計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第5章存儲系統(tǒng)課件

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第五章第五章 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)5.1 存儲系統(tǒng)介紹存儲系統(tǒng) 指計(jì)算機(jī)中由存放程序和數(shù)據(jù)的各種存儲設(shè)備、控制部件及管理信息調(diào)度的設(shè)備（硬件）和算法（軟件）所組成的系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一般使用具有層次結(jié)構(gòu)的存儲系統(tǒng)，主要可分為三個(gè)存儲層面：高速緩沖存儲器、主存儲器和輔助存儲器。 高速緩沖存儲器主要用于改善主存儲器與中央處理器（CPU）的速度匹配問題，而輔助存儲器則主要用于擴(kuò)大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲空間。5.1.1 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)層次存儲系統(tǒng)是指把各種不同存儲容量、存取速度、訪問方式和單位存儲價(jià)格的存儲器，按照一定的層次結(jié)構(gòu)組成多層存儲器，并通過管理軟件和輔助硬件有機(jī)組合

2、成統(tǒng)一的存儲體系，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用到的各種程序和數(shù)據(jù)層次的分布到各個(gè)存儲器中。輔助軟硬件輔助軟硬件主存主存輔存輔存圖5-1 主/輔存結(jié)構(gòu)5.1.1 5.1.1 存儲系統(tǒng)的定義存儲系統(tǒng)的定義 在一臺計(jì)算機(jī)中，通常有多種存儲器在一臺計(jì)算機(jī)中，通常有多種存儲器種類：種類：主存儲器、主存儲器、CacheCache、通用寄存器、緩沖存儲器、通用寄存器、緩沖存儲器、磁盤存儲器、磁帶存儲器、光盤存儲器等磁盤存儲器、磁帶存儲器、光盤存儲器等材料工藝：材料工藝：ECLECL、TTLTTL、MOSMOS、磁表面、激光，、磁表面、激光，SRAMSRAM，DRAMDRAM訪問方式：訪問方式：隨機(jī)訪問、直接譯碼、先進(jìn)

3、先出、隨機(jī)訪問、直接譯碼、先進(jìn)先出、 相聯(lián)訪問、相聯(lián)訪問、 塊傳送、文件組塊傳送、文件組 存儲器的主要性能：存儲器的主要性能：速度、容量、價(jià)格速度、容量、價(jià)格 速度速度用存儲器的訪問周期、讀出時(shí)間、頻帶寬度等表示。 容量容量用字節(jié)B、千字節(jié)KB、兆字節(jié)MB和千兆字節(jié)GB等單位表示。 價(jià)格價(jià)格用單位容量的價(jià)格表示，例如：$C/bit。 組成存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵：組成存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵：把速度、容量和價(jià)格不同的多個(gè)物理把速度、容量和價(jià)格不同的多個(gè)物理存儲器組織成一個(gè)存儲器，這個(gè)存儲器的速度最快，存儲容量存儲器組織成一個(gè)存儲器，這個(gè)存儲器的速度最快，存儲容量最大，單位容量的價(jià)格最便宜。最大，單位容量的價(jià)格最便

4、宜。1. 1. 存儲系統(tǒng)的定義存儲系統(tǒng)的定義 兩個(gè)或兩個(gè)以上速度、容量和價(jià)格各不相同的存儲器用硬件、兩個(gè)或兩個(gè)以上速度、容量和價(jià)格各不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個(gè)存儲系統(tǒng)。這軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個(gè)存儲系統(tǒng)。這個(gè)存儲系統(tǒng)對應(yīng)用程序員是透明的，并且，從應(yīng)用程序員看，它是個(gè)存儲系統(tǒng)對應(yīng)用程序員是透明的，并且，從應(yīng)用程序員看，它是一個(gè)存儲器，這個(gè)存儲器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲器，存儲一個(gè)存儲器，這個(gè)存儲器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲器，存儲容量與容量最大的那個(gè)存儲器相等，單位容量的價(jià)格接近最便宜的容量與容量最大的那個(gè)存儲器相等，單位容量

