第7章 存儲(chǔ)系統(tǒng)

1、第7章 存儲(chǔ)系統(tǒng)7.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)7.2 高速緩沖存儲(chǔ)器（cache）7.3 虛擬存儲(chǔ)器7.4 相聯(lián)存儲(chǔ)器7.5 存儲(chǔ)保護(hù)本章教學(xué)內(nèi)容本章教學(xué)內(nèi)容目前的計(jì)算機(jī)中，一般用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱主存或內(nèi)存)，存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)；而用磁盤、磁帶、光盤作為外存儲(chǔ)器或輔助存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱外存或輔存)，存放當(dāng)前不在運(yùn)行的大量程序和數(shù)據(jù)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可隨機(jī)訪問任一單元，而輔助存儲(chǔ)器一般為串行訪問存儲(chǔ)器。讀寫該存儲(chǔ)器內(nèi)容時(shí)，需要順序地一位一位地進(jìn)行，訪問指定信息所需時(shí)間與信息所在位置有關(guān)。串行存儲(chǔ)器又可分成順序存取存儲(chǔ)器和直接存取存儲(chǔ)器。例如，磁帶上的信息以順序的方式存儲(chǔ)在帶上，讀寫時(shí)要

2、待磁帶移動(dòng)到合適位置后才能順序讀寫，需要耗費(fèi)較多時(shí)間，稱為順序存取存儲(chǔ)器。而磁盤存儲(chǔ)器對(duì)信息的存取包括兩個(gè)操作： 磁頭直接移動(dòng)到信息所在區(qū)域(磁道)； 從該磁道的合適位置開始順序讀寫。比磁帶要快得多，是直接存取存儲(chǔ)器。7.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)衡量存儲(chǔ)器有三個(gè)指標(biāo)： 容量、速度和價(jià)格位。一般來講，速度高的存儲(chǔ)器，每位價(jià)格也高，因此容量不能太大。早期計(jì)算機(jī)主存容量很小(如幾K字節(jié))，程序與數(shù)據(jù)從輔存調(diào)入主存是由程序員自己安排的，程序員必須花費(fèi)很大精力和時(shí)間把大程序預(yù)先分成塊，確定好這些程序塊在輔存中的位置和裝入主存的地址，而且還要預(yù)先安排好程序運(yùn)行時(shí)各塊如何和何時(shí)調(diào)入調(diào)出?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器容量

3、已達(dá)幾十M字節(jié)到幾百M(fèi)字節(jié)，但是程序?qū)Υ鎯?chǔ)容量的要求也提高了，因此仍存在存儲(chǔ)空間的分配問題。操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展使得程序員有可能擺脫主、輔存之間的地址人工定位，通過軟件、硬件結(jié)合，把主存和輔存統(tǒng)一成了一個(gè)整體，形成了一個(gè)存儲(chǔ)層次。從整體看，其速度接近于主存的速度，其容量則接近于輔存的容量，而每位平均價(jià)格也接近于廉價(jià)的慢速的輔存平均價(jià)格。這種系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，就逐步形成了現(xiàn)在廣泛使用的虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，應(yīng)用程序員可用機(jī)器指令地址碼對(duì)整個(gè)程序統(tǒng)一編址，如同程序員具有對(duì)應(yīng)這個(gè)地址碼寬度的全部虛存空間一樣。該空間可以比主存實(shí)際空間大得多，以致可以存得下整個(gè)程序。 這種指令地址碼稱為虛地址(虛存

4、地址、虛擬地址)或邏輯地址，其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量稱為虛存容量或虛存空間；而把實(shí)際主存的地址稱為物理地址或?qū)?存)地址，其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量稱為主存容量、實(shí)存容量或?qū)?主)存空間。當(dāng)CPU用虛地址訪問主存時(shí)，機(jī)器自動(dòng)地把它經(jīng)輔助軟件、硬件變換成主存實(shí)地址。察看這個(gè)地址所對(duì)應(yīng)的單元內(nèi)容是否已經(jīng)裝入主存，如果在主存就進(jìn)行訪問，如果不在主存內(nèi)就經(jīng)輔助軟件、硬件把它所在的那塊程序和數(shù)據(jù)由輔存調(diào)入主存，而后進(jìn)行訪問。這些操作都不必由程序員來安排，也就是說，對(duì)應(yīng)用程序員是透明的。主-輔存層次滿足了存儲(chǔ)器的大容量和低成本需求。在速度方面，計(jì)算機(jī)的主存和CPU一直保持了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。顯然這個(gè)差距限制了CPU速度

