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1、單擊以編輯母版標(biāo)題樣式,單擊以編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第七章 存儲(chǔ)系統(tǒng),1,7.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),CPU,CACHE,主存（內(nèi)存）,輔存（外存）,根據(jù)各種存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量、存取速度和價(jià)格比的不同，將它們按照一定的體系結(jié)構(gòu)組織起來，使所放的程序和數(shù)據(jù)按照一定的層次分布在各種存儲(chǔ)器中。,2,7.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),圖,7.1,三層次存儲(chǔ)系統(tǒng),3,1、主存和高速緩存之間的關(guān)系,Cache,引入:,為解決,CPU,和主存之間的速度差距,提高整機(jī)的運(yùn)算速度,在,CPU,和主存之間插入的由高速電子器件組成的容量不大,但速度很快的存儲(chǔ)器。,Cache,特點(diǎn),存取速度快

2、，容量小，存儲(chǔ)控制和管理由硬件實(shí)現(xiàn),Cache,工作原理程序訪問的局部性,在較短時(shí)間內(nèi)由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲(chǔ)器邏輯地址空間的很小范圍內(nèi)。,數(shù)據(jù)分布不如指令明顯，但對數(shù)組的訪問及工作單元的選擇可使存儲(chǔ)地址相對集中。,CPU,與,Cache,之間的數(shù)據(jù)交換是以字為單位，而,Cache,與主存之間的數(shù)據(jù)交換是以塊為單位，一個(gè)塊是由若干字組成，是定長的。,4,2、主存與輔存之間的關(guān)系,主存:(半導(dǎo)體存儲(chǔ)器組成),優(yōu):速度快,缺:容量受限,單位成本高, 斷電丟失信息。,輔存:(光盤,磁盤),優(yōu):容量大,信息長久保存,單位成本低.,缺:存取速度慢,CPU,正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)存放在主存暫時(shí)不用的程

3、序和數(shù)據(jù)存放在輔存。,輔存只與主存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,5,7.2 高速緩沖存儲(chǔ)器,組成: 小容量的,SRAM,和高速緩存控制器組成。,功能:將,CPU,當(dāng)前快要用到的部分?jǐn)?shù)據(jù)塊由主存復(fù)制到容量小、速度快的,SRAM,中,由,SRAM,向,CPU,直接提供它所需要的數(shù)據(jù)。,Cache,存儲(chǔ)器介于,CPU,和主存之間，它的工作速度數(shù)倍于主存，全部功能由硬件實(shí)現(xiàn)。由于轉(zhuǎn)換速度快，軟件人員絲毫未感到,Cache,的存在，這種特性稱為,Cache,的透明性。,Cache,內(nèi)部是用同主存內(nèi)部同樣大小的塊組成，故由于,Cache,存儲(chǔ)容量小，所以塊的數(shù)目少,。,在,Cache,中，每一塊外加有一個(gè)標(biāo)記，指明它是主

4、存的哪一塊的副本，所以該標(biāo)記的內(nèi)容相當(dāng)于主存中塊的編號(hào)。塊內(nèi)字節(jié)數(shù)與主存相同(如圖7.2)。,6,圖,7.2cache,的基本結(jié)構(gòu),7,7.2.,1,Cache,的組成和工作原理,標(biāo)志 塊號(hào) 塊內(nèi)地址,主存地址,主,存,塊號(hào) 塊內(nèi)地址,Cache,標(biāo)記,Cache,地址,比較器,替,換,算,法,Cache,數(shù)據(jù),來/去,CPU,來自,CPU,不命中,命中,Cache,滿,訪數(shù)據(jù),修改標(biāo)記,訪標(biāo)記,8,7.2.,1,Cache,的組成和工作原理,命中率：,CPU,所要訪問的信息在,cache,中的比率。,命中率的高低與,cache,容量大小,、,程序的特征、,cache,的調(diào)度算法有關(guān),。,ca

