分的的复复制制品。品。8试试题题五五 三三、1.1.说说明明采采用用多多级级结结构构的的存存储储器器系系统统的的目目的的？说说明明每每一一层层存存储储器器所所用用的的存存储储器器介介质质的的种类。种类。 答案答案: : 通过把读写速度高，但容量小、存储的单位成本通过把读写速度高，但容量小、存储的单位成本最高的高速缓冲存储器（最高的高速缓冲存储器（Cache）与读写速度略慢、）与读写速度略慢、但容量可以更大、价格适中的主存储器，和读写速但容量可以更大、价格适中的主存储器，和读写速度最慢、但容量可以极大、存储价格最低的高速磁
10、度最慢、但容量可以极大、存储价格最低的高速磁盘空间（虚拟存储器），组合成统一管理与调度的盘空间（虚拟存储器），组合成统一管理与调度的一体化的存储器系统，以便达到高速度、大容量、一体化的存储器系统，以便达到高速度、大容量、低价格的目的，即得到具有更高的运行性能低价格的目的，即得到具有更高的运行性能/价格价格比的存储器系统。比的存储器系统。高度缓冲存储器用静态存储器芯片实现，主存高度缓冲存储器用静态存储器芯片实现，主存储器用动态存储器芯片实现，虚拟存储器使用的是储器用动态存储器芯片实现，虚拟存储器使用的是高速磁盘上的一片存储空间。高速磁盘上的一片存储空间。9模拟试题模拟试题 三、三、1 1（101
11、0分）说明多级分）说明多级结构的存储器系统是建立在什么原理之上的结构的存储器系统是建立在什么原理之上的？解释什么是多级结构存储器系统中的一致？解释什么是多级结构存储器系统中的一致性原则和包含性原则？性原则和包含性原则？建建立立在在程程序序运运行行的的局局部部性性原原理理之之上上的的，即即在在一一小小段段时时间间内内，运运行行的的程程序序只只使使用用少少量量的的指指令令和和少少量量的的数数据据，而而这这少少量量的的指指令令和和少少量量的的数数据据往往往往又又集集中中在在存存储储器器的的一一小小片片存存储储区区域域中中，指指令令顺顺序序执执行行比比转转移移执执行行的的比比例例要要大大，故故可可以以
12、按按对对所所使使用用的的指指令令和和数数据据的的急急迫迫和和频频繁繁程程度度，将将其其存存入入容容量量、速速度度、价价格格不不同同的的存储器中，从而取得更高的性能价格比。存储器中，从而取得更高的性能价格比。 10一一致致性性原原则则，指指保保存存在在不不同同级级的的存存储储器器中中同同一一个个数数据据必必须须有有相相同同的的值值；包包含含性性原原则则，指指保保存存在在内内层层存存储储器器（靠靠近近CPUCPU）中中的的数数据据一一定定也也被被保保存存在在外外层层存存储储器器中中，即即保保存存在在内内层层存存储储器器中中的的数数据据只只是是已已保保存存在在外外层层存存储储器器中中更更多多数数据据
13、中中的一小部分的复制品的一小部分的复制品。 112005年年1月试题月试题3在计算机中，为在计算机中，为什么要采用多级结构的存储器系统？什么要采用多级结构的存储器系统？答：通过把读写速度高，但容量小、存储的单位成答：通过把读写速度高，但容量小、存储的单位成本最高的高速缓冲存储器（本最高的高速缓冲存储器（CacheCache）与读写速度略）与读写速度略慢、但容量可以更大、价格适中的主存储器，和慢、但容量可以更大、价格适中的主存储器，和读写速度最慢、但容量可以极大、存储价格最低读写速度最慢、但容量可以极大、存储价格最低的高速磁盘空间（虚拟存储器），组合成统一管的高速磁盘空间（虚拟存储器），组合成统
14、一管理与调度的一体化的存储器系统，以达到高速度、理与调度的一体化的存储器系统，以达到高速度、大容量、低价格的目的，即得到具有更高的运行大容量、低价格的目的，即得到具有更高的运行性能性能/ /价格比的存储器系统。价格比的存储器系统。122004年年7月试题月试题1当前流行的计算机系统中，广泛采用由三当前流行的计算机系统中，广泛采用由三种运行原理不同、性能差异很大的存储介质，种运行原理不同、性能差异很大的存储介质，来构建来构建、，和，和，再将它们组成通过计算机硬、软件统一管，再将它们组成通过计算机硬、软件统一管理与调度的三级结构的存储器系统。理与调度的三级结构的存储器系统。答案：答案：主存储器主存
15、储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器虚拟存储器虚拟存储器132004年年1月试题月试题1当当前前流流行行的的计计算算机机系系统统中中，广广泛泛采采用用由由三三种种运运行行原原理理不不同同、性性能能差差异异很很大大的的存存储储介介质质来来构构建建计计算算机机存存储储体体系系，在在CPU与与之之间间加加入入了了，构构成成由由硬硬件件管管理理的的存存储储结结构构，在在主主存存与与辅辅存存间间通通 过过 计计 算算 机机 硬硬 、 软软 件件 统统 一一 管管 理理 与与 调调 度度 组组 成成 的另一种存储结构。的另一种存储结构。答案：答案：主存储器主存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器虚拟存储器虚拟存储
16、器145.2 .2 主存储器部件的组成与设计主存储器部件的组成与设计5.2.1主存储器概述主存储器概述运算器运算器控制器控制器计算机包括五大功能部件计算机包括五大功能部件存储器存储器输入设备输入设备输出设备输出设备主存储器是计算机五大功能部件之一。主存储器是计算机五大功能部件之一。15主存储器的功能主存储器的功能：存放正在运行的程序和数据。：存放正在运行的程序和数据。主存储器的主要技术指标：主存储器的主要技术指标：（1）读写速度：）读写速度：读写一个存储单元必须的时间度量。读写一个存储单元必须的时间度量。例如：例如：60ns。（2）存储周期）存储周期连续两次读写必须的时间间隔。考虑到线路恢复的
17、连续两次读写必须的时间间隔。考虑到线路恢复的延时问题，它略大于一次读写所用的时间。延时问题，它略大于一次读写所用的时间。（3）存储容量）存储容量用存储器的字节数或字数表示。一个存储字通常由用存储器的字节数或字数表示。一个存储字通常由2、4、8个字节组成。个字节组成。16主存储器与其他部件的连接关系主存储器与其他部件的连接关系数据总线数据总线地址总线地址总线CPUReadWrite主存储器主存储器Ready控制总线控制总线连接其它外围设备连接其它外围设备17主存储器通过地址总线、数据总线、控制主存储器通过地址总线、数据总线、控制总线与计算机总线与计算机CPU和外围设备连接在一起。和外围设备连接在
18、一起。地址总线地址总线：用于选择主存的一个单元。其：用于选择主存的一个单元。其位数决定可访问的存储单元最大数目（最大位数决定可访问的存储单元最大数目（最大可寻址空间）可寻址空间）例：例：20位地址，可访问位地址，可访问1MB的存储空间，的存储空间，32位地址，可访问位地址，可访问4GB的存储空间的存储空间数据总线数据总线：用于在计算机各功能部件之间：用于在计算机各功能部件之间传送数据。数据总线的位数（总线宽度）与传送数据。数据总线的位数（总线宽度）与总线时钟频率的乘积正比于该总线所支持的总线时钟频率的乘积正比于该总线所支持的最高数据传输能力最高数据传输能力。18控制总线控制总线：用于指明总线的
19、工作周期类型和本次：用于指明总线的工作周期类型和本次入入/出完成的时刻。出完成的时刻。主存读周期主存读周期主存写周期主存写周期总线的工作周期总线的工作周期I/O设备读周期设备读周期I/O设备写周期设备写周期直接存储器访问（直接存储器访问（DMA）总线周期总线周期一个总线周期一个总线周期=一次地址时间一次地址时间+一次数据时间一次数据时间19主存储器的构成主存储器的构成只读存储区只读存储区存储内容固定不变的程序和数据存储内容固定不变的程序和数据主存储器主存储器读写存储区读写存储区静态存储器（静态存储器（SRAM）用于实现高速缓冲存储器用于实现高速缓冲存储器存储芯片存储芯片动态存储器（动态存储器（
20、DRAM）用于实现主存用于实现主存20作业作业3：题：题3主要性能主要性能SRAMDRAM存储信息存储信息触发器触发器电容电容破坏性读出破坏性读出非非是是需要刷新需要刷新非非需要需要行列地址行列地址同时送同时送分两次送分两次送运行速度运行速度快快慢慢集成度集成度低低高高发热量发热量大大小小存储成本存储成本高高低低静态存储器和动态存储器主要性能比较静态存储器和动态存储器主要性能比较静态存储器和动态存储器主要性能比较静态存储器和动态存储器主要性能比较215.2.2动态存储器的记忆原理和读写过程动态存储器的记忆原理和读写过程T位线位线（数据线）（数据线）字线字线CS电容电容VDD源极源极漏极漏极栅极
21、栅极利用单利用单MOS管存储一个二进制位（管存储一个二进制位（bit）的信息。）的信息。信息存放在信息存放在MOS管的寄生电容管的寄生电容CS中。中。CS有电荷表示有电荷表示1，无电荷表示无电荷表示0。22读写过程：读写过程：写数据：写数据：先使字线为高电平，先使字线为高电平，T管导通，若数据线为低电管导通，若数据线为低电平（写平（写1）且电容）且电容CS中未有电荷，则电源中未有电荷，则电源VDD将向电将向电容充电，使容充电，使CS中存储上一定数量的电荷，表示中存储上一定数量的电荷，表示1信信号已写入存储单元；号已写入存储单元；若数据线为高电平（写若数据线为高电平（写0）且）且电容已存储有电荷
22、，则将会电容电容已存储有电荷，则将会电容CS完成放电，使完成放电，使CS中无存储电荷，表示中无存储电荷，表示0信号已写入存储单元；信号已写入存储单元；如写入的数据于如写入的数据于CS中原存储信息相同，则中原存储信息相同，则CS中原中原存储有无电荷的情形不会发生变化存储有无电荷的情形不会发生变化。23读过程：读过程：先使数据线预充至高电平，当字线的高电平到先使数据线预充至高电平，当字线的高电平到来时，来时，T管导通，若电容管导通，若电容CS中原存储有电荷（存储中原存储有电荷（存储1信号），电容信号），电容CS就要放电，则会使数据线上的电位就要放电，则会使数据线上的电位由高变低；若由高变低；若CS
23、中未存储有电荷（存储中未存储有电荷（存储0信号），信号），则数据线的电位不会发生变化。则数据线的电位不会发生变化。如果在数据线接上一个高灵敏度的放大器，就如果在数据线接上一个高灵敏度的放大器，就可以检测出数据线上的这种不同的变化情况，从而可以检测出数据线上的这种不同的变化情况，从而区分出读出来的数据是区分出读出来的数据是1还是还是0。注意：读出操作是破坏性读出，读操作以后须注意：读出操作是破坏性读出，读操作以后须紧跟一次写回操作。紧跟一次写回操作。24向存储单元提供地址的步骤是：先送行地向存储单元提供地址的步骤是：先送行地址，再送列地址，用芯片的时序信号控制完成。址，再送列地址，用芯片的时序信
24、号控制完成。动态存储器必须定期刷新。每隔动态存储器必须定期刷新。每隔2ms向存向存储单元进行一次刷新操作，以补偿储单元进行一次刷新操作，以补偿CS漏电所造漏电所造成的电荷损失，确保所存储的信息不丢失。成的电荷损失，确保所存储的信息不丢失。刷新操作以行为单位执行，只需提供行地刷新操作以行为单位执行，只需提供行地址，与列地址无关。址，与列地址无关。读写电路（了解）读写电路（了解）25读写时序波形读写时序波形读出读出/RAS/CAS/WEDiD读写周期读写周期写入写入262004年年7月试题月试题6某某一一RAM芯芯片片，其其容容量量为为5128位位，除除电电源源端端和和接接地地端端外外，连连同同片
25、片选选、/OE和和读读/写写信信号号该该芯芯片片引引出出脚脚的的最最小小目目为为（）。）。A23B25C50D20答案：答案：D272004年年1月试题月试题6某某一一RAM芯芯片片，其其容容量量为为10248位位，除除电电源源端端和和接接地地端端外外，连连同同片片选选、/OE和和读读/写写信信号号该该芯芯片片引引出出脚脚的的最最小小目目为为（）。）。A23B20C17D22答案：答案：D285.2.3.静态存储器的存储原理和芯片内部结构静态存储器的存储原理和芯片内部结构存储原理：用触发器线路记忆与读写数据存储原理：用触发器线路记忆与读写数据字选择线字选择线T3T5T7T1VDDT2T6T8列
26、选择线列选择线位位线线1位位线线229读写操作：读写操作：读操作：读操作：先将二位线充电至高电平，当字线送来高电平时，先将二位线充电至高电平，当字线送来高电平时，MOS管管T5、T6将导通，使触发器的两个输出端与位线将导通，使触发器的两个输出端与位线1和位线和位线2连连通。若触发器存储的是通。若触发器存储的是1信号，即信号，即T1管处于导通状态，则位线管处于导通状态，则位线就会经就会经MOS管管T5产生流向产生流向T1管的电流，从而在位线管的电流，从而在位线1上出现一上出现一个负脉冲，而位线个负脉冲，而位线2就不会出现负脉冲；就不会出现负脉冲；若触发器存储的是若触发器存储的是0信号，即信号，即
27、T2管处于导通状态，它的输管处于导通状态，它的输出端处于低电平，则位线就会经出端处于低电平，则位线就会经MOS管管T6产生流向产生流向T2管的电管的电流，从而在位线流，从而在位线2上出现一个负脉冲，而位线上出现一个负脉冲，而位线1就不会出现负就不会出现负脉冲。脉冲。这样，就可以通过检查哪一条位线上出现负脉冲来判断这样，就可以通过检查哪一条位线上出现负脉冲来判断触发器的状态，即区分读出来的信号是触发器的状态，即区分读出来的信号是1或是或是0。30写操作：写操作：通过两条位线提供写入的数据信号。通过两条位线提供写入的数据信号。例如，写入例如，写入1信号时，在位线信号时，在位线1送低电平送低电平信号
28、，位线信号，位线2送高电平信号，当字线送来高电送高电平信号，当字线送来高电平时，平时，MOS管管T5和和T6将导通，使触发器状态将导通，使触发器状态保持不变（已存储保持不变（已存储1信号时），或使触发器翻信号时），或使触发器翻转为转为1状态（原存储的是状态（原存储的是0信号）。信号）。要写入要写入0信号，则需要在为线信号，则需要在为线1送高电平送高电平信号，在位线信号，在位线2送低电平信号。送低电平信号。312Kb静态存储器芯片逻辑组成框图静态存储器芯片逻辑组成框图位线位线2位线位线1位位选选择择线线32640字选择线字选择线8管存储单元管存储单元X地地址址译译码码器器Y地址译码器地址译码器A