5、的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲器。那個(gè)存儲器。虛擬存儲器系統(tǒng)：對應(yīng)用程序員透明（通過操作系統(tǒng)的存儲管虛擬存儲器系統(tǒng)：對應(yīng)用程序員透明（通過操作系統(tǒng)的存儲管理系統(tǒng)調(diào)度）理系統(tǒng)調(diào)度）CacheCache存儲系統(tǒng)：對系統(tǒng)程序員及以上均透明（全部用硬件調(diào)存儲系統(tǒng)：對系統(tǒng)程序員及以上均透明（全部用硬件調(diào)度）度） 從從外外部部看看 T Tm mi in n（T T1 1，T T2 2，T Tn n） ，用用存存儲儲周周期期表表示示 S Sm ma ax x（S S1 1，S S2 2，S Sn n） ，用用M MB B或或G GB B表表示示 C Cm mi in n（C C1 1，C C2 2，C Cn n

6、） ，用用每每位位的的價(jià)價(jià)格格表表示示1 1( (T T1 1, ,S S1 1, ,C C1 1) )2 2( (T T2 2, ,S S2 2, ,C C2 2) )n n( (T Tn n, ,S Sn n, ,C Cn n) )由多個(gè)存儲器構(gòu)成的存儲系統(tǒng)由多個(gè)存儲器構(gòu)成的存儲系統(tǒng) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 程程 序序 員員 看看 ： 速速 度度 接接 近近 C Ca ac ch he e 的的 速速 度度 ， 存存 儲儲 容容 量量 是是 主主 存存 的的 容容 量量 ， 每每 位位 價(jià)價(jià) 格格 接接 近近 主主 存存 儲儲 器器 。C Ca ac ch he e 存存 儲儲 系系 統(tǒng)統(tǒng)C Ca a

7、c ch he e主主 存存 儲儲 器器n 在一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有兩種存儲系統(tǒng)：在一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有兩種存儲系統(tǒng)：CacheCache存儲系統(tǒng)：由存儲系統(tǒng)：由CacheCache和主存儲器構(gòu)成和主存儲器構(gòu)成 主要目的：提高存儲器速度主要目的：提高存儲器速度 應(yīng)應(yīng)用用程程序序員員看看： 速速度度接接近近主主存存儲儲器器的的速速度度， 存存儲儲容容量量是是虛虛擬擬地地址址空空間間， 每每位位價(jià)價(jià)格格接接近近磁磁盤盤存存儲儲器器。虛虛擬擬存存儲儲系系統(tǒng)統(tǒng)主主存存儲儲器器磁磁盤盤存存儲儲器器虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構(gòu)成虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構(gòu)成 主要目的：擴(kuò)大存儲器容量主要目的：擴(kuò)大存

8、儲器容量2.2.存儲系統(tǒng)的容量存儲系統(tǒng)的容量對存儲系統(tǒng)進(jìn)行編址的要求：對存儲系統(tǒng)進(jìn)行編址的要求：提供盡可能大的地址空間提供盡可能大的地址空間能夠隨機(jī)訪問能夠隨機(jī)訪問方法有兩種：方法有兩種：只對系統(tǒng)中存儲容量最大的那個(gè)存儲器進(jìn)行編址，其他存儲器只在內(nèi)部編址或不編址 CacheCache存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)另外設(shè)計(jì)一個(gè)容量很大的邏輯地址空間，把相關(guān)存儲器都映射這個(gè)地址空間中 虛擬存儲系統(tǒng)虛擬存儲系統(tǒng)3.3.存儲系統(tǒng)的價(jià)格存儲系統(tǒng)的價(jià)格計(jì)算公式：當(dāng)S2S1時(shí)，CC2 S2與S1不能相差太大 （S S，C C，T T）由由兩兩個(gè)個(gè)存存儲儲器器構(gòu)構(gòu)成成的的存存儲儲系系統(tǒng)統(tǒng)M1（S1，C1，T1）M2（S2，

9、C2，T2）CC SC SSS1122124. 4. 存儲系統(tǒng)的速度存儲系統(tǒng)的速度表示方法：表示方法：訪問周期、存取周期、存儲周期、存取時(shí)間等命中率定義：命中率定義：在在M1M1存儲器中訪問到的概率存儲器中訪問到的概率 其中：N1是對M1存儲器的訪問次數(shù) N2是對M2存儲器的訪問次數(shù)訪問周期與命中率的關(guān)系：訪問周期與命中率的關(guān)系： THT1(1H)T2 當(dāng)命中率H1時(shí)，TT1HNNN112存儲系統(tǒng)的訪問效率：存儲系統(tǒng)的訪問效率：訪問效率主要與命中率和兩級存儲器的速度之比有關(guān)訪問效率主要與命中率和兩級存儲器的速度之比有關(guān)例例3.13.1：假設(shè)T2T，在命中率H為0.9和0.99兩種情況下，分別計(jì)