5、che,存儲(chǔ)器的平均存取時(shí)間計(jì)算如下：,平均訪問時(shí)間,=h* t,c,+(1-h)(t,c,+,t,M,),其中,t,c,為,cache,存儲(chǔ)器的存取時(shí)間，,h,為命中率，,t,M,為主存儲(chǔ)器的存取時(shí)間。,9,7.2.2,Cache,存儲(chǔ)器組織,1.地址映像,為了把信息放到,Cache,存儲(chǔ)器中，必須應(yīng)用某種方法把主存地址定位到,Cache,中，稱作地址映像。在信息按照這種映像關(guān)系（采用硬件方法實(shí)現(xiàn)）裝人,Cache,后，執(zhí)行程序時(shí)應(yīng)將主存地址變換成,Cache,地址,這個(gè)變換過程叫做地址變換。地址的映像和變換是密切相關(guān)的。,下面介紹幾種基本地址映像方式，它們是直接映像、全相聯(lián)映像和組相聯(lián)映像

6、等。,10,(1)直接映像,在直接映像方式中，主存和,Cache,中字塊的對應(yīng)關(guān)系,如圖 7. 3所示。直接映像函數(shù)可定義為：,j= i mod 2,c,其中,j,是,Cache,的字塊號(hào)，,i,是主存的字塊號(hào)，主存中有2,m,個(gè)塊,字塊大小為2,b,字，,Cache,中有同樣大小的2,c,個(gè)塊,。,在這種映像方式中主存的第0塊，第2,c,塊，第2,c+1,塊， ，只能映像到,cache,的第0塊，而主存的第1塊，第2,c,1,塊第2,c+1,十1塊， ,只能映像到,Cache，,的第 1塊。,11,直接映像的優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)簡單，只需利用主存地址按某些字段直接判斷，即可確定所需字塊是否已在,Ca

7、che,存儲(chǔ)器中、如圖 7. 3。,直接映像方式的,缺點(diǎn),是不夠靈活，即主存的2,t,個(gè)字塊只能對應(yīng)唯一的,Cache,存儲(chǔ)器字塊,因此,即使,Cache,存儲(chǔ)器別的許多地址空著也不能占用。這使得,cache,存儲(chǔ)空間得不到充分利用，并降低了命中率。,12,13,例如某機(jī)主存為1,MB,劃分2048頁，每頁512,B，,共分0127組，每組16頁;,Cache,為8,KB,劃分16頁，每頁512,B,7,位,Cache,主存 主存地址,0組,7,位 4位 9位,1組,主存頁號(hào),Cache,地址,127組,在訪存時(shí)，只需比較,兩者標(biāo)記，如相同則命中,標(biāo)記,0頁,標(biāo)記,1頁,.,.,.,.,.,.

8、,標(biāo)記,15頁,0頁,1頁,15頁,16頁,17頁,31頁,2032頁,2033頁,2047頁,主存標(biāo)記,Cache,頁號(hào),頁內(nèi)地址,14,（2）全相聯(lián)映像,全相聯(lián)映像方式是最靈活但成本最高的一種方式,，如圖7.4所示。它允許主存中的每一個(gè)字塊映像到,cache,存儲(chǔ)器的任何一個(gè)字塊位置上,也允許從確實(shí)已被占滿的,Cache,存儲(chǔ)器中替換出任何一個(gè)舊字塊。這是一個(gè)理想的方案，實(shí)際上由于它的成本太高而不能采用。不只是它的標(biāo)記位數(shù)從,t,位增加到,t+c,位（與直接映像相比），使,Cache,標(biāo)記容量加大，主要問題是在訪問,Cache,時(shí)，需要和,Cache,的全部標(biāo)記進(jìn)行比較才能判斷出所訪主存地

9、址的內(nèi)容是否已在,Cache,中。由于,Cache,速度要求高，所以全部比較操作都要用硬件實(shí)現(xiàn)，通常由“按內(nèi)容尋址的”相聯(lián)存儲(chǔ)器完成（見7.4 相聯(lián)存儲(chǔ)器）。所需邏輯電路甚多，以致無法用于,Cache,中。,15,16,例如某機(jī)主存為1,MB,劃分2048頁，每頁512,B，,;,Cache,為8,KB,劃分16頁，每頁512,B 。,11,位,Cache,主存 主存地址,11位 9位,主存頁號(hào),由于每個(gè),Cache,頁可以映射2048個(gè)主存頁中的任一頁，因此每頁的,Cache,標(biāo)記也需要11位，已表明它現(xiàn)在所映象的主存頁號(hào)。,標(biāo)記,0頁,標(biāo)記,1頁,.,.,.,.,.,.,標(biāo)記,15頁,0頁