29、6A7A8A9A10写入写入电路电路读放读放电路电路8管存储单元管存储单元8管存储单元管存储单元8管存储单元管存储单元A0A1A2A3A4A50Dout/CS/WEDin32试题一试题一 三、三、1 1静态存储器和动态存储器器件的特性有哪些静态存储器和动态存储器器件的特性有哪些主要区别？各自主要应用在什么地方？主要区别？各自主要应用在什么地方？答：答：静态存储器和动态存储器器件的特性有的主要区别见下表：静态存储器和动态存储器器件的特性有的主要区别见下表：静静态态存存储储器器SRAM主主要要用用于于高高速速缓缓冲冲存存储储器器Cache，动动态态存存储储器主要用于主存储器。器主要用于主存储器。主
30、要性能主要性能SRAMDRAM存储信息存储信息触发器触发器电容电容破坏性读出破坏性读出非非是是需要刷新需要刷新非非需要需要行列地址行列地址同时送同时送分两次送分两次送运行速度运行速度快快慢慢集成度集成度低低高高发热量发热量大大小小存储成本存储成本高高低低3320032003年年7 7月试题月试题 三、三、6 66 6动动态态与与静静态态存存储储器器芯芯片片在在特特性性和和使使用用场场合合两两个个方方面有哪些差别？（面有哪些差别？（8 8分）分）答案：答案： 动态存储器动态存储器芯片是通过寄存器电容存储一个二芯片是通过寄存器电容存储一个二进制位的信息，为解决漏电会丢失信息的问题需要进制位的信息，
31、为解决漏电会丢失信息的问题需要刷新操作，是破坏性读出，需要回写操作，使读写刷新操作，是破坏性读出，需要回写操作，使读写周期变长，即运行速度慢，它的集成度高，价格便周期变长，即运行速度慢，它的集成度高，价格便宜，故主要用于实现速度低一些，但容量要求较大宜，故主要用于实现速度低一些，但容量要求较大的主存储器；而的主存储器；而静态存储器静态存储器芯片不需要刷新操作，芯片不需要刷新操作，也不是破坏性读出，不需要回写操作，运行速度高，也不是破坏性读出，不需要回写操作，运行速度高，但芯片的集成度低，故价格更高，主要用于速度要但芯片的集成度低，故价格更高，主要用于速度要求更快但容量可以较小的求更快但容量可以
32、较小的Cache存储器。存储器。34 作业作业3.43.4为什么动态存储器是破坏性读为什么动态存储器是破坏性读出？静态存储器又为什么读出操作不会破坏出？静态存储器又为什么读出操作不会破坏已存储的信息呢？什么是动态存储器的回写已存储的信息呢？什么是动态存储器的回写（预充电延时）？它对存储器性能的影响是（预充电延时）？它对存储器性能的影响是什么？什么？ 答：答：因为动态存储器是依靠因为动态存储器是依靠MOSMOS管源极的管源极的寄生电容寄生电容C CS S中的电荷来存储信息的，若有电中的电荷来存储信息的，若有电荷表示荷表示1 1，无电荷表示，无电荷表示0 0。动态存储器的读写。动态存储器的读写操作
33、过程会使电容操作过程会使电容C CS S中原存储的电荷（存储中原存储的电荷（存储1 1信息）丢失，所以是破坏性读出。信息）丢失，所以是破坏性读出。35 静态存储器是依靠触发器记忆与读写数静态存储器是依靠触发器记忆与读写数据的。只有写操作会改变触发器的状态，而据的。只有写操作会改变触发器的状态，而读操作不会改变触发器的状态，故是非破坏读操作不会改变触发器的状态，故是非破坏性读出。性读出。 因为动态存储器的读操作是破坏性读出，因为动态存储器的读操作是破坏性读出，为了保持原记忆的内容，必须在读操作以后为了保持原记忆的内容，必须在读操作以后立即跟随一次写回操作（预充电延时）。在立即跟随一次写回操作（预
34、充电延时）。在预充电延时完成之前，是不能开始下一次的预充电延时完成之前，是不能开始下一次的读操作的，使得其读写周期加长，影响了存读操作的，使得其读写周期加长，影响了存储器的工作速度。储器的工作速度。 362004年年1月、月、2004年年7月、月、2005年年1月试题月试题下列说法中（下列说法中（）是正确的。）是正确的。A半半导导体体RAM信信息息可可读读可可写写，且且断断电电后后仍仍能能保保持记忆持记忆B半半导导体体RAM是是易易失失性性RAM，而而静静态态RAM中中的存储信息是不易失的的存储信息是不易失的C半半导导体体RAM是是易易失失性性RAM，而而静静态态RAM只只有在电源不掉时，所存
35、信息是不易失的有在电源不掉时，所存信息是不易失的DEPROM是是可可改改写写的的，因因而而也也是是随随机机存存储储器器的一种的一种答案：答案：C375.2.4 .2.4 主存储器实现与应用中的几项技术主存储器实现与应用中的几项技术1.动态存储器的快速读写技术动态存储器的快速读写技术快速页式工作技术快速页式工作技术动态存储器在写时，通常需要为存储器芯片先动态存储器在写时，通常需要为存储器芯片先后分别锁存行地址和列地址，比较费时。后分别锁存行地址和列地址，比较费时。如果连续读写属于同一行的多个列中的数据，如果连续读写属于同一行的多个列中的数据，其行地址只需在第一次读写时送入（锁存），之后其行地址只
36、需在第一次读写时送入（锁存），之后保持不变，则每次读写属于该行的多个列中的数据保持不变，则每次读写属于该行的多个列中的数据时，每次仅锁存列地址即可，从而省掉了锁存行地时，每次仅锁存列地址即可，从而省掉了锁存行地址的时间，加快了主存储器的读写速度。址的时间，加快了主存储器的读写速度。这一技术被称为存储器的快速读写技术，或称这一技术被称为存储器的快速读写技术，或称为快速页式工作技术，这是动态存储器所特有的用为快速页式工作技术，这是动态存储器所特有的用法。法。382. 2. 主存储器的并行读写技术主存储器的并行读写技术指在主存储器的一个工作周期或略指在主存储器的一个工作周期或略多一点的时间内可以读出
37、多个主存字采多一点的时间内可以读出多个主存字采用的技术。用的技术。两种可行方案：两种可行方案：（1）一体多字结构）一体多字结构（2）多体交叉编址技术）多体交叉编址技术39（1 1）一体多字结构）一体多字结构WWWW主存储器存储体主存储器存储体地址寄存器地址寄存器数据总线数据总线40通过加宽每个存储单元的宽度，即通过加宽每个存储单元的宽度，即增加每个主存单元的数据位数（增加每个主存单元的数据位数（bit），），使每个存储单元同时存储几个字，则每使每个存储单元同时存储几个字，则每一次读操作就同时送出了几个主存字，一次读操作就同时送出了几个主存字，使读出一个主存字的平均的读出时间变使读出一个主存字的
38、平均的读出时间变为原来（与每一个单元存一个字相比）为原来（与每一个单元存一个字相比）的几分之一。的几分之一。缺点：每次读出的几个主存字必须缺点：每次读出的几个主存字必须首先保存在位数足够长的寄存器中，等首先保存在位数足够长的寄存器中，等待通过数据总线分几次把它们传送走。待通过数据总线分几次把它们传送走。41（2 2）多体交叉编址技术）多体交叉编址技术地址寄存器地址寄存器数据总线数据总线WWWW0字字1字字2字字3字字42把存储器分为几个能独立读写的，把存储器分为几个能独立读写的，字长为字长为1个主存字的主体，这样可以个主存字的主体，这样可以按读写需要情况，分别对每个存储按读写需要情况，分别对每
39、个存储体读写。通过合理的组织方式，使体读写。通过合理的组织方式，使几个存储体协同运行，从而提供比几个存储体协同运行，从而提供比单个存储体更高的读写速度。单个存储体更高的读写速度。43多个存储体的多个存储体的组织方式：组织方式：关于读写周期的启动关于读写周期的启动两种方法：两种方法：方法一：在同一个读写周期内同时启动所有存储方法一：在同一个读写周期内同时启动所有存储体的读写操作，类似前面的一体多字结构；体的读写操作，类似前面的一体多字结构；方法二：使这些存储体顺序地轮流启动各自的读方法二：使这些存储体顺序地轮流启动各自的读写周期，即在一个存储体的读写周期内，能启动每写周期，即在一个存储体的读写周
40、期内，能启动每一个存储体的读写操作，即启动相邻两个存储体的一个存储体的读写操作，即启动相邻两个存储体的最小时间小于或等于一个读写周期除以存储体的个最小时间小于或等于一个读写周期除以存储体的个数。这种方案的优点是依次读出来的每一个存储字，数。这种方案的优点是依次读出来的每一个存储字，可以直接通过数据总线依次传送走，而不必设置专可以直接通过数据总线依次传送走，而不必设置专门的数据缓冲存储器。理论上能达到最高的读写速门的数据缓冲存储器。理论上能达到最高的读写速度。度。44关于如何分配这些存储体各自工作的地关于如何分配这些存储体各自工作的地址范围址范围 合理的方案是采用合理的方案是采用交叉编址交叉编址
41、，即把连续，即把连续地址的几个主存字依次分配在不同的存储体地址的几个主存字依次分配在不同的存储体中，因为程序运行局部性原理已经表明，程中，因为程序运行局部性原理已经表明，程序运行过程中，在短时间内读写地址相邻的序运行过程中，在短时间内读写地址相邻的主存字的概率更大。设有主存字的概率更大。设有m个存储体，每个个存储体，每个存储体的容量为存储体的容量为L，则第，则第M个存储体中存储个存储体中存储的主存字的地址为的主存字的地址为Mj+i其中其中j=0，1，2，L-1；i=0，1，2，M-145例：例：设设M=4，则可用低，则可用低2为地址来区分读为地址来区分读写哪个存储体，其余高位部分送到每个存储写
42、哪个存储体，其余高位部分送到每个存储体，用于区分读写每存储体中的哪一个存储体，用于区分读写每存储体中的哪一个存储字。字。存储体号存储体号存储体内编址情况存储体内编址情况最低最低2位的地址取值位的地址取值00，4，8，12，4i+0，0011，5，9，13，4i+1，0122，6，10，14，4i+2，1033，7，11，15，4i+31146多体交叉编址技术多体交叉编址技术地址寄存器地址寄存器数据总线数据总线WWWW0字字1字字2字字3字字4字字5字字6字字7字字L-1L-2L-3L-4473. 3. 关于对成组数据传送的支持关于对成组数据传送的支持这种方式是指用于提高在数据总线上数这种方式是
43、指用于提高在数据总线上数据输入据输入/输出能力的一种技术。即通过地址总输出能力的一种技术。即通过地址总线传送一次地址后，能连续的在数据总线上线传送一次地址后，能连续的在数据总线上传送多个（或一组）数据。而不相像正常总传送多个（或一组）数据。而不相像正常总线工作方式那样，每传送一次数据，总要用线工作方式那样，每传送一次数据，总要用两段时间，即先传送一次地址（地址时间），两段时间，即先传送一次地址（地址时间），后跟一次数据传送（数据时间）。后跟一次数据传送（数据时间）。在成组传在成组传送方式，为传送送方式，为传送N个数据，可以仅用个数据，可以仅用N+1个总个总线时钟周期。而不是线时钟周期。而不是2
44、N个总线时钟周期。个总线时钟周期。48 关于对成组数据传送的支持关于对成组数据传送的支持实现数据成组传送，实现数据成组传送，CPU要支持这种要支持这种运行方式（运行方式（486以上型号）；主存储器也应能以上型号）；主存储器也应能提供出足够高的读写速度，这往往通过主存提供出足够高的读写速度，这往往通过主存的多体结构，动态存储器的的多体结构，动态存储器的EDO支持等措施支持等措施来实现。这种支持可以在来实现。这种支持可以在PC机的内存条一级机的内存条一级体现，也可以在存储器芯片一级体现。体现，也可以在存储器芯片一级体现。494.其它可行方案（自学）其它可行方案（自学）502001年年1月月试题试题
45、 三、三、2 2 使用多体结构的主存储器的目的是什么使用多体结构的主存储器的目的是什么？什么是低位交叉，其优点何在？什么是低位交叉，其优点何在？答：使用多体结构的主存储器，是为了答：使用多体结构的主存储器，是为了使用可以独立读写的多个存储器，以提高对使用可以独立读写的多个存储器，以提高对它们的并行读写、快速得到多个数据的能力，它们的并行读写、快速得到多个数据的能力，缓解单个主存储器读写速度慢的矛盾。缓解单个主存储器读写速度慢的矛盾。在多体结构的主存储器中，通常多选用在多体结构的主存储器中，通常多选用把相邻的存储字放在不同的存储体中，这被把相邻的存储字放在不同的存储体中，这被称为低位地址交叉的组
46、织形式，它更符合程称为低位地址交叉的组织形式，它更符合程序运行的局部性原理，有利于同时（或时间序运行的局部性原理，有利于同时（或时间上有覆盖）地读写地址相邻的几个存储字。上有覆盖）地读写地址相邻的几个存储字。51作业作业3.6.在所有主存储器芯片已确定的情况下，还要在所有主存储器芯片已确定的情况下，还要进一步大幅度提高主存储器的读写速度的办法是什进一步大幅度提高主存储器的读写速度的办法是什么？主存一体多字和多体交叉方案的优缺点个表现么？主存一体多字和多体交叉方案的优缺点个表现在什么地方？低位地址交叉是何含义？优点何在？在什么地方？低位地址交叉是何含义？优点何在？答：在所有主存储器芯片已确定的情
47、况下，还要进一答：在所有主存储器芯片已确定的情况下，还要进一步大幅度提高主存储器的读写速度的办法是采用主步大幅度提高主存储器的读写速度的办法是采用主存储器的并行读写技术。存储器的并行读写技术。一体多字方案的优点是每一次读操作就同时送出一体多字方案的优点是每一次读操作就同时送出了几个主存字，使读出一个主存字的平均的读出时了几个主存字，使读出一个主存字的平均的读出时间变为原来（与每一个单元存一个字相比）的几分间变为原来（与每一个单元存一个字相比）的几分之一。缺点：每次读出的几个主存字必须首先保存之一。缺点：每次读出的几个主存字必须首先保存在位数足够长的寄存器中，等待通过数据总线分几在位数足够长的寄
48、存器中，等待通过数据总线分几次把它们传送走。次把它们传送走。52多体交叉方案的优点是依次读出来的每一多体交叉方案的优点是依次读出来的每一个存储字，可以直接通过数据总线依次传送个存储字，可以直接通过数据总线依次传送走，而不必设置专门的数据缓冲存储器，理走，而不必设置专门的数据缓冲存储器，理论上能达到最高的读写速度。但由于在寻址论上能达到最高的读写速度。但由于在寻址操作数或执行指令发生转移时产生非顺序的操作数或执行指令发生转移时产生非顺序的访问内存请求，并行性被破坏，使读出一个访问内存请求，并行性被破坏，使读出一个主存字的平均的读出时间不可能到达原来主存字的平均的读出时间不可能到达原来（与每一个单