10、算存儲系統(tǒng)的訪問效率。解：解：eTTTH TH THHf HTTTT11111122121()()(,)當(dāng)當(dāng)H H0.90.9時(shí)，時(shí)，e e1 11 1(0.9(0.95(15(10.9)0.9)0.720.72當(dāng)當(dāng)H H0.990.99時(shí)，時(shí)，e e2 21 1(0.99(0.995(15(10.99)0.99)0.960.96提高存儲系統(tǒng)速度的兩條途徑：提高存儲系統(tǒng)速度的兩條途徑：一是提高命中率一是提高命中率H H，二是兩個(gè)存儲器的速度不要相差太大二是兩個(gè)存儲器的速度不要相差太大其中：第二條有時(shí)做不到(如虛擬存儲器)，這時(shí)，只能依靠提依靠提高命中率高命中率例例5.25.2：在虛擬存儲系統(tǒng)中

11、，兩個(gè)存儲器的速度相差特別懸殊，例如：T2105 T。如果要使訪問效率到達(dá)e0.9，問需要有多高的命中率？解：解：0.9H90000(1-H)189999.1 H89999計(jì)算得：計(jì)算得： H0.999998888877777 0.9999990 9111 05.()HH5. 采用預(yù)取技術(shù)提高命中率采用預(yù)取技術(shù)提高命中率 方法：方法：不命中時(shí)，把不命中時(shí)，把M2存儲器中相鄰多個(gè)單存儲器中相鄰多個(gè)單元組成的一個(gè)數(shù)據(jù)塊取出來送入元組成的一個(gè)數(shù)據(jù)塊取出來送入M1存儲器中。存儲器中。 計(jì)算公式：計(jì)算公式： 其中：H是采用預(yù)取技術(shù)之后的命中率 H是原來的命中率 n為數(shù)據(jù)塊大小與數(shù)據(jù)重復(fù)使用次數(shù)的乘積HH

12、nn1例例5.35.3：在一個(gè)Cache存儲系統(tǒng)中， T25T1。當(dāng)Cache的塊大小為一個(gè)字時(shí)，命中率H0.8。假設(shè)數(shù)據(jù)的重復(fù)利用率為5，Cache塊大小為個(gè)字，Cache存儲系統(tǒng)的命中率？并分別計(jì)算訪問效率。99. 0201208 . 01 2nnHH0.558 .1/10.8)5(1(0.81e10.8H:Cache訪問效率為：，塊大小為一個(gè)字時(shí)當(dāng)0.9604. 1/10.99)5(1(0.991e2 0.99H:4Cache2訪問效率為：，個(gè)字時(shí)塊大小為當(dāng)解：解：n4520， 采用預(yù)取技術(shù)之后，命中率提高到：)2.(.4096140968 .0 )1.(.105) 1 ( 19 .0m

13、mHHH例例5.45.4：在一個(gè)虛擬存儲系統(tǒng)中，T2105 T，原來的命中率只有0.8，如果訪問磁盤存儲器的數(shù)據(jù)塊大小為4K字，并要求訪問效率不低于0.9，計(jì)算數(shù)據(jù)在主存儲器中的重復(fù)利用率至少為多少？解：解：假設(shè)數(shù)據(jù)在主存儲器中的重復(fù)利用率為m，根據(jù)前面給出的關(guān)系，有如下方程組：解方程組：解方程組： 由方程(1)得到：0.9H+90000-90000H=1)3.(.1 .8999989999:解這個(gè)方程得H次。復(fù)利用率至少為數(shù)據(jù)在主存儲器中的重44mm4096140968 .0 1 .8999989999:)2()3(得到代入把2 . 01 .8999940961 .8999940968999

14、9mm82.179996 .409m5.1.2 5.1.2 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)多個(gè)層次的存儲器多個(gè)層次的存儲器： 第第1 1層：層：Register Files(Register Files(寄存器堆寄存器堆) ) 第第2 2層：層： Buffers(Lookahead)(Buffers(Lookahead)(先行緩沖站先行緩沖站) ) 第第3 3層：層： Cache(Cache(高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器) ) 第第4 4層：層： Main Memory(Main Memory(主存儲器主存儲器) ) 第第5 5層：層： Online Storage(Online Sto