10、,1頁,15頁,2047頁,主存頁標(biāo)號(hào),頁內(nèi)地址,17,（3）組相聯(lián)映像,組相聯(lián)映像方式是直接映像和全相聯(lián)映像方式的一種折衷方案。組相聯(lián)映像,Cache,組織如圖7.5所示。,組相聯(lián)映像方式的性能與復(fù)雜性介于直接映像與全相聯(lián)映像兩種方式之間、當(dāng),r = 0,時(shí)，它就成為直接映像方式,當(dāng),r = c,時(shí)，就是全相聯(lián)映像方式。,Cache,的命中率除了與地址映像的方式有關(guān)外，還與,cache,的容量有關(guān)。,cache,容量大,則命中率就高，但達(dá)到一定容量后，命中率的提高就不明顯了。,18,19,例如某機(jī)主存為1,MB,劃分2048頁，每頁512,B，,共分0255組，每組8頁;,Cache,為8,

11、KB,劃分16頁，每頁512,B ，,共為8組，每組2頁。,8位,Cache,主存 主存頁標(biāo)記,0組 7位 3位 1位 9位,1組 0組,Cache,地址,1組,7組,255組,訪存時(shí)根據(jù)主存地址的中間4位，找到,Cache,頁，并將其標(biāo)記與主存頁標(biāo)記進(jìn)行比較，判斷是否是主存中的副本，即訪問是否命中。,標(biāo)記標(biāo)記,0頁,1頁,標(biāo)記標(biāo)記,2頁,3頁,標(biāo)記標(biāo)記,14頁,15頁,0頁,1頁,7頁,8頁,9頁,15頁,2047頁,主存組號(hào),Cache,組號(hào),組內(nèi)頁號(hào),頁內(nèi)地址,20,2.,Cache,的讀寫操作,寫貫穿（全寫法）:同時(shí)寫入,Cache,和,主存。,保證主存和,Cache,內(nèi)容相同,方法簡

12、單可靠。,對,Cache,的更新同時(shí)要寫主存,速度會(huì)受影響。,寫回法：先將更新內(nèi)容寫入,Cache,，,并做標(biāo)記，特定時(shí)間將,Cache,內(nèi)容寫入主存。,省去不必要的立即回寫操作。,回寫式系統(tǒng)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。,寫一次法：寫命中與未命中的處理方法與寫回法基本相同，只是第一次寫命中是要同時(shí)寫入主存。,Pentium,機(jī)的,L2,級(jí),Cache,采用的是寫回法，,L1,級(jí)數(shù)據(jù),Cache,采用的是寫一次法。,21,3. 替換算法,當(dāng)新的主存字塊需要調(diào)人,cache,存儲(chǔ)器而它的可用位置又已被占滿時(shí)，就產(chǎn)生替換算法問題。先介紹兩種替換算法先進(jìn)先出（,FIFO）,算法和近期最少使用（,LRU）,算法。,F

13、IFO,算法,總是把一組中最先調(diào)入,cache,存儲(chǔ)器的字塊替換出去，它不需要隨時(shí)記錄各個(gè)字塊的使用情況，所以實(shí)現(xiàn)容易開銷小,LRU,算法,是把一組中近期最少使用的字塊替換出去。這種替換算法需隨時(shí)記錄,cache,存儲(chǔ)器中各個(gè)字塊的使用情況，以便確定那個(gè)字塊是近期最少使用的字塊,。LRU,替換算法的平均命中率比,FIFO,要高，并且當(dāng)分組容量加大時(shí)，能提高,LRU,替換算法的命中率。,LRU,是最常使用的一種算法、其設(shè)計(jì)思想是把組中各塊的使用情況記錄在一張表上（如圖7.6所示）。并把最近使用過的塊放在表的最上面。這種算法用硬件實(shí)現(xiàn)比較麻煩，經(jīng)常采用修改型,LRU,算法。,另外還有一種隨機(jī)替換法

14、（,RAND）,，,這種算法不考慮使用情況，在組內(nèi)隨機(jī)選擇一塊來替換。其性能比根據(jù)使用情況的替換算法要差些。,22,高速緩沖存儲(chǔ)器（續(xù)）,2.,替換算法,常用的替換算法大致有以下兩類：,(1),先進(jìn)先出算法（,FIFO,）,FIFO,按調(diào)入,Cache,的先后決定淘汰的順序，即在需要更新時(shí)，總是淘汰最先調(diào)入,Cache,的頁面內(nèi)容。這種方法容易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)開銷少，但不一定合理，因?yàn)橛行﹥?nèi)容顯然調(diào)入較早，但可能仍在使用。,(2),近期最少使用算法（,LRU,）,為,Cache,各頁建立一個(gè),LRU,目錄記用它的調(diào)用情況。當(dāng)需要替換時(shí)將在最近一段時(shí)間內(nèi)使用最少的頁面內(nèi)容予以替換，該算法命中率高，但較