49、元存一个字相比）的几分之一。（与每一个单元存一个字相比）的几分之一。在多体结构的主存储器中，通常多选用把在多体结构的主存储器中，通常多选用把相邻的存储字放在不同的存储体中，这被称相邻的存储字放在不同的存储体中，这被称为低位地址交叉的组织形式，它更符合程序为低位地址交叉的组织形式，它更符合程序运行的局部性原理，有利于同时（或时间上运行的局部性原理，有利于同时（或时间上有覆盖）地读写地址相邻的几个存储字。有覆盖）地读写地址相邻的几个存储字。53试试题题七七三三、1何何谓谓主主存存储储器器的的多多体体结结构构？为为什什么么它它能提高主存储器的读写速度？（能提高主存储器的读写速度？（9 9分）分）所所
50、谓谓主主存存储储器器的的多多体体结结构构,是是只只把把主主存存储储器器分分成成几几个个能能独独立立读读写写的的、字字长长为为一一个个主主存存字字的的主主体体,可可以以按按读读写写需需要要情情况况,分分别别对对每每个个存存储储体体执执行行读读写写。通通过过合合理理的的组组织织方方式式,使使几几个个存存储储体体协协同同运运行行,从从而而提供出比单个存储体更高的提供出比单个存储体更高的(几倍几倍)读写速度。读写速度。因因为为采采用用多多体体结结构构的的主主存存储储器器执执行行读读写写操操作作时时，是是在在一一个个读读写写周周期期内内，同同时时启启动动所所有有存存储储体体的的读读写写操操作作（一一体体
51、多多字字方方案案），或或顺顺序序地地轮轮流流启启动动各各自自的的读读写写周周期期，启启动动每每一一个个存存储储体体的的读读写写操操作作（多多体体交交叉叉编编址址方方案案）。这这样样可可以以在在主主存存储储器器的的一一个个工工作作周周期期内内或或略略多多一一点点的的时时间间内内可可以以读读出出多多个个主主存存字字，从从而提高了主存储器的读写速度。而提高了主存储器的读写速度。545.2.5教学计算机内存储器实例教学计算机内存储器实例教学计算机采用单总线结构，教学计算机采用单总线结构，16位的地址总线位的地址总线（最大可寻址空间为（最大可寻址空间为64K字），字），16位的数据总线和位的数据总线和简
52、化的控制总线。教学机实际只使用了简化的控制总线。教学机实际只使用了8K字的字的ROM和和2K字的字的RAM，其余空间可作为扩展内存或，其余空间可作为扩展内存或扩展输入输出接口、中断和扩展输入输出接口、中断和DMA接口等教学实验接口等教学实验的需要（电路版上设置了一些接线插孔）。的需要（电路版上设置了一些接线插孔）。出于教学机器件安全需要，教学机通过两片出于教学机器件安全需要，教学机通过两片74LS245器件把数据总线隔断为内部总线器件把数据总线隔断为内部总线IB与外部与外部总线两部分。总线两部分。558813低低8位数据位数据高高8位数据位数据58C658K858C658K861162K83-
53、8译码器译码器高高3位位低低13位地址位地址6116/CS0/CS1/WE01FFFH2000H27FFHCS7CS0地址寄存器（地址寄存器（AR）81181313RAMROMAB15AB13AB12AB0教学计算机的存储器组成教学计算机的存储器组成56（1）地址总线地址总线（AB15AB0）地址总线提供读写内存用的地址总线提供读写内存用的16位地址，读写输入位地址，读写输入/输出接输出接口用的口用的8位地址。位地址。教学机的指令格式和教学机本身的特性，决定了将送往地教学机的指令格式和教学机本身的特性，决定了将送往地址寄存器的地址信息只能由址寄存器的地址信息只能由ALU输出。这是因为：输出。这
54、是因为：程序计数器程序计数器PC，是由运算器内部的一个原为通用寄存，是由运算器内部的一个原为通用寄存器实现的，读取指令时只能将器实现的，读取指令时只能将PC的内容经的内容经ALU送出。为读送出。为读取双指令的第二个字也是如此。取双指令的第二个字也是如此。教学机中的内存读写指令，无论使用哪种寻址方式，包教学机中的内存读写指令，无论使用哪种寻址方式，包括寄存器间接寻址，变址寻址、立即数寻址、堆栈寻址，址括寄存器间接寻址，变址寻址、立即数寻址、堆栈寻址，址后的实际地址都是通过后的实际地址都是通过ALU送出的。送出的。输入输入/输出指令中的输入输出指令中的输入/输出地址，给出在指令寄存器输出地址，给出
55、在指令寄存器器的低位字节，也经器的低位字节，也经ALU送往送往AR。57（2）控制总线控制总线功能：功能：指明总线周期的类型和本次输入输出操作完成的指明总线周期的类型和本次输入输出操作完成的时刻。用一片双时刻。用一片双2-4译码器器件译码器器件34LS139给出。输入给出。输入的三位控制码是的三位控制码是/MIO、/REQ、/WE，输出信号如下：，输出信号如下：/MMW（000）内存写）内存写/MMR（001）内存读）内存读/IOW（010）I/O写写/IOR（011）I/O读读NC（1xx）不操作不操作58（3）数据总线数据总线数据总线是计算机各部件之间完成数据传送的数据总线是计算机各部件之
56、间完成数据传送的线路。数据总线工作速度（频率）和位数（总线宽线路。数据总线工作速度（频率）和位数（总线宽度）的乘积决定总线上的最大数据传送率。度）的乘积决定总线上的最大数据传送率。教学机上的数据总线通过双向三态门电路分割教学机上的数据总线通过双向三态门电路分割成内部数据总线和外部数据总线。成内部数据总线和外部数据总线。内部数据总线接收教学机主板上内部数据总线接收教学机主板上16数据开关的数据开关的输入数据，指令寄存器输入数据，指令寄存器IR低位字节的内容，状态寄低位字节的内容，状态寄存器的内容，运算器输出的结果的内容，中断向量存器的内容，运算器输出的结果的内容，中断向量寄存器的内容。内部总线上
57、的信息可以送往指令寄寄存器的内容。内部总线上的信息可以送往指令寄存器存器IR，状态寄存器，运算器的数据输入端（，状态寄存器，运算器的数据输入端（D）。）。59设计和使用数据总线的核心技术设计和使用数据总线的核心技术要保证总线被各部件分时共享。要保证总线被各部件分时共享。数据总线一般用三态门构成。数据总线一般用三态门构成。in总线总线out/C/C1/C2/C3部件部件1部件部件2部件部件3三态门电路三态门电路用三态门构建总线用三态门构建总线60（4）系统时钟及时序）系统时钟及时序用用1.8432MHz的晶振经的晶振经6分频得到的分频得到的307.2kHz作为系统时作为系统时钟，用于驱动钟，用于
58、驱动CPU、I/O总线，保持总线，保持CPU与内存、与内存、I/O读写同步读写同步进行。进行。系统时钟系统时钟CPU内部的某些寄存器，通常在时钟脉冲上升沿完成接收内部的某些寄存器，通常在时钟脉冲上升沿完成接收操作。运算器的通用寄存器在时钟脉冲低电平接收输入数据。操作。运算器的通用寄存器在时钟脉冲低电平接收输入数据。时钟周期对应一条微指令的时间（微周期或一时钟周期对应一条微指令的时间（微周期或一CPU周期）。周期）。内存和内存和I/O操作由两个时钟周期组成：操作由两个时钟周期组成：每个时钟周期每个时钟周期=地址时间地址时间+数据时间数据时间61（5）静态存储器的扩展）静态存储器的扩展教学机内存空
59、间分配：教学机内存空间分配：020478K16位的位的ROM（用两片（用两片58C65，8K8构成）构成）204840952K16位的位的RAM（用两片（用两片74LS6116，2K8构成）构成）内存字长为内存字长为16位，按字寻址方式读写。位，按字寻址方式读写。16位地址低位地址低11位位AB0AB12分别与分别与ROM和和RAM的的AB0AB12对应连接，以选中其中的一个单元。对应连接，以选中其中的一个单元。AB15、AB14、AB13通过通过3-8译码器译出译码器译出8个片选信号个片选信号CS7CS0，其中，其中CS0作作ROM的片选信号，的片选信号，CS1作作RAM的的片选信号。片选信
60、号。CS2CS7用作扩展内存容量。用作扩展内存容量。对对RAM，还需提供，还需提供/WE信号；信号；对对ROM，只需提供片选信号，只需提供片选信号/CS。628813低低8位数据位数据高高8位数据位数据58C658K858C658K861162K83-8译码器译码器高高3位位低低13位地址位地址6116/CS0/CS1/WE01FFFH2000H27FFHCS7CS0地址寄存器（地址寄存器（AR）81181313RAMROMAB15AB13AB12AB0教学计算机的存储器组成教学计算机的存储器组成63 作业作业3.5. 3.5. 存储器读写操作时，地址信号，片选存储器读写操作时，地址信号，片选
61、信号，读写信号、读出的数据或写入的数据，在时信号，读写信号、读出的数据或写入的数据，在时间配合上要满足什么关系？间配合上要满足什么关系？答：在读周期，有效地址先加在芯片地址端，保持不答：在读周期，有效地址先加在芯片地址端，保持不变，芯片对地址译码后选中相应的单元，然后向芯变，芯片对地址译码后选中相应的单元，然后向芯片发出片选信号和读信号，经过一段时间后，从芯片发出片选信号和读信号，经过一段时间后，从芯片输出端输出有效数据。当读出数据送至目的地后，片输出端输出有效数据。当读出数据送至目的地后，才可撤消片选信号和读命令。才可撤消片选信号和读命令。 在写周期，当加入芯片地址有效后，先向芯片在写周期，
62、当加入芯片地址有效后，先向芯片数据端写入数据。然后向芯片发出片选信号和写命数据端写入数据。然后向芯片发出片选信号和写命令，经过一段时间后，有效数据被写入芯片的某个令，经过一段时间后，有效数据被写入芯片的某个地址单元，然后才可撤消片选信号和写命令。地址单元，然后才可撤消片选信号和写命令。64 模拟试题模拟试题 三、三、2 2 用用16K*8 16K*8 bit bit 的的静静态态存存储储器器器器件件实实现现64K*16 64K*16 bitbit的的主主存存储储器器系系统统，按按字字寻寻址址，请请设设计计并并画画出出该该主主存存储储器器的的逻逻辑辑框框图图，说说明明地地址址总总线线和和数数据据
63、总总线线的的位位数数，该该存存储储器器与与1616位位字长的字长的CPUCPU的连接关系。的连接关系。答答案案： 该该存存储储器器所所用用器器件件的的容容量量为为16K*8bit，为为实实现现64K的的总总容容量量，要要用用4片片存存储储器器芯芯片片实实现现字字扩扩展展，为为实实现现16位位的的字字长长，每每个个字字要要用用2片片芯芯片片实实现现位位扩扩展展，故故该该主主存存总总计计用用8片片存存储储器器芯芯片片实实现现。要要寻寻址址64K字字，内内存存地地址址应应为为16位位；CPU与与内内存存字字长长为为16位位，故数据总线也应为故数据总线也应为16位。位。(逻辑框图见下图逻辑框图见下图)
64、65片选信号片选信号16/WE/CS3/CS2/CS1/CS0A14A15A13A016地址寄存器地址寄存器译码器译码器88CPU6620022002年年1 1月试题月试题 二、二、1.1.在教学计算机中，用多片静态存储器在教学计算机中，用多片静态存储器芯片构成完整的存储器部件时，实现芯片构成完整的存储器部件时，实现ROM存储区时，是在相存储区时，是在相应的器件插座是插上（应的器件插座是插上（B）芯片；实现）芯片；实现RAM存储区时，是在存储区时，是在相应的器件插座是插上（相应的器件插座是插上（H）芯片；实现容量扩展时，是把）芯片；实现容量扩展时，是把相关存储器芯片的（相关存储器芯片的（A）线
65、的每一对应的印脚连接在一起，）线的每一对应的印脚连接在一起，用（用（F）信号区分其中每个存储器芯片的所处的地址范围；）信号区分其中每个存储器芯片的所处的地址范围；把地址总线的（把地址总线的（J）部分送到地址译码器完成译码以产生内存）部分送到地址译码器完成译码以产生内存储器的芯片的片选信号，这个地址译码器仅在执行内存（储器的芯片的片选信号，这个地址译码器仅在执行内存（M）期间才允许执行译码功能。地址总线的（）期间才允许执行译码功能。地址总线的（K）部分直接连）部分直接连接到内存储器每个芯片的（接到内存储器每个芯片的（C）线引脚，用于选择每个芯片）线引脚，用于选择每个芯片内的不同的存储单元。同一个
66、内存储器读写命令（内的不同的存储单元。同一个内存储器读写命令（D）接到）接到一个内存储器每个一个内存储器每个RAM芯片的芯片的/WE管脚。管脚。A.数据数据B.ROMC.地址地址D.可以可以E.读读F.片选片选G.读读H.RAMI.不可以不可以J.高位高位K.低位低位L.控制控制M.读读/写写N.运行运行答案：答案：BHAFJMKCD675.3 5.3 外存储器设备与磁盘阵列技术外存储器设备与磁盘阵列技术磁盘磁盘外存设备外存设备磁带磁带光盘光盘特点：存储容量大，存储成本低，断电后能长期特点：存储容量大，存储成本低，断电后能长期保存信息，还可脱机保存信息（光盘、软盘、磁带）保存信息，还可脱机保存
67、信息（光盘、软盘、磁带）684.5.1 4.5.1 外存设备概述外存设备概述5.3.1 5.3.1 外存设备概述外存设备概述 1. 1. 外存设备的主要技术指标外存设备的主要技术指标（1）存储密度）存储密度（2）存储容量）存储容量（3）寻址时间）寻址时间（4）数据传输率）数据传输率（5）误码率）误码率（6）价格）价格69（1 1）存储密度）存储密度在磁介质单位长度或单位面积上所存在磁介质单位长度或单位面积上所存二进制信息的数量。对于磁盘，通常用道二进制信息的数量。对于磁盘，通常用道密度和位密度来表示，也可以用两者的乘密度和位密度来表示，也可以用两者的乘积来表示。对磁带设备，通常总是用位密积来表
68、示。对磁带设备，通常总是用位密度来表示。度来表示。（2 2）存储容量）存储容量一台设备所能存储的总信息数量，以一台设备所能存储的总信息数量，以字节为单位表示。字节为单位表示。70（3 3）寻址时间）寻址时间磁盘属于按直接存取方式读写的设备磁盘属于按直接存取方式读写的设备磁头沿磁盘的径向方向运动到目标磁道的时间磁头沿磁盘的径向方向运动到目标磁道的时间寻址时间寻址时间在目标磁道上等待磁盘被读写区段旋转道磁头在目标磁道上等待磁盘被读写区段旋转道磁头下面的时间下面的时间各取最大和最小时间的平均时间之和来表示。各取最大和最小时间的平均时间之和来表示。磁带设备是用顺序存取方式完成读写的。要读写磁带上某个磁
