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1、存存 储储 系系 统统第第 6 章章6.1 6.1 存储系统层次结构存储系统层次结构存储系统层次结构存储系统层次结构6.2 6.2 主存储器主存储器主存储器主存储器 6.2.1 6.2.1 主存储器概述主存储器概述主存储器概述主存储器概述 6.2.2 6.2.2 主存储器的组成与控制主存储器的组成与控制主存储器的组成与控制主存储器的组成与控制6.3 6.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器 6.3.1 Cache6.3.1 Cache概述概述概述概述 6.3.2 Cache6.3.2 Cache的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 6.3.3 Cache 6.3.3
2、 Cache的组织方式的组织方式的组织方式的组织方式 6.3.4 6.3.4 替换算法和更新策略替换算法和更新策略替换算法和更新策略替换算法和更新策略6.4 6.4 虚拟存储器虚拟存储器虚拟存储器虚拟存储器 6.4.1 6.4.1 虚拟存储器概述虚拟存储器概述虚拟存储器概述虚拟存储器概述 6.4.2 6.4.2 段式虚拟存储器段式虚拟存储器段式虚拟存储器段式虚拟存储器 6.4.3 6.4.3 页式虚拟存储器页式虚拟存储器页式虚拟存储器页式虚拟存储器 6.4.4 6.4.4 段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器 6.4.5 6.4.5 快表与慢表快表与慢表快表与慢表快
3、表与慢表v掌握掌握cache的基本原理、地址映射、替换策略；的基本原理、地址映射、替换策略；v掌握虚拟存储器的基本概念以及段式、页式、段掌握虚拟存储器的基本概念以及段式、页式、段页式虚拟存储器的原理；页式虚拟存储器的原理；v了解只读存储器、闪速存储器的原理及存储保护了解只读存储器、闪速存储器的原理及存储保护的原理。的原理。v了解外存储设备的发展动态。了解外存储设备的发展动态。 教教教教 学学学学 要要要要 求求求求 习题课习题课一、填空题一、填空题1. 层层次次化化存存储储体体系系涉涉及及到到主主存存、辅辅存存、Cache和和寄寄存存器器，按按照照存存取速度排序依次是取速度排序依次是_。2.
4、Cache介介于于主主存存和和CPU之之间间，其其速速度度比比主主存存_容容量量比比主主存存小很多；它的作用是弥补小很多；它的作用是弥补CPU与主存在与主存在_上的差异。上的差异。 3. 将将辅辅助助存存储储器器(磁磁盘盘)当当作作主主存存来来使使用用，从从而而扩扩大大程程序序可可访访问问的的存存储空间，这样的存储结构称为储空间，这样的存储结构称为_. 4. 主主存存地地址址映映射射是是用用来来确确定定_地地址址与与_地地址址之之间间的的逻逻辑关系。辑关系。5. 常用的地址映射方法有常用的地址映射方法有_、_组相联映射三种。组相联映射三种。6. 按照主存按照主存-外存外存层次的信息次的信息传送
5、送单位不同，虚位不同，虚拟存存储器有器有_式式_式和式和 式三式三类。答案：答案： 1 寄存器、寄存器、Cache、主存、辅存、主存、辅存 2 快快 速度速度 3 虚拟存储器虚拟存储器 4 主存主存Cache 5 直接映射直接映射 全相联映射全相联映射 6 段式、页式、段页式段式、页式、段页式7. 虚虚拟拟存存储储器器在在运运行行是是时时，CPU根根据据程程序序指指令令生生成成的的地地址址是是_，该地址经过转换的形成，该地址经过转换的形成_8. 虚虚拟拟存存储储器器通通常常是是由由主主存存和和_两两级级存存储储体体系系组组成成的的。为为了了在在一一台台特特定定的的机机器器上上执执行行程程序序，
6、必必须须把把_映映射射到到这这台台机机器器主主存存储储器器的的_空空间间上上，这这个个过过程程成成为为地地址映射。址映射。9. 建立高速缓冲存储器的理论依据是建立高速缓冲存储器的理论依据是_。10. 计算机系统中，下列部件都能够存储信息：计算机系统中，下列部件都能够存储信息： a. 主存主存 b. CPU内的通用寄存器内的通用寄存器 cCache d磁带磁带 e磁盘磁盘按照按照CPU存取速度排列，由快到慢依次为存取速度排列，由快到慢依次为 _， 答案：答案：7虚拟地址虚拟地址(逻辑地址逻辑地址) 主存实地址主存实地址(物理地址物理地址)8辅存辅存 逻辑地址逻辑地址 物理地址物理地址9程序访问的