15、,FIFO,算法復(fù)雜，系統(tǒng)開銷大。,23,2,2,2,2,2*,2,2,2,11,11,11,11,11*,4,4,9,9,9,9*,3,7,7,7,7*,高速緩沖存儲(chǔ)器之替換算法（續(xù)）,例：設(shè)一個(gè)容量為,4,個(gè)塊的全相聯(lián),Cache,，,分別采用,FIFO,和,LRU,替換算法，假定訪問的主存地址塊號(hào)序列為,2,、,11,、,2,、,9,、,7,、,6,、,4,、,3,，畫出每次訪問后,Cache,中的內(nèi)容變化情況。,解：,訪問順序,1 2 3 4 5 6 7 8,地址塊號(hào),2 11 2 9 7 6 4 3,塊分配情況,（,FIFO,）,操作狀態(tài) 調(diào)進(jìn) 調(diào)進(jìn)命中調(diào)進(jìn)調(diào)進(jìn)替換替換替換 （續(xù)）,

16、24,高速緩沖存儲(chǔ)器之替換算法（續(xù)）,訪問順序,1 2 3 4 5 6 7 8,地址塊號(hào),2 11 2 9 7 6 4 3,近期最,少使用,（,LRU,）,操作狀態(tài) 調(diào)進(jìn) 調(diào)進(jìn)命中調(diào)進(jìn)調(diào)進(jìn)替換替換替換,2,2,2,2,2,2*,4,4,11,11*,11*,11*,6,6,6,9,9,9,9*,3,7,7,7,7*,25,7.2.3,Cache,的命中率,設(shè),N,C,表示,Cache,完成存取的總次數(shù)，,N,m,表示主存完成存取的總次數(shù)，,h,定義為命中率，則有,h= N,C,/(N,C,+ N,m,),若,t,c,表示命中時(shí)的,Cache,訪問時(shí)間，,t,m,表示未命中時(shí)的主存訪問時(shí)間，1-

17、,h,表示未命中率，則,Cache/,主存系統(tǒng)的平均訪問時(shí)間,t,a,為：,t,a,=ht,c,+(1-h)t,m,設(shè),r=t,m,/,t,c,表示主存慢于,Cache,的倍率，,e,表示訪問效率則有,e=,t,c,/t,m,=t,c,/ht,c,+(1-h)t,m,=1/h+(1-h)r=1/r+(1-h),為提高訪問效率，,h,接近1好。,26,例題：,CPU,執(zhí)行一段程序時(shí)，,Cache,完成存取的次數(shù)為1900次，主存完成存取的次數(shù)為100次，已知,Cache,存取周期為,50ns,主存存取周期為250,ns,求,Cache/,主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時(shí)間。,解：,h=N,C,/(N,

18、C,+ N,m,)=1900/(1900+100)=0.95,r=t,m,/,t,c,=250ns/50ns=5,e=1/r+(1-r)h=1/5+(1-5)*0.95=83.3%,t,a,=,t,c,/e,=50ns/0.833=60ns,27,7.2.4 多層次,Cache,存儲(chǔ)器,1.指令,Cache,和數(shù)據(jù),Cache,開始實(shí)現(xiàn),Cache,時(shí)，是將指令和數(shù)據(jù)存放在同一,Cache,中的。后來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和處理速度的加快,存取數(shù)據(jù)的操作經(jīng)常會(huì)與取指令的操作發(fā)生沖突，從而延遲了指令的讀取。發(fā)展的趨勢是將指令,Cache,和數(shù)據(jù),Cache,分開而成為兩個(gè)相互獨(dú)立的,Cache。,

19、2. 多層次,Cache,結(jié)構(gòu),當(dāng)芯片集成度提高后，可以將更多的電路集成在一個(gè)微處理器芯片中于是近年來新設(shè)計(jì)的快速微處理芯片都將,Cache,集成在片內(nèi)，片內(nèi),cache,的讀取速度要比片外,Cache,快得多。,Pentium,微處理器的片內(nèi)包含有8,KB,數(shù)據(jù),Cache,和 8,KB,指令,Cache。Cache,行的長度為32,B，,采取兩路組相聯(lián)組織。,28,片內(nèi),Cache,的容量受芯片集成度的限制，一般在幾十,KB,以內(nèi)，因此命中率比大容量,cache,低、于是推出了二級(jí),Cache,方案，其中第一級(jí),Cache（L1）,在處理器芯片內(nèi)部；第二級(jí),Cache（L2）,在片外，其容