69、带设备是用顺序存取方式完成读写的。要读写磁带上某个区域上的信息，首先要等待该磁带旋转到该区域，所用时间是区域上的信息，首先要等待该磁带旋转到该区域，所用时间是几分钟到十几分钟。几分钟到十几分钟。71（4 4）数据传输率）数据传输率磁表面存储器在单位时间内可以传输数据的数量，磁表面存储器在单位时间内可以传输数据的数量，通常用二进制数的位数或字节数表示。它与设备本通常用二进制数的位数或字节数表示。它与设备本身的读写速度和接口逻辑线路有关。身的读写速度和接口逻辑线路有关。（5）误码率误码率衡量磁表面设备运行可靠性的重要指标。误码率衡量磁表面设备运行可靠性的重要指标。误码率等于读操作过程中，出错信息量
70、在读出的全部信息等于读操作过程中，出错信息量在读出的全部信息中所占的比例。中所占的比例。（6）价格价格外存设备的本身价格较贵，但因为存储容量特别外存设备的本身价格较贵，但因为存储容量特别大，存储单位信息（如大，存储单位信息（如1KB）所占的平均价格最低。）所占的平均价格最低。72 2. 2. 磁记录原理与记录方式磁记录原理与记录方式（1）磁记录原理）磁记录原理磁表面记录设备，是在磁头和磁性材料的磁表面记录设备，是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时，通过电磁转换过记录介质之间有相对运动时，通过电磁转换过程完成读写的。程完成读写的。73BrBH+HC-HC+Hm-Hm+Bm-Bm0I0写写
71、“0”电流电流写写“1”电流电流-Br74磁表面存储器的磁性材料具有矩形磁滞回线。磁表面存储器的磁性材料具有矩形磁滞回线。 当磁性材料被磁化后，其工作点总是在磁滞回线上。当磁性材料被磁化后，其工作点总是在磁滞回线上。只要外加正向脉冲电流（外加磁场只要外加正向脉冲电流（外加磁场HHHHm m），那么），那么电流消失后，磁感应强度并不为电流消失后，磁感应强度并不为0 0，而处于正剩磁，而处于正剩磁状态状态B Br r 。反之，若外加负向的脉冲电流，磁感应强。反之，若外加负向的脉冲电流，磁感应强度可出现负剩磁状态。即当磁性材料被磁化后，会度可出现负剩磁状态。即当磁性材料被磁化后，会出现两个稳定的剩磁
72、状态，形成一磁化元或存储元。出现两个稳定的剩磁状态，形成一磁化元或存储元。如果用如果用+B+Br r表示代码表示代码“1”“1”，用，用BBr r表示代码表示代码“0”“0”，则利用磁性材料的剩磁状态可记录一位二进制信息则利用磁性材料的剩磁状态可记录一位二进制信息。75铁心铁心读线圈读线圈载磁体载磁体磁层磁层SSNN写线圈写线圈I磁头在磁表面存储信息原理磁头在磁表面存储信息原理76磁头：磁头：用软磁材料组成，当向线圈提供一定方用软磁材料组成，当向线圈提供一定方向和大小的电流时，磁头体被磁化，建立起一向和大小的电流时，磁头体被磁化，建立起一定方向和强度的磁场，即磁环内有磁力线产生。定方向和强度的
73、磁场，即磁环内有磁力线产生。在磁头的间隙处磁阻最大，将产生漏磁。这漏在磁头的间隙处磁阻最大，将产生漏磁。这漏磁就是向磁记录介质写入信息的信息源。磁就是向磁记录介质写入信息的信息源。磁记录介质磁记录介质是在某种刚性（如硬盘）或柔性（如软盘、是在某种刚性（如硬盘）或柔性（如软盘、磁带）载体上涂上薄层磁性材料的物体，磁性磁带）载体上涂上薄层磁性材料的物体，磁性材料用硬磁材料做成。材料用硬磁材料做成。77写入过程写入过程：当磁头前端与磁性介质很近时，磁头前间隙处当磁头前端与磁性介质很近时，磁头前间隙处的漏磁将处于附近的磁记录介质的一小片磁性材料磁的漏磁将处于附近的磁记录介质的一小片磁性材料磁化。当磁头
74、离去后，这一小片被磁化的磁性材料保留化。当磁头离去后，这一小片被磁化的磁性材料保留了磁化状态，从而记录下写入的一位信息。了磁化状态，从而记录下写入的一位信息。读出过程读出过程：当磁头距磁记录介质很近且高速经过时，已磁化当磁头距磁记录介质很近且高速经过时，已磁化的一小片磁性材料的磁化状态通过前间隙在磁头的环的一小片磁性材料的磁化状态通过前间隙在磁头的环体内产生磁力线，从而在磁头线圈中感应出一个脉冲体内产生磁力线，从而在磁头线圈中感应出一个脉冲电流，表示读出了记录在磁记录介质中的一位信息。电流，表示读出了记录在磁记录介质中的一位信息。78（2 2）磁记录方式）磁记录方式磁记录方式，指的是一种编码方
75、法，即磁记录方式，指的是一种编码方法，即按什么方案（规律），把一连串的二进制信按什么方案（规律），把一连串的二进制信息变换成存储介质磁层中的一个序列的磁反息变换成存储介质磁层中的一个序列的磁反转状态，并且可以容易、可靠地用读写控制转状态，并且可以容易、可靠地用读写控制电路实现这一转换过程。选用不同的记录方电路实现这一转换过程。选用不同的记录方式，对磁表面设备的性能有重要的影响。式，对磁表面设备的性能有重要的影响。衡量磁记录方式的标准：衡量磁记录方式的标准：编码效率编码效率自同步能力自同步能力可靠性可靠性79衡量磁记录方式的标准：衡量磁记录方式的标准：编码效率编码效率指记录密度与最大磁化翻转密度
76、之比。即为记指记录密度与最大磁化翻转密度之比。即为记录一位信息所用的最多磁化翻转次数的倒数。例如，录一位信息所用的最多磁化翻转次数的倒数。例如，若记录一位信息，最多要有一次磁化翻转，则编码若记录一位信息，最多要有一次磁化翻转，则编码效率为效率为100%。自同步能力自同步能力指从读出的数据信息中提取同步时钟信号的难指从读出的数据信息中提取同步时钟信号的难易程度。同步时钟信号是分隔出连续多个数据的不易程度。同步时钟信号是分隔出连续多个数据的不同位所必须的时间基准信号。若有，则称为有同步同位所必须的时间基准信号。若有，则称为有同步能力。能力。可靠性可靠性有能检查错误，甚至自动纠错等必要措施。有能检查
77、错误，甚至自动纠错等必要措施。80归零制（归零制（RZ）不归零制（不归零制（NRZ）见见1就翻的不归零制（就翻的不归零制（NRZ1）基本编码方式：基本编码方式：调相制（调相制（PM）调频制（调频制（FM）改进调频制（改进调频制（MFM）8182基本编码方式基本编码方式：归零制（归零制（RZ）用向磁头线圈送入正负电流的办法写用向磁头线圈送入正负电流的办法写“1”和写和写“0”，“1”和和“0”的状态正好相反。主要矛盾：两的状态正好相反。主要矛盾：两位之间的磁层处于非磁化状态，难予解决，故不实用。位之间的磁层处于非磁化状态，难予解决，故不实用。（P204）不归零制（不归零制（NRZ）用向磁头线圈送
78、入正、反向电流的办法用向磁头线圈送入正、反向电流的办法写写“1”和写和写“0”，“1和和”0“的状态正好相反。磁层的状态正好相反。磁层中不存在未被磁化的状态。中不存在未被磁化的状态。见见“1”就翻的不归零制（就翻的不归零制（NRZ1）用在写用在写“1”时就变化时就变化磁头线圈中的电流方向（写磁头线圈中的电流方向（写“0”则不变化电流方向）的办则不变化电流方向）的办法执行写法执行写“1”和写和写“0”操作的方案。操作的方案。调相制（调相制（PM）是用磁层中不同的磁化翻转方向来区别是用磁层中不同的磁化翻转方向来区别“1”和和“0”的方案。磁头线圈中的电流，写的方案。磁头线圈中的电流，写“1”和写和
79、写“0”的方向不同。读出时信号是正脉冲则为的方向不同。读出时信号是正脉冲则为“1”，读出的，读出的信号是负脉冲则为信号是负脉冲则为“0”。8384调频制（调频制（FM）是用磁层中不同的磁化翻转次数来是用磁层中不同的磁化翻转次数来区别区别“1”和和“0”的方案。记录的方案。记录“1”比记录比记录“0”的磁化翻转频率要多一倍。磁头线圈中的电流，在的磁化翻转频率要多一倍。磁头线圈中的电流，在每个位周期起始处要变化一次方向，写每个位周期起始处要变化一次方向，写“1”时，在时，在位周期中心再变化一次方向；写位周期中心再变化一次方向；写“0”时，在位周期时，在位周期的中心处不再变化一次方向。读出时，的中心
80、处不再变化一次方向。读出时，“1”信号表信号表现为两个脉冲；现为两个脉冲；“0”信号表现为一个脉冲。二者的信号表现为一个脉冲。二者的频率相差一倍。频率相差一倍。改进调频制（改进调频制（MFM）取消了大部分在位周期起始取消了大部分在位周期起始处改变磁头线圈电流的动作，只保留在连续处改变磁头线圈电流的动作，只保留在连续“0”信信号的位周期起始处的电流变化方向（以便保证该编号的位周期起始处的电流变化方向（以便保证该编码方式的自同步能力）。其编码效率提高到码方式的自同步能力）。其编码效率提高到100%，比比FM提高一倍。提高一倍。855.3.25.3.2磁盘设备的组成与运行原理磁盘设备的组成与运行原理
81、磁盘设备，通常由三部分组成：磁盘设备，通常由三部分组成：（1）磁盘驱动器）磁盘驱动器（2）磁记录介质（硬磁盘片、磁盘组、）磁记录介质（硬磁盘片、磁盘组、软磁盘片）软磁盘片）（3）磁盘接口系统）磁盘接口系统86（1 1）磁盘驱动器（磁盘机）磁盘驱动器（磁盘机）通常是一个完整独立的设备，包括通常是一个完整独立的设备，包括作为磁记录介质使用的作为磁记录介质使用的磁盘磁盘和驱动磁盘和驱动磁盘匀速旋转的动力与匀速旋转的动力与驱动部件驱动部件，完成读写，完成读写功能的磁头和驱动磁头沿磁盘径向运动功能的磁头和驱动磁头沿磁盘径向运动和准确和准确定位的部件定位的部件，以及其它一些，以及其它一些控制控制逻辑电路逻
82、辑电路等部件。等部件。87（2 2）磁记录介质（硬磁盘片、磁盘）磁记录介质（硬磁盘片、磁盘组、软磁盘片）组、软磁盘片）是单独的、可以和磁盘驱动系统分是单独的、可以和磁盘驱动系统分开保存的磁记录介质。最典型的情况是开保存的磁记录介质。最典型的情况是软磁盘系统，也有把硬磁盘机与硬磁盘软磁盘系统，也有把硬磁盘机与硬磁盘片（组）做成分体结构的（活动磁盘系片（组）做成分体结构的（活动磁盘系统），其总的存储容量不受太多的约束。统），其总的存储容量不受太多的约束。88（3 3）磁盘接口电路）磁盘接口电路是插在主机总线插槽中的一块电路是插在主机总线插槽中的一块电路板，用于把磁盘驱动器与计算机主机连板，用于把磁
83、盘驱动器与计算机主机连接为一体系统；接收主机发给磁盘的操接为一体系统；接收主机发给磁盘的操作命令，实现数据缓冲与格式变换，处作命令，实现数据缓冲与格式变换，处理主机与磁盘之间的其它交互作用与时理主机与磁盘之间的其它交互作用与时间上的同步等。间上的同步等。891.硬磁盘驱动器的组成与功能硬磁盘驱动器的组成与功能2.硬磁盘驱动器的一般组成：硬磁盘驱动器的一般组成：3.（1）主轴及其驱动系统）主轴及其驱动系统4.（2）磁头及其定位系统）磁头及其定位系统5.（3）数据读写等控制逻辑部分）数据读写等控制逻辑部分9091（1 1）主轴及其驱动系统）主轴及其驱动系统硬磁盘的盘片（组）被固定（或插入后硬磁盘的
84、盘片（组）被固定（或插入后卡）在磁盘机的主轴上，由主轴带动磁盘匀卡）在磁盘机的主轴上，由主轴带动磁盘匀速旋转，而磁盘机的主轴，则是由一个主电速旋转，而磁盘机的主轴，则是由一个主电机通过传动皮带带动旋转的。主电机的转速机通过传动皮带带动旋转的。主电机的转速必须被监测和进行自动调节。在刚加电启动必须被监测和进行自动调节。在刚加电启动时，检测磁盘是否已经达到额定转速，通常时，检测磁盘是否已经达到额定转速，通常在未达到额定转速之前，不允许磁头进入磁在未达到额定转速之前，不允许磁头进入磁盘外沿之内；在磁盘正常旋转的过程中，可盘外沿之内；在磁盘正常旋转的过程中，可以用一个闭环的自动调节系统使其转速尽可以用
85、一个闭环的自动调节系统使其转速尽可能的均匀。能的均匀。9293 （2 2）磁头及其定位系统）磁头及其定位系统大部分的磁盘系统中，只为每大部分的磁盘系统中，只为每个磁盘面设立一个磁头，为在磁盘个磁盘面设立一个磁头，为在磁盘径向方向的某个位置（某个磁道）径向方向的某个位置（某个磁道）完成读写，必须驱动磁头移动到并完成读写，必须驱动磁头移动到并定位在那里，实现这一功能的部件定位在那里，实现这一功能的部件称为磁头定位驱动机构。它由小车称为磁头定位驱动机构。它由小车和驱动部件组成，磁头被安装在小和驱动部件组成，磁头被安装在小车上，小车的运动带动磁头沿磁盘车上，小车的运动带动磁头沿磁盘径向前进和后退。径向
86、前进和后退。9495 （3 3）数据读写等控制逻辑部分）数据读写等控制逻辑部分要读写磁盘上的信息，首先必须给出信息在要读写磁盘上的信息，首先必须给出信息在磁盘上的准确位置：磁盘面，磁道、扇区。磁盘上的准确位置：磁盘面，磁道、扇区。对于写操作，当把要用的写入地址送入磁盘的对于写操作，当把要用的写入地址送入磁盘的地址寄存器后，再把要写入的数据经磁盘接口送到地址寄存器后，再把要写入的数据经磁盘接口送到磁盘的读写控制逻辑电路，经过编码处理，送入驱磁盘的读写控制逻辑电路，经过编码处理，送入驱动器再送入选定的磁盘的写入线圈，把信息串行地动器再送入选定的磁盘的写入线圈，把信息串行地写入到选定的磁道中。写入操
87、作一般伴有出错检查。写入到选定的磁道中。写入操作一般伴有出错检查。对于读操作，首先使磁头移动到磁盘地址寄存对于读操作，首先使磁头移动到磁盘地址寄存器指定的存储区域，选中的磁头执行读操作，读出器指定的存储区域，选中的磁头执行读操作，读出信号送入读出放大器，然后经译码电路分离出数据信号送入读出放大器，然后经译码电路分离出数据脉冲，拼装成字节或字的格式送入磁盘接口。读的脉冲，拼装成字节或字的格式送入磁盘接口。读的过程也伴有出错检查。过程也伴有出错检查。962.磁记录介质磁记录介质磁盘上的信息组织磁盘上的信息组织（自学）（自学）3.磁盘接口卡磁盘接口卡（自学）（自学）5.3.3磁带机设备简介磁带机设备
88、简介979820032003年年1 1月试题月试题 三、三、2 2 衡衡量量硬硬磁磁盘盘的的主主要要性性能能指指标标有有哪哪些些？硬硬磁磁盘盘是是如如何何实实现现数数据据读读写写操操作作的的？硬硬磁磁盘盘在在计计算算机机系系统统中中发发挥挥哪哪2 2种种重重要要功能？（功能？（1010分）分） 答案：答案：衡衡量量硬硬磁磁盘盘的的主主要要性性能能指指标标有有存存储储密密度度、存存储储容容量量、寻寻址址时时间间、数数据据传传输输率、误码率和价格。率、误码率和价格。99要要读读写写磁磁盘盘上上的的信信息息，首首先先必必须须给给出出信信息息在在磁磁盘盘上上的的准准确确位位置置，这这个个位位置置通通常
89、常有有哪哪个个磁磁盘盘面面，哪哪一一个个磁磁道道及及哪哪一一个个扇扇区区等等几几部部分分组组成成。对对于于写写操操作作，当当把把要要用用的的写写入入地地址址送送入入磁磁盘盘的的地地址址寄寄存存器器后后，再再把把要要写写入入的的数数据据经经磁磁盘盘接接口口送送到到磁磁盘盘的的读读写写控控制制逻逻辑辑电电路路，经经过过编编码码处处理理，送送入入驱驱动动器器再再送送入入选选定定的的磁磁盘盘的的写写入入线线圈圈，把把信信息息串串行行地地写写入入到到选选定定的的磁磁道道中中。写写入入操操作作一一般般伴伴有有出出错错检检查查。对对于于读读操操作作，首首先先使使磁磁头头移移动动到到磁磁盘盘地地址址寄寄存存器