7、局部性原理程序访问的局部性原理10bcaed11. 使使用用高高速速缓缓冲冲存存储储器器是是为为了了解解决决_问问题题，存存储储管管理理主主要要由由_实实现现。使使用用虚虚拟拟存存储储器器是是为为了了解解决决_问问题题，存存储储管管理理主主要要由由_实实现现。后后者者在在执执行行程程序序时时，必必须须把把_映映射射到到主主存存储储器器的的_空空间间上上，这这个个过过程程称称为为_ 。12. 在在计计算算机机中中，主主存存的的工工作作方方式式是是_；辅辅存存的的工工作作方方式式是是_答案：答案：11 速度速度 硬件硬件 容量容量 软件软件 逻辑地址逻辑地址 物理地址物理地址 虚实地址的转换虚实地
8、址的转换12 随机按字存取随机按字存取 DMA成组传送成组传送二、选择题二、选择题1. 计算机的存储器采用分级方式是为了计算机的存储器采用分级方式是为了_A减少主机箱的体积减少主机箱的体积 B解决容量、价格、速度解决容量、价格、速度C. 保存大量数据方便保存大量数据方便 D操作方便操作方便2. 在主存和在主存和CPU之间增加之间增加cache的目的是的目的是_A增加内存容量增加内存容量 B提高内存的可靠性提高内存的可靠性C解决解决CPU与内存之间的速度匹配问题与内存之间的速度匹配问题D增加内存容量，同时加快存取速度增加内存容量，同时加快存取速度3. 采用虚拟存储器的主要目的是采用虚拟存储器的主
9、要目的是_A提高主存储器的存取速度提高主存储器的存取速度B扩大存储器空间，并能进行自动管理扩大存储器空间，并能进行自动管理C. 提高外存储器的存取速度提高外存储器的存取速度D扩大外存储器的存储空间扩大外存储器的存储空间答案：答案：1B 2C 3B4程序访问的局限性是使用程序访问的局限性是使用_的依据。的依据。 A.缓冲缓冲 B. Cache C.虚拟内存虚拟内存 D.进程进程5有关高速缓冲存储器有关高速缓冲存储器Cache的说法正确的是的说法正确的是_. A只能在只能在CPU以外以外 BCPU内外都可设置内外都可设置Cache C. 只能在只能在CPU以内以内 D若存在若存在Cache，CPU
10、就不能再访问内存就不能再访问内存6现现行行奔奔腾腾机机的的主主板板上上都都带带有有Cache存存储储器器，这这个个Cache存储器是存储器是_。 A. 硬盘与主存之间的缓存硬盘与主存之间的缓存 B. 软盘与主存之间的缓存软盘与主存之间的缓存 C. CPU与视频设备之间的缓存与视频设备之间的缓存 D. CPU与主存储器之间的缓存与主存储器之间的缓存答案：答案：4B 5B 6D 三、综合题三、综合题1. CPU执执行行一一段段程程序序时时，cache完完成成存存取取的的次次数数为为1900次次，主主存存完完成成存存取取的的次次数数为为100次次，已已知知cache存存取取周周期期为为50ns，主存
11、存取周期为主存存取周期为250ns，求，求cache的命中率和平均访问时间。的命中率和平均访问时间。 解：解：（1）命中率）命中率:（2）平均访问时间：）平均访问时间： 2. 已已知知cache命命中中率率H=0.98 ，主主存存比比cache慢慢4倍倍，主主存存存存取取周期为周期为200ns，求，求cache的平均访问时间。的平均访问时间。 解：解： 平均访问时间平均访问时间: 3一一台台计计算算机机的的主主存存容容量量为为1MB，字字长长为为32位位，直直接接映映像像的的Cache容容量量为为512字字，Cache块块长长为为1字字，试设计试设计Cache和主存的地址格式。和主存的地址格式
12、。解：解：Cache块长为块长为1字，字长为字，字长为32位，位，所以有所以有4个字节，字地址为个字节，字地址为2位。位。Cache容量容量=512 32 = 29*25 = 214bit= 211BCache地址格式：地址格式： 主存容量为主存容量为1MB=220B，所以主存地址格式为：，所以主存地址格式为： Cache块号（块号（9位）位）块内地址（块内地址（2位）位）主存标记（主存标记（9位）位） Cache块号（块号（9位）位）块内地址（块内地址（2位）位） 4. 有有一一主主存存-Cache层层次次的的存存储储器器，主主存存容容量量lMB，cache容量容量64KB，每块，每块8KB