20、量可從幾十,KB,到幾百,KB，,采用,SRAM,存儲(chǔ)器，兩級(jí),cache,之間一般有專用總線相連、,Pentium,微處理器支持片外的第二級(jí),Cache。，,其容量為256,KB,或512,KB。,也是采用兩路組相連方案。,3.,Cache,的一致性問題,29,7.3虛擬存儲(chǔ)器,1.虛擬存儲(chǔ)器的名稱和由來,虛擬存儲(chǔ)器只是一個(gè)容量非常大的存儲(chǔ)器的邏輯模型，不是任何實(shí)際的物理存儲(chǔ)器。它是借助磁盤等輔助存儲(chǔ)器來擴(kuò)大主存容量，使之為更大或更多的程序所使用。有了虛擬存儲(chǔ)器，用戶無需考慮所編程序在主存中是否放得下或放在什么位置等問題。,產(chǎn)生: 軟件需要，芯片工藝及價(jià)格不能滿足,特點(diǎn): 1.將當(dāng)前和常用到

21、的內(nèi)容放在主存中，其他還未用到的放在外存中。,2.虛擬存儲(chǔ)體系允許用戶訪問比實(shí)際存儲(chǔ)空間大得多的地址空間。,概念: 位于主存-輔存的物理結(jié)構(gòu),由負(fù)責(zé)信息劃分以及主存-輔存之間信息調(diào)動(dòng)的輔助硬件和操作系統(tǒng)中的存儲(chǔ)管理軟件所組成的存儲(chǔ)體系.,管理方式: 段式,頁式,段頁式,30,從原理角度看，主存-輔存層次和,cache-,主存層次有很多相似之處。它們采用的地址變換及映像方法和替換策略，從原理上看是相同的。虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)所采取的映像方式同樣有全相聯(lián)映像、組相聯(lián)映像和直接映像等。替換算法也多采用,LRU,算法。主存一輔存層次的信息傳送單位可采用幾種不同的方案，段、頁或段頁式。,7.3.1 段式管理方案

22、,段是利用程序的模塊化性質(zhì)按照程序的邏輯結(jié)構(gòu)劃分成的多個(gè)相對獨(dú)立部分。例如過程、子程序、數(shù)據(jù)表、陣列等。段作為獨(dú)立的邏輯單位可以被其他程序段調(diào)用，這樣就形成段間連接，產(chǎn)生規(guī)模較大的程序。一般用段表來指明各段在主存中的位置，如圖 7 12所示。每段都有它的名稱（用戶名稱或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)名或段號(hào)）、段起點(diǎn)、段長等。段表本身也是主存儲(chǔ)器的一個(gè)可再定位段,31,段式管理方案,段號(hào) 起始位置 有效位 段長 訪問方式,以程序的邏輯結(jié)構(gòu)所形成的段作為主存分配單位的存儲(chǔ)器管理方式.,段大小可以不相等.,每個(gè)程序有一個(gè)段表,程序空間,段1,（1,KB）,段2,（2,KB）,段3,（3,KB）,段4,（1,KB）,段5

23、,（3,KB）,地址,存儲(chǔ)空間,段1,段5,段3,0,1,4,60,63,1 0 1 1,KB,2,3 60,K 1 3KB,4,5 1,K 1 3KB,段表,32,把主存按段分配的存儲(chǔ)管理方式稱為段式管理。,段式管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),是段的分界與程序的自然分界相對應(yīng)段的邏輯獨(dú)立性，使它易于編譯、管理、修改和保護(hù),也便于多道程序共享。其缺點(diǎn)是容易在段間留下許多空余的零碎存儲(chǔ)空間，造成浪費(fèi)和段的起點(diǎn)和終點(diǎn)不定。,7.3.2 頁式管理方案,頁式管理系統(tǒng)的信息傳送單位是定長的頁，主存的物理空間也被劃分為等長的固定區(qū)域，稱為頁面。新頁調(diào)人主存也很容易掌握，只要有空白頁面就可。它比段式管理系統(tǒng)的空間浪費(fèi)要小得

