第7章 存儲系統(tǒng)

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

2、待磁帶移動到合適位置后才能順序讀寫，需要耗費較多時間，稱為順序存取存儲器。而磁盤存儲器對信息的存取包括兩個操作： 磁頭直接移動到信息所在區(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，是直接存取存儲器。7.1 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)衡量存儲器有三個指標(biāo)： 容量、速度和價格位。一般來講，速度高的存儲器，每位價格也高，因此容量不能太大。早期計算機主存容量很小(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，程序員必須花費很大精力和時間把大程序預(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)先安排好程序運行時各塊如何和何時調(diào)入調(diào)出?，F(xiàn)代計算機主存儲器容量

3、已達幾十M字節(jié)到幾百M字節(jié)，但是程序?qū)Υ鎯θ萘康囊笠蔡岣吡?，因此仍存在存儲空間的分配問題。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)一成了一個整體，形成了一個存儲層次。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，而每位平均價格也接近于廉價的慢速的輔存平均價格。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系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，應(yīng)用程序員可用機器指令地址碼對整個程序統(tǒng)一編址，如同程序員具有對應(yīng)這個地址碼寬度的全部虛存空間一樣。該空間可以比主存實際空間大得多，以致可以存得下整個程序。 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，其對應(yīng)的存儲容量稱為虛存容量或虛存空間；而把實際主存的地址稱為物理地址或?qū)?存)地址，其對應(yīng)的存儲容量稱為主存容量、實存容量或?qū)?主)存空間。當(dāng)CPU用虛地址訪問主存時，機器自動地把它經(jīng)輔助軟件、硬件變換成主存實地址。察看這個地址所對應(yīng)的單元內(nèi)容是否已經(jīng)裝入主存，如果在主存就進行訪問，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，而后進行訪問。這些操作都不必由程序員來安排，也就是說，對應(yīng)用程序員是透明的。主-輔存層次滿足了存儲器的大容量和低成本需求。在速度方面，計算機的主存和CPU一直保持了大約一個數(shù)量級的差距。顯然這個差距限制了CPU速度

5、潛力的發(fā)揮。為了彌合這個差距，必須進一步從計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上去研究。設(shè)置高速緩沖存儲器(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-主存這兩種存儲層次?，F(xiàn)代大多數(shù)計算機同時采用這兩種存儲層次

6、，構(gòu)成cache-主存-輔存三級存儲層次如圖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)代計算機的典型存儲結(jié)構(gòu)。圖7.1 三層存儲系統(tǒng)7.2.1 cache工作原理 在一個較短的時間間隔內(nèi)，地址往往集中在存儲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，對程序地址的訪問就自然地具有相對集中的傾向。數(shù)據(jù)分布的這種集中傾向不如指令明顯，但對數(shù)組的存儲和訪問以及工作單元的選擇都可以使存儲器地址相對集中。這種對局部范圍的存儲器地址頻繁訪問，而對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 高速緩沖存儲器(cache) 根據(jù)局部性原理，可以在主存和CPU之間設(shè)置一個高速的容量相對較小的存儲器，如果當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)存放在這個存儲器中，當(dāng)程序運行時，不必從主存儲器取指令和取數(shù)據(jù)，而訪問這個高速存儲器即可，所以提高了程序運行速度，這個存儲器稱作高速緩沖存儲器(cache)。cache存儲器介于CPU和主存之間，它的工作速度數(shù)倍于主存，全部功能由硬件實現(xiàn)，并且對程序員是透明的。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的存儲容量比主存的容量小得多，但不能太小，太小會使命中率太低；也沒有必要過大，過大不僅會增加成本，而且當(dāng)容量超過一定值后，命中率隨容量的增加將不會有明顯地增長。但隨著芯片價格的下降，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)，甚至達到幾M字節(jié)。在從主存讀出新的字塊調(diào)入cache存儲器時，如果遇到cache存儲器中相應(yīng)的位置已被其他字塊占有，那么就必須去掉一個舊的字塊，讓位于一個新的字塊。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間內(nèi)估計最少使用的。這些