90、器指指定定的的存存储储区区域域，选选中中的的磁磁头头执执行行读读操操作作，读读出出信信号号送送入入读读出出放放大大器器，然然后后经经译译码码电电路路分分离离出出数数据据脉脉冲冲，拼拼装装成成字字节节或或字字的格式送入磁盘接口。读的过程也伴有出错检查。的格式送入磁盘接口。读的过程也伴有出错检查。100硬硬磁磁盘盘在在计计算算机机系系统统中中的的2种种重重要要功功能能：一一是是摆摆脱脱主主存存储储器器容容量量的的限限制制，解解决决了了主主存存储储器器的的存存储储容容量量不不够够大大，存存放放不不下下足足够够多多的的数数据据和和程程序序的的问问题题；二二是是降降低低存存储储一一定定信信息息所用的成本
91、，从而降低了整个系统的价格。所用的成本，从而降低了整个系统的价格。1014.3 4.3 高速缓冲存储器部件（高速缓冲存储器部件（CacheCache）高速缓冲存储器部件（高速缓冲存储器部件（Cache）是是一个相对内存来说容量很小，速度特快，用一个相对内存来说容量很小，速度特快，用静态存储器器件实现的存储器部件。静态存储器器件实现的存储器部件。作用：作用：缓解主存速度慢，跟不上缓解主存速度慢，跟不上CPU读读写速度要求的矛盾。写速度要求的矛盾。1025.3.4光盘设备的组成与运行原理光盘设备的组成与运行原理光盘设备光盘设备利用激光照射圆形盘体完成信息读写的设备。利用激光照射圆形盘体完成信息读写
92、的设备。特点特点：存储密度大，容量大，非接触式读写，工作可靠性好，价：存储密度大，容量大，非接触式读写，工作可靠性好，价格便宜。格便宜。读光盘读光盘3种类型光盘种类型光盘一次写型光盘一次写型光盘可檫写型光盘可檫写型光盘（用激光照射特定的磁性材料介质实现）（用激光照射特定的磁性材料介质实现）103104一次型写光盘的组成：一次型写光盘的组成：写一次型光盘设备由光盘机和盘片组成。写一次型光盘设备由光盘机和盘片组成。光盘机由主轴驱动机构、读写光头和寻道定位光盘机由主轴驱动机构、读写光头和寻道定位机构、激光器、光束分离器和光聚焦镜组成。机构、激光器、光束分离器和光聚焦镜组成。光盘是圆形的、用于记录信息
93、的盘片，由光盘是圆形的、用于记录信息的盘片，由基板、铝质反射层、和薄金属膜等组成，基板基板、铝质反射层、和薄金属膜等组成，基板提供合适的机械性能，反射层用于反射接收到提供合适的机械性能，反射层用于反射接收到的激光信号，而金属膜则是记录信息（区分的激光信号，而金属膜则是记录信息（区分“0”和和“1”信号）的介质。信号）的介质。105一次型写光盘完成读写操作的基本原理：一次型写光盘完成读写操作的基本原理：激光器可以产生一定亮度（强度）的激光束，是光源部件。激光器可以产生一定亮度（强度）的激光束，是光源部件。光束分离器把接收到的激光束分成为写光束和读光束两部分。光束分离器把接收到的激光束分成为写光束
94、和读光束两部分。调制器用于控制是否让写光束通过。写光束要通过跟踪反射调制器用于控制是否让写光束通过。写光束要通过跟踪反射镜实现寻道定位，把写光束聚焦为很细的光束打到指定的光镜实现寻道定位，把写光束聚焦为很细的光束打到指定的光盘位置，从而在那里融处一个小于盘位置，从而在那里融处一个小于1的小坑，表示已完成一的小坑，表示已完成一个个“1”信号的写入操作。读出时，读光束也会照射到指定的信号的写入操作。读出时，读光束也会照射到指定的光光盘的位置，但它的能量很弱，不会改变金属膜的反射特性，盘的位置，但它的能量很弱，不会改变金属膜的反射特性，只会把所照到之处有无小坑通过反射光的强弱表现出来，反只会把所照到
95、之处有无小坑通过反射光的强弱表现出来，反射回来的光被送到光敏二极管，从而确定读出来的是射回来的光被送到光敏二极管，从而确定读出来的是“1”信信号号还是还是“0”信号。由于金属膜的反射特性，一旦被破坏了就不信号。由于金属膜的反射特性，一旦被破坏了就不能能恢复，所以这种类型的光盘只能被写一次。恢复，所以这种类型的光盘只能被写一次。1061079说明只写一次型光盘的组成？完成读写操说明只写一次型光盘的组成？完成读写操作的基本原理？作的基本原理？答：写一次型光盘设备由光盘机和盘片组成。答：写一次型光盘设备由光盘机和盘片组成。光盘机由主轴驱动机构、读写光头和寻道定光盘机由主轴驱动机构、读写光头和寻道定位
96、机构、激光器、光束分离器和光聚焦镜组位机构、激光器、光束分离器和光聚焦镜组成。成。光盘是圆形的、用于记录信息的盘片，由基板、光盘是圆形的、用于记录信息的盘片，由基板、铝质反射层、和薄金属膜等组成，基板提供铝质反射层、和薄金属膜等组成，基板提供合适的机械性能，反射层用于反射接收到的合适的机械性能，反射层用于反射接收到的激光信号，而金属膜则是记录信息（区分激光信号，而金属膜则是记录信息（区分“0”和和“1”信号）的介质。信号）的介质。108一次型写光盘完成读写操作的基本原理：激光器可以一次型写光盘完成读写操作的基本原理：激光器可以产生一定亮度（强度）的激光束，是光源部件。光产生一定亮度（强度）的激
97、光束，是光源部件。光束分离器把接收到的激光束分成为写光束和读光束束分离器把接收到的激光束分成为写光束和读光束两部分。调制器用于控制是否让写光束通过。写光两部分。调制器用于控制是否让写光束通过。写光束要通过跟踪反射镜实现寻道定位，把写光束聚焦束要通过跟踪反射镜实现寻道定位，把写光束聚焦为很细的光束打到指定的光盘位置，从而在那里融为很细的光束打到指定的光盘位置，从而在那里融处一个小于处一个小于1的小坑，表示已完成一个的小坑，表示已完成一个“1”信号信号的写入操作。读出时，读光束也会照射到指定的光的写入操作。读出时，读光束也会照射到指定的光盘的位置，但它的能量很弱，不会改变金属膜的反盘的位置，但它的
98、能量很弱，不会改变金属膜的反射特性，只会把所照到之处有无小坑通过反射光的射特性，只会把所照到之处有无小坑通过反射光的强弱表现出来，反射回来的光被送到光敏二极管，强弱表现出来，反射回来的光被送到光敏二极管，从而确定读出来的是从而确定读出来的是“1”信号还是信号还是“0”信号。由信号。由于金属膜的反射特性，一旦被破坏了就不能恢复，于金属膜的反射特性，一旦被破坏了就不能恢复，所以这种类型的光盘只能被写一次。所以这种类型的光盘只能被写一次。1095.3.5磁盘阵列技术与容错支持磁盘阵列技术与容错支持磁盘阵列技术磁盘阵列技术统一管理由多个磁盘组成的磁统一管理由多个磁盘组成的磁盘阵列盘阵列采用磁盘阵列技术
99、的目的：采用磁盘阵列技术的目的：通过多个磁盘的并列操作来提高设备总体的性通过多个磁盘的并列操作来提高设备总体的性能能和可靠性。和可靠性。例：若一个磁盘的容量为例：若一个磁盘的容量为xMB，单位时间提供的，单位时间提供的传送能力为传送能力为yMB，那么，那么n个磁盘的容量则为个磁盘的容量则为nxMB，单位时间提供的传送能力为单位时间提供的传送能力为nyMB。通过合理在多个磁盘之间组织数据，得到比较通过合理在多个磁盘之间组织数据，得到比较理想的容错能力，即额外拿出一定的存储容量（冗余）理想的容错能力，即额外拿出一定的存储容量（冗余）用于保存检错纠错的信息。用于保存检错纠错的信息。110111磁盘阵
100、列结构磁盘阵列结构RAID卡卡4.3GB112磁盘阵列结构的组成与工作原理：磁盘阵列结构的组成与工作原理：为了统一管理磁盘阵列，使用户感觉到的不再是为了统一管理磁盘阵列，使用户感觉到的不再是多个物理磁盘，似乎就是一个性能更高的单一磁盘，多个物理磁盘，似乎就是一个性能更高的单一磁盘，就要使用阵列控制卡（就要使用阵列控制卡（RAID卡），把组成阵列的卡），把组成阵列的多个物理（实际）磁盘连接成一个逻辑整体，这被多个物理（实际）磁盘连接成一个逻辑整体，这被称为称为逻辑磁盘逻辑磁盘。该卡的一端将被连接的高速的。该卡的一端将被连接的高速的SCSI总线或总线或PCI总线的插槽中，以便与计算机主机接通，总线
101、的插槽中，以便与计算机主机接通，另外一端有另外一端有13个接插头，通过电缆与个接插头，通过电缆与13个磁盘设个磁盘设备连接，每组可有串行连接在一起的备连接，每组可有串行连接在一起的17个个物理磁物理磁盘盘。RAID卡是一个有较强智能处理能力的接口电卡是一个有较强智能处理能力的接口电路。路。113RAIDRAID卡的主要组成部分卡的主要组成部分：单片计算机；单片计算机；形成奇偶校验信息的机构；形成奇偶校验信息的机构；分析处理主机分析处理主机CPU发来的读写磁盘命令的机构；发来的读写磁盘命令的机构；起缓冲作用的起缓冲作用的DRAM存储器（又被称为阵列加存储器（又被称为阵列加速器，几速器，几MB十几
102、十几MB容量，分成两个体以镜像方容量，分成两个体以镜像方式运行，还有专用的电池支持）式运行，还有专用的电池支持）系统能通过系统能通过RAID卡对连接在卡上的多个磁盘，卡对连接在卡上的多个磁盘，按用户的使用要求，灵活地配置不同的使用和容错按用户的使用要求，灵活地配置不同的使用和容错方式。方式。1146 6种容错技术种容错技术RAID0（数据散放）（数据散放）RAID1（磁盘镜像）（磁盘镜像）RAID2（与磁盘设备本身的工作特性（与磁盘设备本身的工作特性不完全符合）不完全符合）RAID3（要求多个物理盘同速并保持（要求多个物理盘同速并保持同步，性能同步，性能/价格比）价格比）RAID4（数据保护）
103、（数据保护）RAID5（分布式数据保护）（分布式数据保护）115RAID0模式（数据散放）模式（数据散放）磁盘磁盘0磁盘磁盘1磁盘磁盘2磁盘磁盘3文件文件23112345678116RAID0RAID0模式模式，是指把文件的数据分成容量相，是指把文件的数据分成容量相等（例如等（例如16kB）的）的“块块”，把每一块交替地分，把每一块交替地分别写到不同的物理磁盘的几个扇区中去。别写到不同的物理磁盘的几个扇区中去。优点：不仅可以使几个磁盘合起来有更大的优点：不仅可以使几个磁盘合起来有更大的容量，还可以让多个物理磁盘并发读写，提高容量，还可以让多个物理磁盘并发读写，提高数据输入数据输入/输出的吞吐能
104、力。输出的吞吐能力。缺点：没有采用任何容错措施，故没有容错缺点：没有采用任何容错措施，故没有容错能力。磁盘可用存储容量全部用于存储实际数能力。磁盘可用存储容量全部用于存储实际数据。据。117RAID1模式（磁盘镜像）模式（磁盘镜像）磁盘磁盘0磁盘磁盘11122镜像镜像数据数据118RAID1RAID1模式（磁盘镜像）模式（磁盘镜像）RAID1模式是实现两个磁盘互为备份的模式是实现两个磁盘互为备份的用法，即把相同的数据分别写到配对使用的用法，即把相同的数据分别写到配对使用的两个磁盘中（镜像磁盘）这一写操作是对两两个磁盘中（镜像磁盘）这一写操作是对两个磁盘同时进行的，不会有降低写入速度的个磁盘同时
105、进行的，不会有降低写入速度的矛盾。矛盾。优点优点：数据同时保存在两个磁盘中，若：数据同时保存在两个磁盘中，若其中任何一个磁盘出现故障，可以从另一磁其中任何一个磁盘出现故障，可以从另一磁盘读出数据，而不会出现令人难以接受的丢盘读出数据，而不会出现令人难以接受的丢失数据的局面。失数据的局面。缺点缺点：镜像磁盘总存储容量的有效利用：镜像磁盘总存储容量的有效利用率只有率只有50%。119RAID4模式（数据保护）模式（数据保护）数据数据磁盘磁盘0数据数据磁盘磁盘2奇偶（奇偶（Parity）磁盘磁盘3数据数据磁盘磁盘1123P1456P2P1为数据块为数据块1，2，3，的奇偶值，的奇偶值P2为数据块为数
106、据块2，4，6，的奇偶值，的奇偶值120 RAID4 RAID4模式（数据保护）模式（数据保护） RAID4模式，是为模式，是为N个存储数据的磁盘分配另个存储数据的磁盘分配另一个专用于存储奇偶校验信息的磁盘。把一个专用于存储奇偶校验信息的磁盘。把N个数据分个数据分块写进多个数据磁盘（同块写进多个数据磁盘（同RAID0），对这些数据中），对这些数据中相应的几位求出奇偶校验值，最终形成一个奇偶校相应的几位求出奇偶校验值，最终形成一个奇偶校验值组成的信息块写入专用于存储奇偶信息的磁盘验值组成的信息块写入专用于存储奇偶信息的磁盘（数据保护）。（数据保护）。优点：提供了容错能力，优点：提供了容错能力，N
107、+1个磁盘中任一个个磁盘中任一个出现故障，可用其余出现故障，可用其余N个磁盘的内容计算出故障磁盘个磁盘的内容计算出故障磁盘的正确数据。存储容量有效利用率位的正确数据。存储容量有效利用率位N/N+1。缺点：计算出故障磁盘的正确数据比较费时，缺点：计算出故障磁盘的正确数据比较费时，不支持多个数据磁盘的并行操作。不支持多个数据磁盘的并行操作。121 RAID5 RAID5式（分布式数据保护）式（分布式数据保护）数据块数据块3奇偶块奇偶块2数据块数据块8数据块数据块11数据块数据块2数据块数据块5奇偶块奇偶块3数据块数据块10123P145P26数据块数据块1数据块数据块4数据块数据块7奇偶块奇偶块4
108、奇偶块奇偶块1数据块数据块6数据块数据块9数据块数据块12122 RAID5 RAID5式（分布式数据保护）式（分布式数据保护）RIAD5是对是对RAID4的改进。不再区分的改进。不再区分N个存储数据的磁个存储数据的磁盘和另一个专用的奇偶校验磁盘，把盘和另一个专用的奇偶校验磁盘，把N+1个磁盘同等对待，个磁盘同等对待，都用于存放数据和奇偶校验信息。在同一个物理磁盘中，数都用于存放数据和奇偶校验信息。在同一个物理磁盘中，数据和奇偶校验信息以不同扇区的形式体现出来。据和奇偶校验信息以不同扇区的形式体现出来。优点：同优点：同RAID4，提供了容错能力。即这，提供了容错能力。即这N+1个磁盘个磁盘中任
109、何出现故障，都不回造成数据丢失的问题，可以用剩中任何出现故障，都不回造成数据丢失的问题，可以用剩下下N个磁盘的内容，计算出存放在有故障磁盘中正确的数据个磁盘的内容，计算出存放在有故障磁盘中正确的数据内容。存储容量的有效利用率同样为内容。存储容量的有效利用率同样为N/N+1。可对多个磁盘。可对多个磁盘执行并行读写操作。执行并行读写操作。123 2001 2001年年7 7月试题月试题 一、一、6 6 使用阵列磁盘可以比较容易地增加磁盘使用阵列磁盘可以比较容易地增加磁盘系统的系统的 ，提高磁盘系统的读写速度，提高磁盘系统的读写速度，能方便地实现磁盘系统的能方便地实现磁盘系统的 功能。功能。 答案：