5、潛力的發(fā)揮。為了彌合這個(gè)差距，必須進(jìn)一步從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上去研究。設(shè)置高速緩沖存儲(chǔ)器(cache)是解決存取速度的重要方法。在CPU和主存中間設(shè)置高速緩沖存儲(chǔ)器，構(gòu)成高速緩存(cache)-主存層次，要求cache在速度上能跟得上CPU的要求。cache-主存間的地址映像和調(diào)度吸取了比它較早出現(xiàn)的主-輔存存儲(chǔ)層次的技術(shù)，不同的是因其速度要求高，不是由軟、硬件結(jié)合而完全由硬件來實(shí)現(xiàn)。從CPU的角度看，cache-主存層次的速度接近于cache，容量與每位價(jià)格則接近于主存。因此，解決了速度與成本之間的矛盾。以上敘述了主存-輔存和cache-主存這兩種存儲(chǔ)層次。現(xiàn)代大多數(shù)計(jì)算機(jī)同時(shí)采用這兩種存儲(chǔ)層次

6、，構(gòu)成cache-主存-輔存三級(jí)存儲(chǔ)層次如圖7.1所示。其中cache容量最小，輔存容量最大，各層次中存放的內(nèi)容都可以在下一層次中找到。這種多層次結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的典型存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。圖7.1 三層存儲(chǔ)系統(tǒng)7.2.1 cache工作原理 在一個(gè)較短的時(shí)間間隔內(nèi)，地址往往集中在存儲(chǔ)器邏輯地址空間的很小范圍內(nèi)。程序地址的分布本來就是連續(xù)的，再加上循環(huán)程序段和子程序段要重復(fù)執(zhí)行多次，因此，對(duì)程序地址的訪問就自然地具有相對(duì)集中的傾向。數(shù)據(jù)分布的這種集中傾向不如指令明顯，但對(duì)數(shù)組的存儲(chǔ)和訪問以及工作單元的選擇都可以使存儲(chǔ)器地址相對(duì)集中。這種對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問，而對(duì)此范圍以外的地址則訪問甚少的現(xiàn)

7、象就稱為程序訪問的局部性。7.2 高速緩沖存儲(chǔ)器(cache) 根據(jù)局部性原理，可以在主存和CPU之間設(shè)置一個(gè)高速的容量相對(duì)較小的存儲(chǔ)器，如果當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)存放在這個(gè)存儲(chǔ)器中，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，不必從主存儲(chǔ)器取指令和取數(shù)據(jù)，而訪問這個(gè)高速存儲(chǔ)器即可，所以提高了程序運(yùn)行速度，這個(gè)存儲(chǔ)器稱作高速緩沖存儲(chǔ)器(cache)。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)，并且對(duì)程序員是透明的。圖7.2表示cache的基本結(jié)構(gòu)。圖7.2 cache的基本結(jié)構(gòu)cache的容量和塊的大小是影響cache的效率的重要因素。通常用“命中率”來測(cè)量cache的效率。命中率指

8、CPU所要訪問的信息在cache中的比率，而將所要訪問的信息不在cache中的比率稱為失效率。一般來說，cache的存儲(chǔ)容量比主存的容量小得多，但不能太小，太小會(huì)使命中率太低；也沒有必要過大，過大不僅會(huì)增加成本，而且當(dāng)容量超過一定值后，命中率隨容量的增加將不會(huì)有明顯地增長(zhǎng)。但隨著芯片價(jià)格的下降，cache的容量還是不斷增大，已由幾十K發(fā)展到幾百K字節(jié)，甚至達(dá)到幾M字節(jié)。在從主存讀出新的字塊調(diào)入cache存儲(chǔ)器時(shí)，如果遇到cache存儲(chǔ)器中相應(yīng)的位置已被其他字塊占有，那么就必須去掉一個(gè)舊的字塊，讓位于一個(gè)新的字塊。這種替換應(yīng)該遵循一定的規(guī)則，最好能使被替換的字塊是下一段時(shí)間內(nèi)估計(jì)最少使用的。這些