24、多。頁式管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)正好和段式管理系統(tǒng)相反，由于頁不是邏輯上獨(dú)立的實(shí)體，所以處理保護(hù)和共享都不及段式來得方便。,圖 7 13表示某個(gè)程序有 5頁（邏輯頁號(hào) 04）各頁分別裝入主存不連續(xù)的頁面位置，用頁表記錄邏輯頁號(hào)及其所對應(yīng)的實(shí)主存頁號(hào)，頁表是由操作系統(tǒng)建立的、圖 7 13中邏輯頁號(hào)013已分配實(shí)主存空間，所以裝人位為,l,33,頁式管理方案,程序空間,實(shí)存空間,邏輯頁號(hào),物理頁號(hào),0,1,2,3,4,0,1,2,3,4,5,6,0 2 1,1 1 1,2,3 4 1,4,頁表,邏輯頁號(hào) 物理頁號(hào) 有效位,將虛擬空間和主存空間劃分成大小固定的頁,以頁為分配單位的存儲(chǔ)管理方式.,頁的大小隨機(jī)器

25、而異,每道程序擁有一個(gè)頁表,頁表自動(dòng)生成,對程序員透明.,34,35,36,3、段頁式,將段式和頁式管理方式結(jié)合起來.,段頁式將實(shí)際存儲(chǔ)器機(jī)械等分成固定大小的頁,程序則按模塊分段,每段又分成與主存頁面大小相同的頁.,段頁式管理兼有段式和頁式的優(yōu)點(diǎn).,37,圖,7.16,段頁式存儲(chǔ)舉例,38,39,Pentium,采用段頁式地址轉(zhuǎn)換機(jī)制，通過段地址查閱段表，將表中地址與位移地址相加后得到32位線性地址，然后通過頁面轉(zhuǎn)換得物理地址。頁面轉(zhuǎn)換是通過頁目,錄和頁表實(shí)現(xiàn)的（相當(dāng)于,H,級(jí)頁表）線性地址由頁目錄（10垃）、頁號(hào)（,l,位）和位移地址（,l,位）組成，頁面大小為4,KB、Pentium,還允

26、許將頁面大小設(shè)置為4,MB,此時(shí)頁面轉(zhuǎn)換只要查一次頁表即可。,Pentium,存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)有很大靈活性，根據(jù)其段表和頁表是否設(shè)置可以有4種組合情況。,（1）無段表和無頁表的存儲(chǔ)器、非虛擬存儲(chǔ)器其邏輯地址即為物理地址可減少復(fù)雜性，在高性能的控制機(jī)中經(jīng)常被采用。,（2）無段表和有頁表的存儲(chǔ)器。頁式虛擬存儲(chǔ)器，此時(shí)存儲(chǔ)器的管理和保護(hù)是通過頁面轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。,(3)有段表和無頁表的存儲(chǔ)器。段式虛擬存儲(chǔ)器。,（4）有段表和有頁表的存儲(chǔ)器。段頁式虛擬存儲(chǔ)器,。,40,7. 3. 6存儲(chǔ)管理部件（,MMU）,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般都有輔助存儲(chǔ)器，但具有輔存的存儲(chǔ)系統(tǒng)不一定是虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)有兩大特：,（1）允

27、許用產(chǎn)用比主存空間大得多的空間來訪問主存。,（2）每次訪存都要進(jìn)行虛實(shí)地址的轉(zhuǎn)換。,Pentium,的虛擬地址被稱為邏輯地址，其長度為48位，由16位段地址和32位位移地址構(gòu)成、段地址中有2位用于存儲(chǔ)保護(hù)，真正屬于段地址的是14位，所以有效的邏輯地址為46 位。 即,（14,位十32位），虛擬空間為2,46,。,41,42,7.4 相聯(lián)存儲(chǔ)器,相聯(lián)存儲(chǔ)器不按地址訪問存儲(chǔ)器，而,按所存數(shù)據(jù)字的全部內(nèi)容或部分內(nèi)容進(jìn)行查找（或檢索）,。例如，在虛擬存儲(chǔ)器中，將虛地址的虛頁號(hào)與相聯(lián)存儲(chǔ)器中所有行的虛頁號(hào)進(jìn)行比較，若有內(nèi)容相等的行，則將其相應(yīng)的實(shí)頁號(hào)取出，這是按數(shù)據(jù)字的部分內(nèi)容進(jìn)行檢索的例子,80年代后