15、rage(聯(lián)機(jī)存儲器聯(lián)機(jī)存儲器) ) 第第6 6層：層： Off-line Storage(Off-line Storage(脫機(jī)存儲器脫機(jī)存儲器) )用用i i表示層數(shù)，表示層數(shù)，則有：工作周期工作周期T Ti iT Ti i+1+1， 存儲容量：存儲容量：S Si iS Si i+1+1，單位單位價(jià)格：價(jià)格：C Ci iC Ci+1i+1 第第 1 層層 第第 2 層層 第第 3 層層 第第 4 層層 第第 5 層層 第第 6 層層CPU內(nèi)內(nèi)部部通通用用寄寄存存器器堆堆聯(lián)聯(lián)機(jī)機(jī)外外部部存存儲儲器器（磁磁盤盤存存儲儲器器等等）脫脫機(jī)機(jī)外外部部存存儲儲器器（磁磁帶帶，光光盤盤存存儲儲器器等等）

16、指指令令和和數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩沖沖棧棧C Ca ac ch he e（靜靜態(tài)態(tài)隨隨機(jī)機(jī)存存儲儲器器）SRAM）主主存存儲儲器器（動動態(tài)態(tài)隨隨機(jī)機(jī)存存儲儲器器 DRAM）存存儲儲容容量量越越來來越越大大每每位位的的價(jià)價(jià)格格越越來來越越便便宜宜訪訪問問速速度度越越來來越越快快各級存儲器的主要主要性能特性各級存儲器的主要主要性能特性 CPUCPU與主存儲器的速度差距越來越大與主存儲器的速度差距越來越大 目前相差目前相差兩個(gè)數(shù)量級 今后今后CPUCPU與主存儲器的速度差距會更大與主存儲器的速度差距會更大存存儲儲器器層層次次 通通用用寄寄存存器器 緩緩沖沖棧棧 C Ca ac ch he e 主主存存儲儲器器

17、 磁磁盤盤存存儲儲器器 脫脫機(jī)機(jī)存存儲儲器器 存存儲儲周周期期 1 10 0n ns s 1 10 0n ns s 1 10 06 60 0n ns s 6 60 03 30 00 0n ns s 1 10 03 30 0m ms s 2 22 20 0m mi in n 存存儲儲容容量量 5 51 12 2B B 30003000字字5.5 虛擬存儲器10P024 . 01H15Pn1541545.5 虛擬存儲器時(shí)時(shí)間間t t1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 0實(shí)實(shí)際際頁頁地地址址流流P P1 1P P2 2P P1 1P P5 5P P4 4P P1 1P P

18、3 3P P4 4P P2 2P P4 4命命中中次次數(shù)數(shù)1 11 11 11 1* *4 44 44 4* *4 4* *2 22 2先先進(jìn)進(jìn)先先出出算算法法2 22 22 22 2* *1 11 11 11 1* *4 4（F FI IF FO O 算算法法）5 55 55 5* *3 33 33 33 3* *調(diào)調(diào)入入 調(diào)調(diào)入入 命命中中 調(diào)調(diào)入入 替替換換 替替換換 替替換換 命命中中 替替換換 替替換換2 2 次次1 11 11 11 11 11 11 11 1* *2 22 2最最久久沒沒有有使使用用算算法法2 22 22 2* *4 44 44 4* *4 44 44 4（L L

19、R RU U 算算法法）5 55 5* *5 5* *3 33 33 3* *3 3* *調(diào)調(diào)入入 調(diào)調(diào)入入 命命中中 調(diào)調(diào)入入 替替換換 命命中中 替替換換 命命中中 替替換換 命命中中4 4 次次1 11 11 11 11 11 1* *3 3* *3 3* *3 33 3最最優(yōu)優(yōu)替替換換算算法法2 22 22 22 2* *2 22 22 22 22 2（O OP PT T 算算法法）5 5* *4 44 44 44 44 44 4調(diào)調(diào)入入 調(diào)調(diào)入入 命命中中 調(diào)調(diào)入入 替替換換 命命中中 替替換換 命命中中 命命中中 命命中中5 5 次次三三種種頁頁面面替替換換算算法法對對同同一一個(gè)個(gè)