9、規(guī)則稱為替換策略或替換算法，由替換部件加以實(shí)現(xiàn)。cache存儲(chǔ)器中保存的字塊是主存中相應(yīng)字塊的一個(gè)副本。如果程序執(zhí)行過程中要對(duì)該字塊的某個(gè)單元進(jìn)行寫操作，就會(huì)遇到如何保持cache與主存的一致性問題。通常有兩種寫入方式： 一種方式是暫時(shí)只向cache存儲(chǔ)器寫入，并用標(biāo)志加以注明，直到經(jīng)過修改的字塊被從cache中替換出來時(shí)才一次寫入主存；第二種方式是每次寫入cache存儲(chǔ)器時(shí)也同時(shí)寫入主存，使cache和主存保持一致。前一種方式稱為標(biāo)志交換(flag-swap)方式。只有寫標(biāo)志“置位”的字塊才有必要最后從cache存儲(chǔ)器一次寫回主存，所以又稱其為“寫回法”。 這種方式寫操作速度快，但因在此以前

10、，主存中的字塊未經(jīng)隨時(shí)修改而可能失效。后一種方式稱為通過式寫(write-through)，又稱寫直達(dá)法。這種方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且能隨時(shí)保持主存數(shù)據(jù)的正確性。但是，有可能要增加多次不必要的向主存的寫入。假如向cache存儲(chǔ)器某一單元寫入多少次，也要向主存相應(yīng)單元寫入多少次。另有一種寫操作方法是： 當(dāng)被修改的單元根本就不在cache存儲(chǔ)器時(shí)，寫操作直接對(duì)主存進(jìn)行，而不寫入cache存儲(chǔ)器。為了說明標(biāo)記是否有效，每個(gè)標(biāo)記至少還應(yīng)設(shè)置一個(gè)有效位，當(dāng)機(jī)器剛加電啟動(dòng)時(shí)，總機(jī)的reset信號(hào)或執(zhí)行程序?qū)⑺袠?biāo)記的有效位置“0”，使標(biāo)記無效。在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)cache不命中時(shí)逐步將指令塊或數(shù)據(jù)塊從主存調(diào)入c

11、ache中的某一塊，并將這一塊標(biāo)記中的有效位置“1”，當(dāng)再次用到這一塊中的指令或數(shù)據(jù)時(shí)，肯定命中，可直接從cache中取指或取數(shù)。從這里也可看到，剛加電后所有標(biāo)記位都為“0”，因此開始執(zhí)行程序時(shí)，命中率較低。另外cache的命中率還與程序本身有關(guān)，即不同的程序，其命中率可能不同。具有cache的存儲(chǔ)器，其平均存取時(shí)間計(jì)算如下：設(shè)cache的存取時(shí)間為tc，命中率為h，主存的存取時(shí)間為tM，則平均存取時(shí)間=htc+(1-h)(tc+tM)。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)用某種函數(shù)把主存地址映像到cache，稱作地址映像。在信息按照這種映像

12、關(guān)系裝入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。假設(shè)主存儲(chǔ)器空間被分為Mm(0)，Mm(1)，Mm(i)，Mm(2m-1)共2m個(gè)塊，字塊大小為2b個(gè)字；cache存儲(chǔ)空間被分為Mc(0)，Mc(1)，Mc(j)，Mc(2c-1)共2c個(gè)同樣大小的塊。1) 直接映像在直接映像方式中，主存和cache中字塊的對(duì)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 2c其中，j是cache的字塊號(hào)，i是主存的字塊號(hào)。在這種映像方式中，主存的第0塊，第2c塊，第2c+1塊，只能映像到cache的第0塊，而主存的第1塊，

13、第2c+1塊，第2c+1+1塊，只能映像到cache的第1塊。直接映像的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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cache存儲(chǔ)器中。 圖7.3 直接映像cache組織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。 圖7.4 全相聯(lián)映像cache組織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

14、關(guān)外，還與cache的容量有關(guān)。cache容量大，命中率高，但達(dá)到一定容量后，命中率的提高就不明顯了。圖7.5 組相聯(lián)映像cache組織 2. 替換算法當(dāng)新的主存字塊需要調(diào)入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。FIFO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