9、規(guī)則稱為替換策略或替換算法，由替換部件加以實現(xiàn)。cache存儲器中保存的字塊是主存中相應(yīng)字塊的一個副本。如果程序執(zhí)行過程中要對該字塊的某個單元進行寫操作，就會遇到如何保持cache與主存的一致性問題。通常有兩種寫入方式： 一種方式是暫時只向cache存儲器寫入，并用標(biāo)志加以注明，直到經(jīng)過修改的字塊被從cache中替換出來時才一次寫入主存；第二種方式是每次寫入cache存儲器時也同時寫入主存，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)，又稱寫直達法。這種方式實現(xiàn)簡單，且能隨時保持主存數(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存儲器時，寫操作直接對主存進行，而不寫入cache存儲器。為了說明標(biāo)記是否有效，每個標(biāo)記至少還應(yīng)設(shè)置一個有效位，當(dāng)機器剛加電啟動時，總機的reset信號或執(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，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，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的存儲器，其平均存取時間計算如下：設(shè)cache的存取時間為tc，命中率為h，主存的存取時間為tM，則平均存取時間=htc+(1-h)(tc+tM)。7.2.2 cache存儲器組織 1. 地址映像為了把信息放到cache存儲器中，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，應(yīng)將主存地址變換成cache地址，這個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)主存儲器空間被分為Mm(0)，Mm(1)，Mm(i)，Mm(2m-1)共2m個塊，字塊大小為2b個字；cache存儲空間被分為Mc(0)，Mc(1)，Mc(j)，Mc(2c-1)共2c個同樣大小的塊。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，i是主存的字塊號。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)點是實現(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cache存儲器中。 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，它就成為直接映像方式；當(dāng)r=c時，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存儲器而它的可用位置又已被占滿時，就產(chǎn)生替換算法問題。先介紹兩種替換算法： 先進先出(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存儲器的字塊替換出去，它不需要隨時記錄各個字塊的使用情況，所以實現(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記錄cache存儲器中各個字塊的使用情況，以便確定那個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，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)。另外還有一種隨機替換法(RAND)，這種算法不考慮使用情況，在組內(nèi)隨機選擇一塊來替換。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存儲器 1. 指令cache和數(shù)據(jù)cache計算機開始實現(xiàn)cache時，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，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)的空間可以自動調(diào)

16、劑）。但是存取數(shù)據(jù)的操作經(jīng)常會與取指令的操作發(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分開而成為兩個相互獨立的cache(哈佛結(jié)構(gòu))。2. 多層次cache結(jié)構(gòu)近年來新設(shè)計的微處理芯片將cache分級集成在片內(nèi)。一般片內(nèi)包含有一級幾十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簡單。CPU每個核心各有一個幾百KB的二級緩存， 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cache，三級緩存中包含了所有處理核心的二級緩存所存儲的內(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：Haswell；四核心；八線程；22納米制作工藝；熱設(shè)計功耗(TDP)：84WuCPU緩存一級緩存：264KB；二級緩存：4256KB；三級緩存：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)長度u命中率：讀取一級緩存的命中率為80%。也就是說CPU一級緩存中找到的有用數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)總量的80%，讀取二級緩存的命中率也在80%左右（從二級緩存讀到有用的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的16%），在擁有三級緩存的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,其內(nèi)容才被寫回到主存相應(yīng)的塊）uSmart Cache（智能高速緩存）：共享二級緩存技術(shù)，每個核心都可以動態(tài)支配全部二級高速緩存酷睿cpu的CacheCache的四大基本問題1）映像機構(gòu)（Cache的基本結(jié)構(gòu)）在Cache中為每個行設(shè)置了一個標(biāo)志以指明該行對應(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）替換算法先進先出算法（FIFO）、近期最少使用算法（LRU）、隨機替換算法4）寫策略寫透策略、寫回策略Cache小結(jié)7.3 虛擬存儲器7

19、.3.1 主存輔存層次信息傳送單位和存儲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)劃分成的多個相對獨立部分。段作為獨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)、段起點、段長等。段表本身也是主存儲器的一個可再定位段。圖7.7 段式管理主存按段分配的存儲管理方式稱為段式管理。其優(yōu)點是段的分界與程序的自然分界相對應(yīng)；段的邏輯獨立性使它易于編譯、管理、修改和保護，也便于多道程序共享。其缺點是容易在段間留