110、存储容量答案：存储容量 容错容错124 2002 2002年年1 1月试题月试题 一、一、5 5 使用阵列磁盘可以比较容易地使用阵列磁盘可以比较容易地增加磁盘系统的增加磁盘系统的 ，提高，提高磁盘系统的磁盘系统的 速度，能方速度，能方便地实现磁盘系统的便地实现磁盘系统的 功能。功能。 答案：存储容量答案：存储容量 读写速度读写速度 容错容错12520002000年年7 7月试题月试题 三、三、3 3使用阵列磁盘的目的使用阵列磁盘的目的是什么？阵列磁盘中的是什么？阵列磁盘中的RAID0RAID0、RAID1RAID1、RAID4RAID4、RAID5RAID5各有什么样的容错能力？各有什么样的容
111、错能力？采用磁盘阵列技术的目的：采用磁盘阵列技术的目的：通通过过多多个个磁磁盘盘的的并并列列操操作作来来提提高高设设备备总总体体的的性能和可靠性。性能和可靠性。通过合理在多个磁盘之间组织数据，得到比通过合理在多个磁盘之间组织数据，得到比较理想的容错能力，即额外拿出一定的存储较理想的容错能力，即额外拿出一定的存储容量（冗余）用于保存检错纠错的信息。容量（冗余）用于保存检错纠错的信息。RAID0模式（数据散放）模式（数据散放）只只用用于于扩扩展展容容量量，并并发发读读写写，提提高高数数据据输输入入/输出能力。没有容错措施，故没有容错能力输出能力。没有容错措施，故没有容错能力。126RAID1模模式
112、式（磁磁盘盘镜镜像像）是是实实现现两两个个磁磁盘盘互互为为备备份份的的用用法法，把把相相同同的的数数据据分分别别写写到到配配对对使使用用的的两两个个磁磁盘盘中中。它它用用于于备备份份数数据据，即即使使一一个个磁磁盘盘出出现现故故障障，还还可以从另一磁盘读出数据。可以从另一磁盘读出数据。RAID4模模式式（数数据据保保护护）提提供供了了容容错错能能力力，N+1个个磁磁盘盘中中任任一一个个出出现现故故障障，可可用用其其余余N个个磁磁盘盘的的内内容容计计算出故障磁盘的正确数据。算出故障磁盘的正确数据。RAID5模模式式（分分布布式式数数据据保保护护）是是对对RAID4的的改改进进。同同RAID4一一
113、样样，供供了了容容错错能能力力，N+1个个磁磁盘盘中中任任一一个个出出现现故故障障，可可用用其其余余N个个磁磁盘盘的的内内容容计计算算出出故故障障磁盘的正确数据。磁盘的正确数据。127作业作业3.11.3.11.为什么要采用磁盘阵列技术？何为什么要采用磁盘阵列技术？何为逻辑盘，何为物理盘？作为一个逻辑为逻辑盘，何为物理盘？作为一个逻辑盘使用的多个物理盘需要在转速和所有盘使用的多个物理盘需要在转速和所有扇区等方面严格同步吗？为什么？扇区等方面严格同步吗？为什么？ 答答：采采用用磁磁盘盘阵阵列列技技术术的的目目的的是是：通通过多多个个磁磁盘的的并并列列操操作作来来提提高高设备总体体的的性性能能和和
114、可可靠靠性性。通通过合合理理在在多多个个磁磁盘之之间组织数数据据，得得到到比比较理理想想的的容容错能能力力，即即额外外拿拿出出一一定定的的存存储容容量量（冗余）用于保存（冗余）用于保存检错纠错的信息。的信息。128 用阵列控制卡（用阵列控制卡（RAIDRAID卡）把组成阵列卡）把组成阵列的多个物理（实际）磁盘连接成一个逻的多个物理（实际）磁盘连接成一个逻辑整体，这个逻辑整体被称为逻辑盘。辑整体，这个逻辑整体被称为逻辑盘。参与由阵列控制卡（参与由阵列控制卡（RAIDRAID卡）组成阵列卡）组成阵列的多个物理（实际）磁盘被成为物理盘。的多个物理（实际）磁盘被成为物理盘。 作作为为一一个个逻逻辑辑盘
115、盘使使用用的的多多个个物物理理盘盘需需要要在在转转速速和和所所有有扇扇区区等等方方面面不不需需严严格格同同步步，因因为为阵阵列列磁磁盘盘有有两两项项技技术术，即即并并发发命命令令请请求求和和命命令令排排队队技技术术及及快快速速接接入入和和切切断断技技术术能能进进一一步步提提高高数数据据读读写写的的速速度度和把占用总线的时间压缩到尽可能短。和把占用总线的时间压缩到尽可能短。129 作业作业3.12. 3.12. 阵列磁盘使用什么类型的接口阵列磁盘使用什么类型的接口卡？该卡上大体有些什么组成部件？阵列盘卡？该卡上大体有些什么组成部件？阵列盘中的中的RAID0RAID0、RAID1RAID1、RAI
116、D4RAID4和和RAID5RAID5指的是什指的是什么类型的容错能力？么类型的容错能力？ 答：答：阵列磁列磁盘使用一使用一块特定的接口卡，称特定的接口卡，称为RAIDRAID卡或卡或阵列控制卡，把列控制卡，把组成成阵列的多个列的多个物理磁物理磁盘连接成一个接成一个逻辑磁磁盘。 该卡上大体上有以下支持部件：单片计该卡上大体上有以下支持部件：单片计算机；形成奇偶校验信息的机构；分析处理算机；形成奇偶校验信息的机构；分析处理主机主机CPUCPU发来的读写磁盘命令的机构；起缓冲发来的读写磁盘命令的机构；起缓冲作用的作用的DRAMDRAM存储器。存储器。130 RAID0 RAID0 模式模式（数据散
117、放）：只用于扩展容（数据散放）：只用于扩展容量，并发读写，提高数据输入量，并发读写，提高数据输入/ /输出能力，没输出能力，没有容错能力。有容错能力。RAID1RAID1模式模式（磁盘镜像）：是实（磁盘镜像）：是实现两个磁盘互为备份的用法，即使一个磁盘现两个磁盘互为备份的用法，即使一个磁盘出现故障，还可以从另一磁盘读出数据。出现故障，还可以从另一磁盘读出数据。RAID4RAID4模式模式（数据保护）：提供了容错能力，（数据保护）：提供了容错能力，N+1N+1个磁盘中任一个出现故障，可用其余个磁盘中任一个出现故障，可用其余N N个个磁盘的内容计算出故障磁盘的正确数据。磁盘的内容计算出故障磁盘的正
118、确数据。RAID5RAID5模式模式（分布式数据保护）是对（分布式数据保护）是对RAID4RAID4的的改进。同改进。同RAID4RAID4一样，供了容错能力，一样，供了容错能力，N+1N+1个个磁盘中任一个出现故障，可用其余磁盘中任一个出现故障，可用其余N N个磁盘的个磁盘的内容计算出故障磁盘的正确数据。内容计算出故障磁盘的正确数据。 1315.4 5.4 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（CacheCache）高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）是一个是一个相对内存来说容量很小，速度特快，用静态相对内存来说容量很小，速度特快，用静态存储器器件实现的存储器部件。存储器器件实现的存储器部
119、件。作用：作用：缓解主存速度慢、跟不上缓解主存速度慢、跟不上CPU读读写速度要求的矛盾。写速度要求的矛盾。132实现原理：实现原理：把把CPU最近可能用到的少量信息从主存最近可能用到的少量信息从主存复制到复制到Cache中，中，Cache下次再用到这些信息下次再用到这些信息时，它不必访问慢速主存，而直接从快速时，它不必访问慢速主存，而直接从快速Cache得到，从而提高了得到这些信息的速得到，从而提高了得到这些信息的速度，使度，使CPU有更高的运行效率。有更高的运行效率。衡量衡量Cache运行性能的最重要的指标运行性能的最重要的指标命中率。命中率。命中率命中率能以多大的概率，能以多大的概率，CP
120、U可以可以从从Cache中得到原本应该到主存中去取得的中得到原本应该到主存中去取得的信息。（因为信息。（因为Cache的容量远小于主存，它的容量远小于主存，它锁存放的内容只是主存内容的一小部分。）锁存放的内容只是主存内容的一小部分。）1335.4.1 5.4.1 高速缓冲存储器的运行原理高速缓冲存储器的运行原理用什么办法找到与原主存单元对应的用什么办法找到与原主存单元对应的Cache单元单元？合理地设计合理地设计Cache的组织形式。的组织形式。Cache每一存储每一存储单元由单元由3部分组成：部分组成：第一部分：第一部分：数据字段，是从主存单元复制过来的数据字段，是从主存单元复制过来的数据，
121、是在数据，是在CPU读该主存字时同时写进选中的读该主存字时同时写进选中的Cache单元的。单元的。第二部分：第二部分：标志字段，保存相应的主存单元信息。标志字段，保存相应的主存单元信息。在复制主存单元数据内容的同时，将相应的地址写在复制主存单元数据内容的同时，将相应的地址写进标志字段。进标志字段。第三部分：第三部分：有效值字段（有效值字段（1位），规定值为位），规定值为1时，时，表明标志字段、数据字段的内容是有效的；值为表明标志字段、数据字段的内容是有效的；值为0时，表明标志字段、数据字段的内容是无效的。时，表明标志字段、数据字段的内容是无效的。134135完善措施：完善措施：以几个字组成的字
122、块为单位实现主存与以几个字组成的字块为单位实现主存与Cache的对应关系。若以一个字为对应单位，标志字段必的对应关系。若以一个字为对应单位，标志字段必须存放一个主存单元的完整的字地址，占用位数多，须存放一个主存单元的完整的字地址，占用位数多，Cache总容量（位数总容量（位数单元数）变大。而且实现主存单元数）变大。而且实现主存地址与地址与Cache标志字段比较的次数也多，不利于提标志字段比较的次数也多，不利于提高高Cache的运行速度。的运行速度。以几个字组成的字块为单位实现两者之间的数以几个字组成的字块为单位实现两者之间的数据传送。即在据传送。即在CPU读一个主存字时，顺便把该字以读一个主存
123、字时，顺便把该字以后的几个字也写进后的几个字也写进Cache，CPU要用到这几个字时，要用到这几个字时，就可以从就可以从Cache中快速得到，而不必每次去读内存。中快速得到，而不必每次去读内存。1365.4.2 Cache.4.2 Cache的的3 3种映像方式种映像方式几个概念：几个概念：地址映像地址映像把主存单元的地址经过某种函数关把主存单元的地址经过某种函数关系处理后写进系处理后写进Cache的标志字段的过程。的标志字段的过程。地址变换地址变换执行程序时把主存地址变换为访问执行程序时把主存地址变换为访问Cache地址的过程。地址的过程。全相联映像方式全相联映像方式3种映像方式种映像方式直
124、接映像方式直接映像方式多路相联映像方式多路相联映像方式1371.全相联映像方式全相联映像方式全相联映像方式全相联映像方式,是指主存的一个字是指主存的一个字(字字块块)可以映像到整个可以映像到整个Cache的任一个字的任一个字(字块字块)中中;反过来说反过来说,Cache中的一个字中的一个字(字块字块)中中,在在不同时刻可能存放的是整个主存中的任何一不同时刻可能存放的是整个主存中的任何一个字个字(字块字块)中的内容中的内容,即二者之间的对应关系即二者之间的对应关系是完全随意的是完全随意的,没有任何强制性的限制条件。没有任何强制性的限制条件。优点优点：对：对Cache的使用可以有最大的灵的使用可以
125、有最大的灵活性。只要活性。只要Cache中尚有空闲的单元，而又中尚有空闲的单元，而又有新的主存单元的内容要写入有新的主存单元的内容要写入Cache时，就时，就确保能实现这次操作。确保能实现这次操作。138139例：设例：设Cache的容量为的容量为1K字，一个字块为字，一个字块为8字，则字，则Cache可可分为分为1024/8=128个字块。个字块。设主存容量为设主存容量为64K个字（个字（16位地址）位地址），一个字块为，一个字块为8字，则可分为字，则可分为216/8=8192个字块。个字块。读主存时，为判断要读的数据是否读主存时，为判断要读的数据是否Cache中，必须把主存地中，必须把主存
126、地址高址高13位与位与Cache标志字段比较，若两者相同，说明要读的数标志字段比较，若两者相同，说明要读的数据在据在Cache中。否则，要到内存读取。中。否则，要到内存读取。缺点：缺点：在执行在执行Cache读写操作时，需用原本读主存的整个读写操作时，需用原本读主存的整个（或部分）地址去与（或部分）地址去与Cache的中的每一个标志字段的内容相比的中的每一个标志字段的内容相比较。比较操作的电路过于复杂。较。比较操作的电路过于复杂。13位位3位位主存地址主存地址写进写进Cache标志字段标志字段字块内编号字块内编号1402. 2. 直接映像方式直接映像方式直接映像方式是指主存中的一个字（字直接映
127、像方式是指主存中的一个字（字块）只能映像到块）只能映像到Cache中的一个准确确定的中的一个准确确定的字（字块）中；反过来，字（字块）中；反过来，Cache中的一个字中的一个字（字快）中，在不同时刻存放的仅能是整个（字快）中，在不同时刻存放的仅能是整个主存中确定的某些字（字块）的内容，即二主存中确定的某些字（字块）的内容，即二者的对应关系是完全硬性确定的，没有任何者的对应关系是完全硬性确定的，没有任何选择的余地。选择的余地。优点优点：实现与标志字段比较的线路简单，：实现与标志字段比较的线路简单，成本低。成本低。缺点缺点：对：对Cache的使用缺乏灵活性，影的使用缺乏灵活性，影响命中率。响命中率
128、。141142例：设例：设Cache的容量为的容量为1K字，一个字块为字，一个字块为8字，则字，则Cache可分为可分为1024/8=128字块字块。设主存容量为。设主存容量为64K个字（个字（16位地址），位地址），一个字块为一个字块为8字，则可分为字，则可分为216/8=8192个字块。每个字块。每1K字为一字为一个字段，则可分为个字段，则可分为64个字段（每段中有个字段（每段中有128个字块）。个字块）。读主存时，用主存地址中间读主存时，用主存地址中间7位块号确定位块号确定Cache中的块，中的块，再用高再用高6位地址（区段号）与位地址（区段号）与Cache特定块着中的标志字段特定块着中
129、的标志字段比较，若相同，说明要读的数在比较，若相同，说明要读的数在Cache中，表明访问成功，中，表明访问成功，即即“命中命中”。3位位主存地址主存地址主存中的段号，主存中的段号，写进写进Cache中中的标志字段的标志字段字块内编号字块内编号7位位6位位Cache中的字中的字块号，对应主块号，对应主存中每段的字存中每段的字块号块号143 3.3.多路组相联映像方式多路组相联映像方式多路组相联映像方式，是对全相多路组相联映像方式，是对全相联和直接映像的一种折中的处理方案。联和直接映像的一种折中的处理方案。它既不是在主存和它既不是在主存和Cache之间实现字块之间实现字块（字）的完全地随意对应，也