15、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)。另外還有一種隨機(jī)替換法(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。圖7.6 LRU算法替換登記表7.2.3 多層次cache存儲(chǔ)器 1. 指令cache和數(shù)據(jù)cache計(jì)算機(jī)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（單一cache有較高的利用率。在執(zhí)行不同程序時(shí)，cache中指令和數(shù)據(jù)所占的比例是不同的，在單一cache中，指令和數(shù)據(jù)的空間可以自動(dòng)調(diào)

16、劑）。但是存取數(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。目前將指令cache和數(shù)據(jù)cache分開而成為兩個(gè)相互獨(dú)立的cache(哈佛結(jié)構(gòu))。2. 多層次cache結(jié)構(gòu)近年來新設(shè)計(jì)的微處理芯片將cache分級(jí)集成在片內(nèi)。一般片內(nèi)包含有一級(jí)幾十KB數(shù)據(jù)cache和指令cache，指令cache只讀不寫，其控制比數(shù)據(jù)cache簡(jiǎn)單。CPU每個(gè)核心各有一個(gè)幾百KB的二級(jí)緩存， L1 Cache與L2 Cache連同處理器內(nèi)核共同構(gòu)成了處理器核心。目前CPU還集成了上MB的三級(jí)cache，三級(jí)緩存中包含了所有處理核心的二級(jí)緩存所存儲(chǔ)的內(nèi)容。uCPU系列：酷睿i7 4700uCPU頻率

17、 CPU主頻：3.5GHz、最大睿頻：3.9GHz、外頻：100MHz、倍頻：39倍 uCPU插槽類型：LGA 1150uCPU內(nèi)核 核心代號(hào)：Haswell；四核心；八線程；22納米制作工藝；熱設(shè)計(jì)功耗(TDP)：84WuCPU緩存一級(jí)緩存：264KB；二級(jí)緩存：4256KB；三級(jí)緩存：8MBu內(nèi)存控制器：雙通道DDR3 1600uL1，L2或L3緩存的Cache行是64字節(jié)長(zhǎng)度u命中率：讀取一級(jí)緩存的命中率為80%。也就是說CPU一級(jí)緩存中找到的有用數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)總量的80%，讀取二級(jí)緩存的命中率也在80%左右（從二級(jí)緩存讀到有用的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的16%），在擁有三級(jí)緩存的CPU中，只有約5%的

18、數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存中調(diào)用u組相聯(lián)映像方式u近期最少使用算法（LRU）u寫回策略（信息僅被寫到Cache的相應(yīng)行中，當(dāng)被改變的行被替換出Cache時(shí),其內(nèi)容才被寫回到主存相應(yīng)的塊）uSmart Cache（智能高速緩存）：共享二級(jí)緩存技術(shù)，每個(gè)核心都可以動(dòng)態(tài)支配全部二級(jí)高速緩存酷睿cpu的CacheCache的四大基本問題1）映像機(jī)構(gòu)（Cache的基本結(jié)構(gòu)）在Cache中為每個(gè)行設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志以指明該行對(duì)應(yīng)的主存塊地址2）映像方式直接映像、全相聯(lián)映像、組相聯(lián)映像3）替換算法先進(jìn)先出算法（FIFO）、近期最少使用算法（LRU）、隨機(jī)替換算法4）寫策略寫透策略、寫回策略Cache小結(jié)7.3 虛擬存儲(chǔ)器7

19、.3.1 主存輔存層次信息傳送單位和存儲(chǔ)管理主存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。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(duì)獨(dú)立部分。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(zhǎng)等。段表本身也是主存儲(chǔ)器的一個(gè)可再定位段。圖7.7 段式管理主存按段分配的存儲(chǔ)管理方式稱為段式管理。其優(yōu)點(diǎn)是段的分界與程序的自然分界相對(duì)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

20、下許多空余的零碎存儲(chǔ)空間不好利用，造成浪費(fèi)。頁式管理系統(tǒng)的信息傳送單位是定長(zhǎng)的頁，主存的物理空間也被劃分為等長(zhǎng)的固定區(qū)域，稱為頁面。新頁調(diào)入主存也很容易掌握，只要有空白頁面就可?？赡茉斐衫速M(fèi)的是程序最后一頁的零頭，它比段式管理系統(tǒng)的空間浪費(fèi)要小得多。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7.8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(duì)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)0，1，3已分配實(shí)主存空間，所以裝入位為1。段式和頁式存儲(chǔ)管理各有其優(yōu)缺點(diǎn)，