20、頁頁地地址址流流的的調(diào)調(diào)度度過過程程155155例例5.10：一個(gè)循環(huán)程序，依次使用一個(gè)循環(huán)程序，依次使用P1P1，P2P2，P3P3，P4P4四個(gè)頁面，分配給這個(gè)程序的主存四個(gè)頁面，分配給這個(gè)程序的主存頁面數(shù)為頁面數(shù)為3 3個(gè)。個(gè)。 在在FIFOFIFO和和LRULRU算法中，總是發(fā)生下次將算法中，總是發(fā)生下次將要使用的頁面在本次被替換出去的情況，要使用的頁面在本次被替換出去的情況，這就是這就是“顛簸顛簸”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。5.5 虛擬存儲器1561565.5 虛擬存儲器時(shí)時(shí)間間 t t1 12 23 34 45 56 67 78 8實(shí)實(shí)際際頁頁地地址址流流P P1 1P P2 2P P3 3P

21、P4 4P P1 1P P2 2P P3 3P P4 4命命中中次次數(shù)數(shù)1 11 11 1* *4 44 44 4* *3 33 3先先進(jìn)進(jìn)先先出出算算法法2 22 22 2* *1 11 11 1* *4 4（F FI IF FO O 算算法法）3 33 33 3* *2 22 22 2* *調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入替替換換替替換換替替換換替替換換替替換換0 0 次次1 11 11 1* *4 44 44 4* *3 33 3最最久久沒沒有有使使用用算算法法2 22 22 2* *1 11 11 1* *4 4（L LR RU U 算算法法）3 33 33 3* *2 22 22 2* *調(diào)

22、調(diào)入入調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入替替換換替替換換替替換換替替換換替替換換0 0 次次1 11 11 11 11 1* *1 11 11 1最最優(yōu)優(yōu)替替換換算算法法2 22 22 22 22 2* *3 3* *3 3（O OP PT T 算算法法）3 3* *4 4* *4 44 44 44 4* *調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入替替換換命命中中命命中中替替換換命命中中3 3 次次1571575.5 虛擬存儲器2、堆棧型替換算法、堆棧型替換算法 定義：定義：對任意一個(gè)程序的頁地址流作對任意一個(gè)程序的頁地址流作兩次主存頁面數(shù)分配，分別分配兩次主存頁面數(shù)分配，分別分配 m 個(gè)主存?zhèn)€主存頁面和頁面和 n 個(gè)主存頁面

23、，并且有個(gè)主存頁面，并且有 mn。如果如果在任何時(shí)刻在任何時(shí)刻 t，主存頁面數(shù)集合主存頁面數(shù)集合 Bt 都滿足都滿足關(guān)系：關(guān)系：Bt（m） Bt（n），），則這類算法稱則這類算法稱為堆棧型替換算法。為堆棧型替換算法。 1581585.5 虛擬存儲器 堆棧型算法的基本特點(diǎn)是：堆棧型算法的基本特點(diǎn)是： 隨著分配給程序的主存頁面數(shù)增加，主隨著分配給程序的主存頁面數(shù)增加，主存的命中率也提高，至少不下降存的命中率也提高，至少不下降1591595.5 虛擬存儲器時(shí)時(shí)間間t t1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 0 1 11 1 1 12 2實(shí)實(shí)際際頁頁地地址址流流P P1 1

24、P P2 2 P P3 3 P P4 4 P P1 1 P P2 2 P P5 5 P P1 1 P P2 2 P P3 3 P P4 4 P P5 5命命中中次次數(shù)數(shù)1 11 11 1* *4 44 44 4* *5 55 55 55 55 5* * 5 5* *主主存存頁頁面面數(shù)數(shù)2 22 22 2* *1 11 11 1* * 1 1* * 1 1* *3 33 33 3N N3 33 33 33 3* *2 22 22 22 22 2* *4 44 4調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入替替換換替替換換替替換換替替換換命命中中命命中中替替換換替替換換命命中中3 3次次1 11 11 11 11 1

25、* * 1 1* *5 55 55 55 5* *4 44 4主主存存頁頁面面數(shù)數(shù)2 22 22 22 22 2* * 2 2* *1 11 11 11 1* *5 5N N4 43 33 33 33 33 33 3* *2 22 22 22 2* *4 44 44 44 44 44 4* *3 33 33 3調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入調(diào)調(diào)入入命命中中命命中中替替換換替替換換替替換換替替換換替替換換替替換換2 2次次F FI IF FO O算算法法在在主主存存頁頁面面數(shù)數(shù)增增加加時(shí)時(shí)命命中中率率反反而而下下降降160160$5提高主存命中率的方法提高主存命中率的方法u影響主存命中率的主要因素：影