130、不是在主（字）的完全地随意对应，也不是在主存和存和Cache之间实现字块（字）的多对之间实现字块（字）的多对一的硬性对应，而是实现一种有限度的一的硬性对应，而是实现一种有限度的随意对应。随意对应。144个体个体0（偶数地址）（偶数地址）个体个体0（奇数地址）（奇数地址）145实现原理实现原理：把：把Cache存储器组织分存储器组织分为同等容量的多体结构（以为同等容量的多体结构（以2个为例），个为例），则每个体为原来容量的则每个体为原来容量的1/2。Cache中中的一个个体和主存中的字块的对应关的一个个体和主存中的字块的对应关系与直接映像类似，但主存中的一个系与直接映像类似，但主存中的一个字块可
131、存放到字块可存放到Cache中的任何一个个体中的任何一个个体之中。之中。146例：设例：设Cache的容量为的容量为1K字，为实现字，为实现2路相联，即分为路相联，即分为2个个体，则个个体，则Cache每个个体的容量为每个个体的容量为512个字。设每一个字块为个字。设每一个字块为8字，则每一个个体可分为字，则每一个个体可分为512/8=64个字块。个字块。设主存容量为设主存容量为64K个字（个字（16位地址），每个区段有位地址），每个区段有512个个字，则可分为字，则可分为128个区段，每个区段则可分为个区段，每个区段则可分为512/8=64个字块，个字块，一个字块为一个字块为8字。字。3位位
132、主存地址主存地址主存中的段号，主存中的段号，写进写进Cache中中的标志字段的标志字段（可能在不同（可能在不同的个体中）的个体中）字块内编号字块内编号6位位7位位Cache中每中每个个体的字个个体的字块号，对应块号，对应主存中每段主存中每段的字块号的字块号147读主存时，先用读主存时，先用16为地址中的中间为地址中的中间6位确位确定定Cache中的块号（因为主存中的每一字块中的块号（因为主存中的每一字块与与Cache中的字块是一一对应的），再用高中的字块是一一对应的），再用高7位的区段号与位的区段号与Cache中两个个体中的标志字中两个个体中的标志字段相比较若两者相同，则命中。段相比较若两者相
133、同，则命中。148与直接映像的区别：与直接映像的区别：主存中的每一字块主存中的每一字块可以从多个个体中（而不是一个）选择其一可以从多个个体中（而不是一个）选择其一（完成写入完成写入Cache的操作，有了更大的灵活的操作，有了更大的灵活性，有利于提高命中率，比较线路也不会太性，有利于提高命中率，比较线路也不会太复杂。复杂。与全相联映像的区别：与全相联映像的区别：一个主存字块可以一个主存字块可以与有限个与有限个Cache字块（而不是全部字块）建字块（而不是全部字块）建立随意的对应关系（有限度的对应关系），立随意的对应关系（有限度的对应关系），可以简化与可以简化与Cache中标志字段相比较的线路。中
134、标志字段相比较的线路。1494.3.3 Cache4.3.3 Cache存储器实用中的几个问题存储器实用中的几个问题1.Cache的容量与命中率的关系的容量与命中率的关系Cache的容量大，好一些。的容量大，好一些。2.Cache每次与内存交换信息的单位量（每次与内存交换信息的单位量（Cachelinesize）与命中率的关系）与命中率的关系Cache每次与内存交换信息的单位量适中为好。每次与内存交换信息的单位量适中为好。3.多级的多级的Cache结构与命中率的关系结构与命中率的关系Cache的多级组织可提高命中率。的多级组织可提高命中率。4.Cache的不同映像方式与命中率的关系的不同映像方
135、式与命中率的关系在三种映像方式中，多路组相联映像方式更好。在三种映像方式中，多路组相联映像方式更好。1505. 5. 写写CacheCache的策略和对系统性能的影响的策略和对系统性能的影响（改写主存储器的策略）（改写主存储器的策略）若若CPU改写了改写了Cache的一个单元的内容后，且的一个单元的内容后，且尚未改变主存单元内容，则出现数据不一致性。尚未改变主存单元内容，则出现数据不一致性。两种解决办法：两种解决办法：（1）接下来直接改写主存单元内容。）接下来直接改写主存单元内容。简便易行，但可能带来系统运行效率不高的简便易行，但可能带来系统运行效率不高的问题，故而未被采用。问题，故而未被采用
136、。（2）拖后改写主存单元内容，一直拖到有另外）拖后改写主存单元内容，一直拖到有另外的设备要读该内容过时的主存单元时。首先停止的设备要读该内容过时的主存单元时。首先停止这一读操作，接下来改写主存内容，之后再启动这一读操作，接下来改写主存内容，之后再启动已停下来的读操作，否则，不必改写。已停下来的读操作，否则，不必改写。1516.Cache接入计算机系统的方法对系统性能的影响接入计算机系统的方法对系统性能的影响侧接法侧接法Cache接入计算机系统的方法接入计算机系统的方法隔断法隔断法1521531542004年年1月试题月试题选择填空题选择填空题7在在CACHE存存储储器器中中，当当程程序序正正在
137、在执执行行时，由（时，由（）完成地址映射。）完成地址映射。A程序员程序员B硬件硬件C硬件和软件硬件和软件D操作系统操作系统答案：答案：B15520032003年年7 7月月试试题题 二二、1 1在在计计算算机机系系统统中中，高高速速缓缓冲冲存存储储器器是是设设置置在在（h）和和（f）之之间间，用用于于解解决决（f）读读写写速速度度慢慢，跟跟不不上上（h）快快速速取取得得指指令令或或数数据据的的矛矛盾盾，通通常常选选用用（j）存存储储器器芯芯片片实实现现。它它与与主主存存储储器器的的读读写写原原理理不不同同，执执行行写写入入操操作作时时，要要把把有有关关（a）信信息息写写入入选选中中的的高高速速
138、缓缓冲冲存存储储器器的的某某一一单单元元时时，还还应应该该将将与与这这一一信信息息相相关关的的（c）信信息息或或其其中中的的一一部部分分写写入入与与之之对对应应的的标标志志字字段段；在在执执行行读读出出操操作作时时，不不能能仅仅仅仅只只通通过过对对原原本本用用于于读读存存储储器器的的地地址址信信息息进进行行译译码码去去选选择择高高速速缓缓冲冲存存储储器器的的某某一一单单元元来来取取得得所所需需要要的的数数据据，还还必必须须通通过过检检查查高高速速缓缓冲冲存存储储器器的的有有关关单单元元的的标标志志位位的的值值，才才能能确确定定得得到到的的是是否否是是所所要要求求的的数数据据，这这是是因因为为高
139、高速速缓缓冲冲存存储储器器（b）单单元元对对应应（f）多多个个存存储储单单元元。依依据据被被读读单单元元的的内内容容或或其其一一部部分分判判定定得得到到的的是是否否是是所所需的数据的原理运行的存储器被称为（需的数据的原理运行的存储器被称为（s）存储器。）存储器。a数据数据b一个一个c主存地址主存地址d可以可以e多个多个f主存储器主存储器g不可以不可以h中央处理器中央处理器iROMj静态静态k动态动态lRAMm不可以不可以n高位高位o低位低位p控制控制q.读读/写写r运行运行s关联关联答案：答案：hffhjacbfs15620002000年年7 7月月试试题题 三三、2 2CacheCache有
140、有哪哪三三种种基基本本映映像像方方式式？各各自自的的主主要要特特点点是是什什么么？衡衡量量高高速速缓缓冲冲存存储储器器（CacheCache）性性能能的的最重要的指标是什么？最重要的指标是什么？答答：Cache有有三三种种映映像像方方式式：全全相相联联映映像像方方式式，直直接接映映像像方方式式，多路组相联映像方式。多路组相联映像方式。全全相相联联映映像像方方式式是是指指主主存存中中任任一一个个字字（字字块块）可可以以写写入入Cache中中的的任任何何一一个个字字（字字块块）中中。其其优优点点是是有有最最大大的的灵灵活活性性。缺缺点点是是要要确确定定读读的的信信息息是是否否在在Cache中中，必
141、必须须用用原原本本读读主主存存的的地地址址与与整整个个Cacha每每一一个个单单元元的的标标志志字字段段比比较较，电电路路过于复杂，成本较高。过于复杂，成本较高。直直接接映映像像方方式式是是指指主主存存的的一一个个字字（字字块块）只只能能映映像像到到Cache的的字字和和字字块块中中。优优点点是是要要确确定定读读的的信信息息是是否否在在Cache中中时时原原本本读读主主存存的的地地址址与与标标志志字字段段比比较较的的线线路路简简单单，成成本本低低；缺点是缺点是Cache的使用缺乏灵活性，影响命中率。的使用缺乏灵活性，影响命中率。157多多路路组组相相联联映映相相方方式式是是对对全全相相联联映映
142、相相方方式式和和直直接接映映像像方方式式的的一一种种折折中中的的处处理理方方案案。它它与与直直接接相相联联映映像像方方式式的的区区别别在在于于每每个个主主存存字字块块可可以以从从多多个个（例例如如2，4，8个个，而而不不是是一一个个）体体中中选选择择其其一一完完成成写写入入Cache的的操操作作，它它与与全全相相联联映映像像的的类类同同之之处处是是把把一一个个主主存存字字写写进进Cache时时，可可以以在在Cache的的多多个个（而而不不是是任任何何一一个个）个个体体中中选选择择。既既有有较较高高的的命命中中率率，又使比较线路也不会太复杂。又使比较线路也不会太复杂。衡量衡量Cache性能的最重
143、要的指标是命中率性能的最重要的指标是命中率。1587.7.说说明明影影响响高高速速缓缓存存命命中中率率的的因因素素有哪些？简单解释是如何影响的。有哪些？简单解释是如何影响的。答：影响高速缓存命中率的因素有答：影响高速缓存命中率的因素有Cache的容量、的容量、Cache每次与内存交换信每次与内存交换信息的单位量、息的单位量、Cache的结构和映像方式。的结构和映像方式。Chace的容量选择得大一些；的容量选择得大一些；Cache每次每次与内存交换信息的单位量适中；与内存交换信息的单位量适中；Cache的结构做成多级组织；在三种映像方式的结构做成多级组织；在三种映像方式中，选用多路组相联映像方式
144、有利于提中，选用多路组相联映像方式有利于提高高速缓存的命中率。高高速缓存的命中率。159试题三试题三 三、三、3 3回答读回答读Cache存储器的过程，与读内存储器的过存储器的过程，与读内存储器的过程有哪些不同的方面？为什么？（程有哪些不同的方面？为什么？（15分）分）答案：答案：（1）读内存储器，是给出内存储器的地址，直接读）读内存储器，是给出内存储器的地址，直接读出选中单元的内容即可；出选中单元的内容即可；（2）读）读Cache存储器，按一定的地址变换方式给出存储器，按一定的地址变换方式给出Cache地址，并检查地址标识字段部分的内容，匹地址，并检查地址标识字段部分的内容，匹配，则该单元数
145、据的内容就是被读内容。配，则该单元数据的内容就是被读内容。（3）读）读Cache存储器比读内存储器速度快，一是由于存储器比读内存储器速度快，一是由于二者使用的芯片速度不同造成的，二是因为两种存二者使用的芯片速度不同造成的，二是因为两种存储器的组成和工作原理不完全相同，储器的组成和工作原理不完全相同，Cache是用关是用关联存储器原理运行的。联存储器原理运行的。16020042004年年7 7月试题月试题 二、二、2 22CACHE存储器通常使用存储器通常使用3种映象方式，种映象方式，其中其中是指主存的一个字（字块）是指主存的一个字（字块）可以映象的可以映象的CACHE一个一个字（字块）中。字（
146、字块）中。反过来，反过来，CACHE的一个字在不同时刻可以的一个字在不同时刻可以存放的是整个主存中的一个存放的是整个主存中的一个字的内容，字的内容，即两者的关系是完全硬性确定的，没有任何即两者的关系是完全硬性确定的，没有任何选择余地。选择余地。答案：答案：直接映象方式直接映象方式准确确定的准确确定的确定的某些确定的某些16120042004年年7 7月试题月试题 四、四、4 44高速缓存与主存在读写原理方面有何区别？高速缓存与主存在读写原理方面有何区别？答案：答案：（1）读内存储器，是给出内存储器的地址，直接读）读内存储器，是给出内存储器的地址，直接读出选中单元的内容即可；出选中单元的内容即可
147、；（2）读）读Cache存储器，按一定的地址变换方式给出存储器，按一定的地址变换方式给出Cache地址，并检查地址标识字段部分的内容，匹地址，并检查地址标识字段部分的内容，匹配，则该单元数据的内容就是被读内容。配，则该单元数据的内容就是被读内容。（3）读）读Cache存储器比读内存储器速度快，一是由于存储器比读内存储器速度快，一是由于二者使用的芯片速度不同造成的，二是因为两种存二者使用的芯片速度不同造成的，二是因为两种存储器的组成和工作原理不完全相同，储器的组成和工作原理不完全相同，Cache是用关是用关联存储器原理运行的。联存储器原理运行的。1625.4 .4 虚拟存储器部件虚拟存储器部件
148、5.5.1 5.5.1 虚拟存储器的概念虚拟存储器的概念 虚拟存储器虚拟存储器通常是指高速磁盘上的通常是指高速磁盘上的一片存储空间。其功能是通过硬件、软件的一片存储空间。其功能是通过硬件、软件的办法，可以将其作为主存储器的扩展的存储办法，可以将其作为主存储器的扩展的存储空间来使用，使得程序人员能够使用比主存空间来使用，使得程序人员能够使用比主存实际容量大得多的存储空间来编写和运行程实际容量大得多的存储空间来编写和运行程序。序。163核心思路核心思路程序运行的局部性原理程序运行的局部性原理一个程序运行时，在一小段时间内，只会用到程一个程序运行时，在一小段时间内，只会用到程序和数据的一小部分，仅把
149、这部分程序和数据调入序和数据的一小部分，仅把这部分程序和数据调入内存即可，更多的部分是在用到时随时从磁盘调入内存即可，更多的部分是在用到时随时从磁盘调入主存储器。主存储器。追求的目标追求的目标摆脱主存储器容量的限制（通摆脱主存储器容量的限制（通过磁盘非常大的存储空间解决），降低存储一定信过磁盘非常大的存储空间解决），降低存储一定信息所用的成本（通过磁盘非常低的存储成本解决）。息所用的成本（通过磁盘非常低的存储成本解决）。实现方法实现方法在操作系统和相应硬件的支持下，在操作系统和相应硬件的支持下，数据在磁盘和主存之间按持续运行的需要自动成批数据在磁盘和主存之间按持续运行的需要自动成批量地交换数据