21、可以采用段和頁結(jié)合的段頁式存儲(chǔ)管理系統(tǒng)。程序按模塊分段，段內(nèi)再分頁，出入主存仍以頁為信息傳送單位，用段表和頁表(每段一個(gè)頁表)進(jìn)行兩級(jí)管理。圖7.8 頁式管理7.3.2 頁式虛擬存儲(chǔ)器 在頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，把虛擬空間分成頁，主存空間也分成同樣大小的頁，稱為實(shí)頁或物理頁，而把前者稱為虛頁或邏輯頁。假設(shè)虛頁號(hào)為0，1，2，m，實(shí)頁號(hào)為0，1，l，顯然有ml。由于頁的大小都取2的整數(shù)冪個(gè)字，所以，頁的起點(diǎn)都落在低位字段為零的地址上。可把虛擬地址分為兩個(gè)字段，高位字段為虛頁號(hào)，低位字段為頁內(nèi)字地址。虛擬地址到主存實(shí)地址的變換是由頁表來實(shí)現(xiàn)的。在頁表中，對(duì)應(yīng)每一個(gè)虛存頁號(hào)有一個(gè)表目，表目?jī)?nèi)容至少要包含

22、該虛頁所在的主存頁面地址(頁面號(hào))，用它作為實(shí)(主)存地址的高字段；與虛擬地址的字地址字段相拼接，就產(chǎn)生完整的實(shí)主存地址，據(jù)此訪問主存。頁式管理的地址變換如圖7.9所示。圖7.9 頁式虛擬存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)通常，在頁表的表項(xiàng)中還包括裝入位(有效位)、修改位、替換控制位及其他保護(hù)位等組成的控制字。如裝入位為“1”，表示該虛頁已從輔存調(diào)入主存；如裝入位為“0”，則表示對(duì)應(yīng)的虛頁尚未調(diào)入主存，如訪問該頁就要產(chǎn)生頁面失效中斷，啟動(dòng)輸入輸出子系統(tǒng)，根據(jù)外頁表項(xiàng)目中查得的輔存地址，由磁盤等輔存中讀出新的頁到主存中來。修改位指出主存頁面中的內(nèi)容是否被修改過，替換時(shí)是否要寫回輔存。替換控制位指出需替換的頁等。假設(shè)頁表

23、是保存在(或已調(diào)入)主存儲(chǔ)器中，那么，在訪問存儲(chǔ)器時(shí)，首先要查頁表，即使頁面命中，也得先訪問一次主存去查頁表，再訪問主存才能取得數(shù)據(jù)，這就相當(dāng)于主存速度降低了一倍。如果頁面失效，要進(jìn)行頁面替換，頁面修改，訪問主存次數(shù)就更多了。因此，把頁表的最活動(dòng)部分存放在快速存儲(chǔ)器中組成快表，這是減少時(shí)間開銷的一種方法。此外，在一些影響工作速度的關(guān)鍵部分引入了硬件支持。例如，采用按內(nèi)容查找的相聯(lián)存儲(chǔ)器并行查找，也是可供選擇的技術(shù)途徑。一種經(jīng)快表與慢表實(shí)現(xiàn)內(nèi)部地址變換的方式如圖7.10所示。 圖7.10 使用快表和慢表實(shí)現(xiàn)虛實(shí)地址變換7.3.3 段頁式虛擬存儲(chǔ)器在段頁式虛擬存儲(chǔ)器中，把程序按邏輯結(jié)構(gòu)分段以后，再