26、響主存命中率的主要因素： (1)(1)程序在執(zhí)行過程中的頁地址流分布程序在執(zhí)行過程中的頁地址流分布情況。情況。 (2) (2)所采用的頁面替換算法。所采用的頁面替換算法。 (3) (3)頁面大小。頁面大小。 (4) (4)主存儲器的容量主存儲器的容量 (5) (5)所采用的頁面調(diào)度算法所采用的頁面調(diào)度算法5.5 虛擬存儲器161161以下，對后三個(gè)因素進(jìn)行分析。以下，對后三個(gè)因素進(jìn)行分析。1、頁面大小與命中率的關(guān)系、頁面大小與命中率的關(guān)系 頁面大小為某個(gè)值時(shí)，命中率達(dá)到最大。頁面大小為某個(gè)值時(shí)，命中率達(dá)到最大。u頁面大小與命中率關(guān)系的解釋：頁面大小與命中率關(guān)系的解釋： 假設(shè)假設(shè)AtAt和和At

27、+1At+1是相鄰兩次訪問主存的邏是相鄰兩次訪問主存的邏輯地址，輯地址，d dAtAtAt+1At+1。 如果如果Sp，隨著隨著Sp增大，增大，At和和At+1在同一頁面的可能性增加，即隨著在同一頁面的可能性增加，即隨著Sp的的增大而提高。增大而提高。5.5 虛擬存儲器162162如果如果Sp，At和和At+1一定不在同一個(gè)頁一定不在同一個(gè)頁面內(nèi)。隨著面內(nèi)。隨著Sp增大，主存頁面數(shù)減少，頁面增大，主存頁面數(shù)減少，頁面替換更加頻繁。隨著替換更加頻繁。隨著Sp的增大而降低。的增大而降低。當(dāng)當(dāng)SpSp比較小的時(shí)候，前一種情況是主要的，比較小的時(shí)候，前一種情況是主要的，隨著隨著SpSp的增大而提高。當(dāng)

28、的增大而提高。當(dāng)SpSp達(dá)到某一個(gè)最達(dá)到某一個(gè)最大值之后，后一種情況成為主要的，隨著大值之后，后一種情況成為主要的，隨著SpSp的增大而降低。的增大而降低。5.5 虛擬存儲器163163當(dāng)頁面大小當(dāng)頁面大小增大時(shí)，造增大時(shí)，造成的浪費(fèi)也成的浪費(fèi)也要增加。要增加。當(dāng)頁面大小當(dāng)頁面大小減小時(shí)，頁減小時(shí)，頁表和頁面表表和頁面表在主存儲器在主存儲器中所占的比例將增加中所占的比例將增加5.5 虛擬存儲器頁面大小頁面大小 SP命中率命中率 H1S2 S1641642、主存容量與命中率的關(guān)系、主存容量與命中率的關(guān)系 主存命中率主存命中率H隨著分配給該程序的主隨著分配給該程序的主存容量存容量S的增加而單調(diào)上升

29、。的增加而單調(diào)上升。 在在S S比較小的時(shí)候，比較小的時(shí)候，H H提高得非?？?。提高得非?？?。隨著隨著S S的逐漸增加，的逐漸增加，H H提高的速度逐漸降低。提高的速度逐漸降低。當(dāng)當(dāng)S S增加到某一個(gè)值之后，增加到某一個(gè)值之后，H H幾乎不再提高。幾乎不再提高。5.5 虛擬存儲器1651655.5 虛擬存儲器1.0命命中中率率H 主 存 容 量 S1661663、頁面調(diào)度方式與命中率的關(guān)系、頁面調(diào)度方式與命中率的關(guān)系u 請求式請求式：當(dāng)使用到的時(shí)候，再調(diào)入主：當(dāng)使用到的時(shí)候，再調(diào)入主存存u 預(yù)取式預(yù)取式：在程序重新開始運(yùn)行之前，：在程序重新開始運(yùn)行之前，把上次停止運(yùn)行前一段時(shí)間內(nèi)用到的頁面把上