150、。量地交换数据。1645.5.2 5.5.2 段式存储管理段式存储管理段段在程序设计过程中，把逻辑上、处理功在程序设计过程中，把逻辑上、处理功能上有一定的独立性的程序段落（独立的程序单位）能上有一定的独立性的程序段落（独立的程序单位）称为段，它可供主程序或其它程序调用。称为段，它可供主程序或其它程序调用。一个大的程序由许多程序段组成。段由段名或一个大的程序由许多程序段组成。段由段名或段号指明，长度是任意的。在处理和运行程序时，段号指明，长度是任意的。在处理和运行程序时，把段作为信息单位，实现信息在主存把段作为信息单位，实现信息在主存-辅存之间的辅存之间的的传送和定位。的传送和定位。段的存储管理
151、段的存储管理主存按段进行分配与管理的主存按段进行分配与管理的管理方式。管理方式。程序的逻辑空间程序的逻辑空间经过连接而组成的程序所经过连接而组成的程序所占的空间。占的空间。逻辑地址逻辑地址逻辑段号拼接上段内地址组成。逻辑段号拼接上段内地址组成。165逻辑地址与主存占用示意图逻辑地址与主存占用示意图程序的逻辑地址空间程序的逻辑地址空间段段1段段2段段3段段1段段3主存储器主存储器166在程序运行的过程中，当用到某一段并在程序运行的过程中，当用到某一段并将调入主存时，它被分配到一片连续的主存将调入主存时，它被分配到一片连续的主存区域，该主存区域的起始单元用于存放该段区域，该主存区域的起始单元用于存
152、放该段的第一个字，以后各字顺序存放。的第一个字，以后各字顺序存放。段式存储管理的核心问题段式存储管理的核心问题是变逻辑地址是变逻辑地址中的逻辑段号为主存中的一个存储区域的起中的逻辑段号为主存中的一个存储区域的起始地址，这是通过在系统中设置的一个段表始地址，这是通过在系统中设置的一个段表完成的。完成的。167段表基地址寄存器段表基地址寄存器168段表也是一个特定的段，通常内存放在段表也是一个特定的段，通常内存放在主存中。为访问段表，段表在主存中的起始主存中。为访问段表，段表在主存中的起始地址被写入一个被称为段表基地址寄存器的地址被写入一个被称为段表基地址寄存器的专用寄存器中。专用寄存器中。段表由
153、多个入口（表项）组成，每个表段表由多个入口（表项）组成，每个表项由三部分内容构成：起始段地址，段的长项由三部分内容构成：起始段地址，段的长度，段的装入位。段的起始地址给出本段在度，段的装入位。段的起始地址给出本段在主存中的起始地址，该起始地址加上逻辑地主存中的起始地址，该起始地址加上逻辑地址的段内地址就得到本段的一个字在主存中址的段内地址就得到本段的一个字在主存中的真正地址。段的长度用于主存使用的合法的真正地址。段的长度用于主存使用的合法检查，当出现段内地址超过该长度时，就是检查，当出现段内地址超过该长度时，就是主存使用中的一个地址越界错误。段的装入主存使用中的一个地址越界错误。段的装入位用于
154、判断本段是否装入主存。位用于判断本段是否装入主存。169段表基地址寄存器段表基地址寄存器170地址转换过程地址转换过程（通过段表完成）（通过段表完成）把逻辑地址的段号与段表基地址相加，其和作把逻辑地址的段号与段表基地址相加，其和作为地址，找到段表中的一个表项。为地址，找到段表中的一个表项。检查该表项中的装入位，若装入位内容为检查该表项中的装入位，若装入位内容为1，表，表明该段已调入内存。取段的起始地址加上逻辑地址明该段已调入内存。取段的起始地址加上逻辑地址中的段内地址，就得到一个数据在主存中的实际地中的段内地址，就得到一个数据在主存中的实际地址。址。若装入项为若装入项为0，表明该段尚未调入内存
155、，则操，表明该段尚未调入内存，则操作系统负责首先把该段从磁盘调入内存，并相应修作系统负责首先把该段从磁盘调入内存，并相应修改段表中的该表项内容，之后才可以完成地址转换改段表中的该表项内容，之后才可以完成地址转换过程。过程。实际应用中，段起始地址可存储到一个专门设立实际应用中，段起始地址可存储到一个专门设立的段地址寄存器中。的段地址寄存器中。171段式存储器管理的优点：段式存储器管理的优点：段的分界与程序的自然分界相对应；段的分界与程序的自然分界相对应；逻段辑上的独立性使其易于分别编译、逻段辑上的独立性使其易于分别编译、管理修改和保护；管理修改和保护；便于多道程序实现实现对段的公享。便于多道程序
156、实现实现对段的公享。段式存储器管理的缺点：段式存储器管理的缺点：段长的不确定性，段长的不确定性，会给主存空间的分配和管理带来麻烦，而且会给主存空间的分配和管理带来麻烦，而且容易在段间留下许多零碎的，难以使用的小容易在段间留下许多零碎的，难以使用的小存储空间（称为碎块）存储空间（称为碎块）浪费存储器的有效可浪费存储器的有效可用容量。用容量。172作业作业3.8. 3.8. 说明段表的组成与逻辑段地址到说明段表的组成与逻辑段地址到内存物理地址的变换过程。内存物理地址的变换过程。答：段表由多个入口（表项）组成，每个答：段表由多个入口（表项）组成，每个表项由三部分内容构成：起始段地址，表项由三部分内容
157、构成：起始段地址，段的长度，段的装入位。把逻辑地址的段的长度，段的装入位。把逻辑地址的段号与段表基地址寄存器中的段表基地段号与段表基地址寄存器中的段表基地址相加，其和作为地址，找到段表中的址相加，其和作为地址，找到段表中的一个表项。该表项中的段起始地址部分一个表项。该表项中的段起始地址部分即是该段在内存中的物理地址。即是该段在内存中的物理地址。1735.5.3页式存储管理页式存储管理主要思路：主要思路：把虚拟（逻辑）地址空间和主把虚拟（逻辑）地址空间和主存实际（物理）地址空间都分成容量大小相存实际（物理）地址空间都分成容量大小相等的页，并规定页的大小为等的页，并规定页的大小为2的整数次方的大的
158、整数次方的大小，则所有的地址都可以用页号拼接页内地小，则所有的地址都可以用页号拼接页内地址的形式来表示。址的形式来表示。虚拟地址用虚页号拼接页内地址给出；虚拟地址用虚页号拼接页内地址给出；主存实际地址用实页号拼接页内地址给出。主存实际地址用实页号拼接页内地址给出。174页式存储管理与段式存储管理的重要区别页式存储管理与段式存储管理的重要区别：段段本身是程序设计的一个产物，段是一个独本身是程序设计的一个产物，段是一个独立的程序单位，长度可变；立的程序单位，长度可变；页页不是程序本身的什么特性，是为了方便管不是程序本身的什么特性，是为了方便管理，人为地对程序进行划分的结果，通常在一理，人为地对程序
159、进行划分的结果，通常在一个计算个计算机系统中，页的长度是事先确定的，不会变化的。这机系统中，页的长度是事先确定的，不会变化的。这中通过分页方式进行存储器滚里电脑技术称为中通过分页方式进行存储器滚里电脑技术称为页式存页式存储管理。储管理。关键功能关键功能实现以页为单位来完成虚存和实存实现以页为单位来完成虚存和实存之间的信息交换，并完成逻辑地址到物理地址的转换，之间的信息交换，并完成逻辑地址到物理地址的转换，即找出虚页号和实页号的对应关系（通过设立页表来即找出虚页号和实页号的对应关系（通过设立页表来完成）。完成）。175页表页表由若干表项构成，用页表基地址寄存由若干表项构成，用页表基地址寄存器存放
160、页表在主存中的起始地址器存放页表在主存中的起始地址。虚页被分配在内存中的实际页号虚页被分配在内存中的实际页号页装入（有效）位页装入（有效）位修改标志位修改标志位替换控制位替换控制位其它保护位其它保护位页表本身也是以页为单位管理的，它可以保存在页表本身也是以页为单位管理的，它可以保存在虚存中，也可以保存在主存中。为了能到主存中找虚存中，也可以保存在主存中。为了能到主存中找页表，必须设立一个专用的页表基地址寄存器来存页表，必须设立一个专用的页表基地址寄存器来存放页表起始地址。放页表起始地址。表项表项控制位字段控制位字段176177 页式存储器管理的地址变换过程页式存储器管理的地址变换过程用虚地址中
161、的页号与页表基地址相加，求用虚地址中的页号与页表基地址相加，求出该虚页的页表表项在主存中的实际地址。出该虚页的页表表项在主存中的实际地址。从该表的实页号字段取出实页号，再拼接上从该表的实页号字段取出实页号，再拼接上虚地址中的页内地址，就得到读主存数据用虚地址中的页内地址，就得到读主存数据用的实际地址。的实际地址。当需要把一页内容从虚存调入内存时，操当需要把一页内容从虚存调入内存时，操作系统从主存空闲区找出一页分配给这一页，作系统从主存空闲区找出一页分配给这一页，把其内容写入主存，并把主存的实际页号写把其内容写入主存，并把主存的实际页号写入表项的实页号字段，写装入位为入表项的实页号字段，写装入位
162、为1。178 当下次要读页内的某个单元时，首先要读当下次要读页内的某个单元时，首先要读一次主存，通过查页表求得实存地址，然后一次主存，通过查页表求得实存地址，然后再读一次内存，才能取得要读的数据。再读一次内存，才能取得要读的数据。 为读一个数据变成两次读主存，实际应用为读一个数据变成两次读主存，实际应用是难以接受的。为此，设立一个完全用快速是难以接受的。为此，设立一个完全用快速硬件实现的容量很小的（一般在硬件实现的容量很小的（一般在16641664个表项个表项之间）快速页表，用于存放在页表中使用最之间）快速页表，用于存放在页表中使用最频繁的、为数不多的那些表项内容。其中最频繁的、为数不多的那些
163、表项内容。其中最重要的两项内容是虚页号和实页号。重要的两项内容是虚页号和实页号。179虚页号虚页号实页号实页号实页号实页号页内地址页内地址虚页号虚页号页内地址页内地址虚地址（程序在给出）虚地址（程序在给出）实地址实地址读写内存用读写内存用比较（按内容选）比较（按内容选）快表（专用硬件）示意运行过程快表（专用硬件）示意运行过程180181转换过程：转换过程：用虚地址中的虚页号与快表中的虚页号相用虚地址中的虚页号与快表中的虚页号相比较，若两者相同，则取出该表项的实页号，比较，若两者相同，则取出该表项的实页号，再与页内地址拼接就得到主存的实际地址。再与页内地址拼接就得到主存的实际地址。当快表中找不到
164、该虚页号时，就要到主存当快表中找不到该虚页号时，就要到主存中经慢表找到该虚页号对应的实页号，得到中经慢表找到该虚页号对应的实页号，得到主存实际地址的同时，并用该虚页号和实页主存实际地址的同时，并用该虚页号和实页号替换快表中的一个表项的内容，以便反映号替换快表中的一个表项的内容，以便反映这次操作的现实形势。这次操作的现实形势。利用快表实现地址转换过程与利用快表实现地址转换过程与Cache的组的组成与应用十分相似。成与应用十分相似。182作业作业3.9. 3.9. 说明页表的组成与程序逻辑地址的说明页表的组成与程序逻辑地址的内存物理地址的变换过程。快表一定要有的内存物理地址的变换过程。快表一定要有
165、的吗？说明快表的组成与读写过程。吗？说明快表的组成与读写过程。答：页表由若干表项构成，每一个虚页号对应答：页表由若干表项构成，每一个虚页号对应页表中的一个表项。表项的内容包括虚页被页表中的一个表项。表项的内容包括虚页被分配在内存中中的实际页号，还可能包括页分配在内存中中的实际页号，还可能包括页装入（有效）位，修改标志位，替换控制位，装入（有效）位，修改标志位，替换控制位，其它保护位等组成的控制位字段。其它保护位等组成的控制位字段。 用虚地址中的页号与页表基地址相加，求用虚地址中的页号与页表基地址相加，求出该虚页的页表表项在主存中的实际地址。出该虚页的页表表项在主存中的实际地址。从该表的实页号字
166、段取出实页号，再拼接上从该表的实页号字段取出实页号，再拼接上虚地址中的页内地址，就得到读主存数据用虚地址中的页内地址，就得到读主存数据用的实际地址。的实际地址。183 快表不一定要有。它是为了避免为读一个快表不一定要有。它是为了避免为读一个数据而两次读主存这一过程而设置的。快表数据而两次读主存这一过程而设置的。快表用于存放在页表中使用最频繁、为数不多的用于存放在页表中使用最频繁、为数不多的那些表项的内容，其中最重要的两项内容是那些表项的内容，其中最重要的两项内容是虚页号和实页号。读写过程是：用虚地址中虚页号和实页号。读写过程是：用虚地址中的虚页号与快表中的虚页号相比较，若两者的虚页号与快表中的
167、虚页号相比较，若两者相同，则取出该表项的实页号，再与页内地相同，则取出该表项的实页号，再与页内地址拼接就得到主存的实际地址。当快表中找址拼接就得到主存的实际地址。当快表中找不到该虚页号时，就要到主存中经慢表找到不到该虚页号时，就要到主存中经慢表找到该虚页号对应的实页号，得到主存实际地址该虚页号对应的实页号，得到主存实际地址的同时，并用该虚页号和实页号替换快表中的同时，并用该虚页号和实页号替换快表中的一个表项的内容。的一个表项的内容。1842001年年7月试题月试题 二、二、3 3 在虚拟存储器中在虚拟存储器中, ,程序的指令中使用是程序的指令中使用是存储器的存储器的( ( ), ),经过地址变
168、换后得到的可以经过地址变换后得到的可以用以访问一个存储器单元的地址称为用以访问一个存储器单元的地址称为( ( ) )。 A. A. 有效地址有效地址 B. B.内存地址内存地址 C. C.形式地址形式地址 D. D.文件地址文件地址 E. E.物理地址物理地址 F. F.逻辑地逻辑地址址 H. H.指令地址指令地址 I. I.指令地址指令地址 J.CACHE J.CACHE地址地址 答案：答案： F E F E1852005年年1月试题月试题 一、一、8 8 虚拟存储器管理系统的基础是程序的局虚拟存储器管理系统的基础是程序的局部性原理，因而虚存的目的是为了给每个用部性原理，因而虚存的目的是为了给每个用户提供比主存容量（户提供比主存容量（ ）地址空间。）地址空间。 A A小得多的逻辑小得多的逻辑 B B大得多的逻辑大得多的逻辑 C C小得多的物理小得多的物理 D D大得多的物理大得多的物理答案：答案：D1862004年年7月试题月试题 一、一、7 7 7 7在虚拟存储器中，当程序正在执行在虚拟存储器中，当程序正在执行时，由（时，由（ ）完成地址映射。）完成地址映射。 A A程序员相应硬件程序员相应硬件 B B编译器相应硬件编译器相应硬件 C C装入程序相应硬件装入程序相应硬件 D D操作系统相应硬件操作系统相应硬件答案：答案：D187