24、把每段分成固定大小的頁。程序?qū)χ鞔娴恼{(diào)入調(diào)出是按頁面進(jìn)行的，但它又可以按段實(shí)現(xiàn)共享和保護(hù)。因此，它可以兼取頁式和段式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是在地址映像過程中需要多次查表，在這種系統(tǒng)中，虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址是通過一個(gè)段表和一組頁表來進(jìn)行定位的。段表中的每個(gè)表目對(duì)應(yīng)一個(gè)段，每個(gè)表目有一個(gè)指向該段的頁表的起始地址(頁號(hào))及該段的控制保護(hù)信息。由頁表指明該段各頁在主存中的位置以及是否已裝入、已修改等標(biāo)志。如果有多個(gè)用戶在機(jī)器上運(yùn)行，稱為多道程序，多道程序的每一道(每個(gè)用戶)需要一個(gè)基號(hào)(用戶標(biāo)志號(hào))，可由它指明該道程序的段表起點(diǎn)(存放在基址寄存器中)。這樣，虛擬地址應(yīng)包括基號(hào)D、段號(hào)S、頁號(hào)P、頁內(nèi)地

25、址d。格式如下：基號(hào)D 段號(hào)S 頁號(hào)P 頁內(nèi)地址d現(xiàn)舉例說明段頁式地址變換過程。如圖7.11所示。當(dāng)要訪問的程序地址為D道1段0頁4單元時(shí)，其地址變換過程如圖7.12所示 。圖7.11 段頁式存儲(chǔ)舉例 圖7.12 段頁式虛擬存儲(chǔ)器地址變換7.3.4 虛擬存儲(chǔ)器工作的全過程 對(duì)虛擬存儲(chǔ)器來說，程序員按虛存儲(chǔ)空間編制程序，在直接尋址方式下由機(jī)器指令的地址碼給出地址。這個(gè)地址碼就是虛地址，可由虛頁號(hào)及頁內(nèi)地址組成，如下所示：虛地址 虛頁號(hào)Nv 頁內(nèi)地址Nr這個(gè)虛地址實(shí)際上不是輔存的實(shí)地址，而是輔存的邏輯地址。因此，在虛擬存儲(chǔ)器中還應(yīng)有虛擬地址到輔存實(shí)地址的變換。輔存一般按信息塊編址，而不是按字編址，

26、若使一個(gè)塊的大小等于一個(gè)虛頁面的大小，這樣就只需把虛頁號(hào)變換到Nvd即可完成虛地址到輔存實(shí)地址的變換。為此，可采用頁表的方式，把由Nv變換成Nvd的表稱為外頁表，而把Nv變換到主存頁號(hào)的表稱為內(nèi)頁表。虛擬存儲(chǔ)器的工作全過程如圖7.13所示。圖7.13 多用戶虛擬存儲(chǔ)器工作過程 7.3.5 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)有兩大特點(diǎn)：(1) 允許用戶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。為了實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，并在頁面失效時(shí)(即被訪問的頁面不在主存)進(jìn)入操作系統(tǒng)環(huán)境，設(shè)置了由

27、硬件實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)管理部件MMU，而整個(gè)虛擬存儲(chǔ)器的管理是由MMU部件與操作系統(tǒng)共同完成的。7.4 相聯(lián)存儲(chǔ)器在cache和虛擬存儲(chǔ)器中，已經(jīng)用到按內(nèi)容尋址的相聯(lián)存儲(chǔ)器，在這里將討論相聯(lián)存儲(chǔ)器的基本概念。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?jī)?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。相聯(lián)存儲(chǔ)器的基本組成如圖7.14所示。 圖7.14 相聯(lián)存儲(chǔ)器框圖假如某高校學(xué)生入學(xué)考試總成績(jī)已存入相聯(lián)存儲(chǔ)器如圖7.15所示。今要求列出“總分”在560分60

28、0分范圍內(nèi)的考生名單。這可以用二次查找完成。為了進(jìn)行檢索，還要求相聯(lián)存儲(chǔ)器能進(jìn)行各種比較操作(相等、不等、小于、大于、求最大值和最小值等)。比較操作是并行進(jìn)行的，即CR中的關(guān)鍵字段與存儲(chǔ)器的所有W個(gè)字的相應(yīng)字段同時(shí)進(jìn)行比較。圖7.15 相聯(lián)存儲(chǔ)器檢索舉例相聯(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)、Prolog機(jī)中都有采用相聯(lián)存儲(chǔ)器的例子。7.5 存儲(chǔ)保護(hù)由于多個(gè)用戶對(duì)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。為此，系統(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(duì)于不是虛擬存儲(chǔ)器的主存系統(tǒng)可采用界限寄