30、次停止運(yùn)行前一段時(shí)間內(nèi)用到的頁面先調(diào)入到主存儲器，然后才開始運(yùn)行程序。先調(diào)入到主存儲器，然后才開始運(yùn)行程序。5.5 虛擬存儲器167167u預(yù)取式的主要優(yōu)點(diǎn)預(yù)取式的主要優(yōu)點(diǎn)： 可以避免在程序開始運(yùn)行時(shí)，頻繁發(fā)生頁可以避免在程序開始運(yùn)行時(shí)，頻繁發(fā)生頁面失效的情況。面失效的情況。u預(yù)取式的主要缺點(diǎn)：預(yù)取式的主要缺點(diǎn)： 如果調(diào)入的頁面用不上，浪費(fèi)了調(diào)入的時(shí)如果調(diào)入的頁面用不上，浪費(fèi)了調(diào)入的時(shí)間，占用了主存的資源。間，占用了主存的資源。5.5 虛擬存儲器5.6 進(jìn)程保護(hù)和虛擬存儲器實(shí)例在多道程序中，計(jì)算機(jī)資源可以被多道同時(shí)運(yùn)行的用戶程序所共享。為使系統(tǒng)能夠正常工作，應(yīng)防止由于一個(gè)用戶程序出錯(cuò)而破壞主存

31、中其他用戶的程序和數(shù)據(jù)，還要防止一個(gè)用戶不合法地訪問主存中不是分配給它的存儲區(qū)域而造成對系統(tǒng)的破壞，即使這種訪問不會引起破壞也是不允許的。操作系統(tǒng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要為存儲系統(tǒng)的安全提供保護(hù)手段。5.6.1 進(jìn)程保護(hù)保證進(jìn)程的正確和安全運(yùn)行既是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者也是操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的責(zé)任。保護(hù)的手段主要是：將主存區(qū)域分為幾個(gè)區(qū)域，使得主存中可以同時(shí)存放多個(gè)不同進(jìn)程的狀態(tài)；并對每個(gè)存儲區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，使一個(gè)進(jìn)程的信息不被另一個(gè)進(jìn)程所修改。存儲系統(tǒng)的保護(hù)分為： (1)存儲區(qū)域的保護(hù)，可用一對寄存器(即界限寄存器)來檢查每一個(gè)地址，以確保地址在兩個(gè)界限之間。 (2)訪問保護(hù)，由系統(tǒng)軟件設(shè)置用戶進(jìn)程訪存的地址上下界，禁

32、止了訪問越界。5.6.1 進(jìn)程保護(hù)(續(xù)1)在虛擬存儲系統(tǒng)中，由于用戶程序的訪問空間映射到主存后將不是一個(gè)連續(xù)的地址空間，而將分布在主存中的各個(gè)頁面，因此不適用以上述保護(hù)方式。在虛擬存儲系統(tǒng)中，將采用更細(xì)微的方法： (1)映射表保護(hù)法，利用映射表的映射關(guān)系來限制用戶程序的訪問地址空間，用戶程序不能訪問映射表上找不到的主存頁面，從而起到保護(hù)作用。 (2)鍵保護(hù)，由操作系統(tǒng)根據(jù)主存使用分配的情況，給主存中的每一頁分配一個(gè)存儲鍵，相當(dāng)于保護(hù)鎖。所有頁的存儲鍵是在主存相應(yīng)的快速寄存器內(nèi)，當(dāng)用戶訪問這些頁面時(shí)，需要一個(gè)訪問鍵，相當(dāng)于鑰匙，來打開這把鎖。5.6.1 進(jìn)程保護(hù)(續(xù)2)(3)環(huán)保護(hù)，把系統(tǒng)程序和用戶程序按其重要性及其訪問權(quán)限進(jìn)行分層。最內(nèi)的幾層是系統(tǒng)程序的分層，之外的幾層是同一用戶程序的分層，保護(hù)級別由里向外逐層降低。5.6.2 Alpha 21064存儲管理Alpha處理機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用段頁相結(jié)合的方式，既提供了存儲保護(hù)，又將頁表減少到最小。Alpha根據(jù)64位地址的最高兩位將地址空間分為3個(gè)段：seg0(最高位63位為0)，seg1(最高兩位63和62位都為1)和kseg(最高位63位為1，次高位62位為0)。其中，seg0用于存儲用戶代碼和堆，seg1用作用戶棧，kseg是操作系統(tǒng)內(nèi)核段。kseg是留給操作系統(tǒng)內(nèi)核使用的，并且整個(gè)空間具有相同的保護(hù)權(quán)限，不需要存儲管理。s