28、，由于集成電路的迅速發(fā)展，才使得半導(dǎo)體相聯(lián)存儲(chǔ)器有條件作為商品上市。,43,7.4 相聯(lián)存儲(chǔ)器,相聯(lián)存儲(chǔ)器除了應(yīng)用于虛擬存儲(chǔ)器與,Cache,中以外，還經(jīng)常用于數(shù)據(jù)庫與知識(shí)庫中按關(guān)鍵字進(jìn)行檢索、從按地址訪問的存儲(chǔ)器中檢索出某一單元。平均約進(jìn)行,m/2,次操作（,m,為存儲(chǔ)單元數(shù)）而在相聯(lián)存儲(chǔ)器中僅需要進(jìn)行一次檢索操作，因此大大提高了處理速度。近年來相聯(lián)存儲(chǔ)器用于一些新型的并行處理和人工智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中、例如，在語音識(shí)別、圖像處理、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中都有采用相聯(lián)存儲(chǔ)器的例子。,44,7.4 相聯(lián)存儲(chǔ)器,圖,7.20,相聯(lián)存儲(chǔ)器框圖,45,圖,7.21,相聯(lián)存儲(chǔ)器檢索舉例,46,7,5,存儲(chǔ)保護(hù),由于多

29、個(gè)用產(chǎn)對主存的共享就有多個(gè)用戶程序和系統(tǒng)軟件存于主存中。為使系統(tǒng)能正常工作，要防止由于一個(gè)用戶程序出錯(cuò)而破壞其他用戶的程序和系統(tǒng)軟件，還要防止一個(gè)用戶程序不合法地訪問不是分配給它的主存區(qū)域?yàn)榇耍到y(tǒng)應(yīng)提供存儲(chǔ)保護(hù)。,存儲(chǔ)保護(hù)主要包括兩個(gè)方面存儲(chǔ)區(qū)域保護(hù)和訪問方式的保護(hù)。,1. 存儲(chǔ)區(qū)域保護(hù),對于不是虛擬存儲(chǔ)器的主存系統(tǒng)可采用界限寄存器方式、由系統(tǒng)軟件經(jīng)特權(quán)指令設(shè)置上、下界寄存器為每個(gè)程序劃定存儲(chǔ)區(qū)域，禁止越界訪問,47,在虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，由于一個(gè)用戶程序的各頁能離散地分布于主存中，不能使用這種保護(hù)方式，所以，通常采,用頁表保護(hù)和鍵保護(hù)等方式。,(1)頁表保護(hù),每個(gè)程序都有自己的頁表和段表，段表

30、和頁表本身都有自已的保護(hù)功能。無論地址如何出錯(cuò)，也只能影響到相應(yīng)的幾個(gè)主存頁面。,（2）鍵方式,鍵保護(hù)方式的基本思想是為主存的每一頁配一個(gè)鍵稱為存儲(chǔ)鍵，它相當(dāng)于一把鎖。它是由操作系統(tǒng)賦予的，每個(gè)用戶的實(shí)存頁面的鍵都相同。為了打開這個(gè)鎖，必須有鑰匙，稱為訪問鍵。訪問鍵賦予每道程序，保存在該道程序的狀態(tài)寄存器中，當(dāng)數(shù)據(jù)要寫人主存的某一頁時(shí)訪問鍵要與存儲(chǔ)鍵相比較，若兩鍵相符則允許訪問該頁，否則拒絕訪問。,48,（3）環(huán)保護(hù)方式,以上兩種保護(hù)方式都是保護(hù)別的程序區(qū)域不受破壞，而正在運(yùn)行的程序本身則受不到保護(hù)。環(huán)狀保護(hù)方式則可以做到對正在執(zhí)行的程序本身進(jìn)行保護(hù)。,2 訪問方式保護(hù),對主存信息的使用可以有三種方式讀（,R）、,寫（,W）,和執(zhí)行（,E），,執(zhí)行指作為指令來用。所以相應(yīng)的訪問方式保護(hù)就有,R，W，E,三種以及由這三種方式形成的邏輯組合。,訪問方式保護(hù)可以和上述區(qū)域保護(hù)結(jié)合起來使用，以上所講的存儲(chǔ)保護(hù)都是由硬件實(shí)現(xiàn)的。,49,