13、，采用直接映像方式。，采用直接映像方式。（1）求主存地址格式）求主存地址格式?（2）主主存存地地址址为为25301H的的存存储储单单元元，问问它它在在主主存存的的哪哪个个块块?对应对应Cache的哪一块？的哪一块？ 解：解：（1） cache容量容量64KB=216B，每块，每块8KB=213B， 所以块内地址为所以块内地址为13位，块地址为位，块地址为16-13=3位位; 主存容量主存容量1MB=220B，故故主存标记为主存标记为20-16=4位。位。 主存地址格式如下：主存地址格式如下： （2） 25301H=0010 0101 0011 0000 0001B 所以区号所以区号=0010，
14、块号，块号=010， 块内地址块内地址=1 0011 0000 0001主存标记（主存标记（4位）位） Cache块号（块号（3位）位）块内地址（块内地址（13位）位）5.一一个个组组相相联联映映像像cache由由64个个存存储储块块构构成成，每每组组包包含含4个个存存储储块块。每每组组包包含含4个个存存储储块块，每每块块由由128字字组组成。访存地址为字地址。成。访存地址为字地址。 (1)写出主存地址位数和地址格式。写出主存地址位数和地址格式。 (2)写出写出Cache地址位数和地址格式。地址位数和地址格式。解：解：(1)cache由由64个存储块构成，个存储块构成， Cache容量容量=6
15、4*128字字=213字字 cache地址格式为：地址格式为：(2)主存包含主存包含4096个存储块，每组包含个存储块，每组包含4个存储块，个存储块，所以主存有所以主存有1 024个组个组,主存容量主存容量=4096128字字=219字字主存地址格式为：主存地址格式为：6.页式存式存储系系统的的逻辑地址是由地址是由页号和号和页内地址两部分内地址两部分组成。成。假定假定页面的大小面的大小为4K，地址，地址变换过程如下程如下图所示，所示，图中中逻辑地址用十地址用十进制表示。制表示。图中有效地址中有效地址经过变换后，十后，十进制物理制物理地址地址a 应为 （ A ） 。A33220 B8644 C4
16、548 D25008644=2页页*4K+X=2*4*1024+X, X=452。对应物理第对应物理第8 块块物理地址物理地址=8*4K+452=8*4*1024+452=332206.1 6.1 存储系统层次结构存储系统层次结构存储系统层次结构存储系统层次结构6.2 6.2 主存储器主存储器主存储器主存储器 6.2.1 6.2.1 主存储器概述主存储器概述主存储器概述主存储器概述 6.2.2 6.2.2 主存储器的组成与控制主存储器的组成与控制主存储器的组成与控制主存储器的组成与控制6.3 6.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器 6.3.1 Cache6.3.1 C
17、ache概述概述概述概述 6.3.2 Cache6.3.2 Cache的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 6.3.3 Cache6.3.3 Cache的组织方式的组织方式的组织方式的组织方式 6.3.4 6.3.4 替换算法和更新策略替换算法和更新策略替换算法和更新策略替换算法和更新策略6.4 6.4 虚拟存储器虚拟存储器虚拟存储器虚拟存储器 6.4.1 6.4.1 虚拟存储器概述虚拟存储器概述虚拟存储器概述虚拟存储器概述 6.4.2 6.4.2 段式虚拟存储器段式虚拟存储器段式虚拟存储器段式虚拟存储器 6.4.3 6.4.3 页式虚拟存储器页式虚拟存储器页式虚拟存储器页式虚拟存储器 6.4.4 6.4.4 段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器 6.4.5 6.4.5 快表与慢表快表与慢表快表与慢表快表与慢表 第第第第6 6章章章章 存储系统存储系统存储系统存储系统小结小结小结小结 重要知识点重要知识点重要知识点重要知识点