20、下許多空余的零碎存儲空間不好利用，造成浪費。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)入主存也很容易掌握，只要有空白頁面就可。可能造成浪費的是程序最后一頁的零頭，它比段式管理系統(tǒng)的空間浪費要小得多。頁式管理系統(tǒng)的缺點正好和段式管理系統(tǒng)相反，由于頁不是邏輯上獨立的實體，所以處理、保護和共享都不及段式來得方便。圖7.8表示某個程序有5頁(邏輯頁號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及其所對應(yīng)的實主存頁號，頁表是由操作系統(tǒng)建立的。圖7.13中邏輯頁號0，1，3已分配實主存空間，所以裝入位為1。段式和頁式存儲管理各有其優(yōu)缺點，

21、可以采用段和頁結(jié)合的段頁式存儲管理系統(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(每段一個頁表)進行兩級管理。圖7.8 頁式管理7.3.2 頁式虛擬存儲器 在頁式虛擬存儲系統(tǒng)中，把虛擬空間分成頁，主存空間也分成同樣大小的頁，稱為實頁或物理頁，而把前者稱為虛頁或邏輯頁。假設(shè)虛頁號為0，1，2，m，實頁號為0，1，l，顯然有ml。由于頁的大小都取2的整數(shù)冪個字，所以，頁的起點都落在低位字段為零的地址上?？砂烟摂M地址分為兩個字段，高位字段為虛頁號，低位字段為頁內(nèi)字地址。虛擬地址到主存實地址的變換是由頁表來實現(xiàn)的。在頁表中，對應(yīng)每一個虛存頁號有一個表目，表目內(nèi)容至少要包含

22、該虛頁所在的主存頁面地址(頁面號)，用它作為實(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 頁式虛擬存儲器結(jié)構(gòu)通常，在頁表的表項中還包括裝入位(有效位)、修改位、替換控制位及其他保護位等組成的控制字。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，啟動輸入輸出子系統(tǒng)，根據(jù)外頁表項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)主存儲器中，那么，在訪問存儲器時，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，把頁表的最活動部分存放在快速存儲器中組成快表，這是減少時間開銷的一種方法。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 使用快表和慢表實現(xiàn)虛實地址變換7.3.3 段頁式虛擬存儲器在段頁式虛擬存儲器中，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)出是按頁面進行的，但它又可以按段實現(xiàn)共享和保護。因此，它可以兼取頁式和段式系統(tǒng)的優(yōu)點。它的缺點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段表和一組頁表來進行定位的。段表中的每個表目對應(yīng)一個段，每個表目有一個指向該段的頁表的起始地址(頁號)及該段的控制保護信息。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。如果有多個用戶在機器上運行，稱為多道程序，多道程序的每一道(每個用戶)需要一個基號(用戶標(biāo)志號)，可由它指明該道程序的段表起點(存放在基址寄存器中)。這樣，虛擬地址應(yīng)包括基號D、段號S、頁號P、頁內(nèi)地

25、址d。格式如下：基號D 段號S 頁號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，其地址變換過程如圖7.12所示 。圖7.11 段頁式存儲舉例 圖7.12 段頁式虛擬存儲器地址變換7.3.4 虛擬存儲器工作的全過程 對虛擬存儲器來說，程序員按虛存儲空間編制程序，在直接尋址方式下由機器指令的地址碼給出地址。這個地址碼就是虛地址，可由虛頁號及頁內(nèi)地址組成，如下所示：虛地址 虛頁號Nv 頁內(nèi)地址Nr這個虛地址實際上不是輔存的實地址，而是輔存的邏輯地址。因此，在虛擬存儲器中還應(yīng)有虛擬地址到輔存實地址的變換。輔存一般按信息塊編址，而不是按字編址，

26、若使一個塊的大小等于一個虛頁面的大小，這樣就只需把虛頁號變換到Nvd即可完成虛地址到輔存實地址的變換。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變換到主存頁號的表稱為內(nèi)頁表。虛擬存儲器的工作全過程如圖7.13所示。圖7.13 多用戶虛擬存儲器工作過程 7.3.5 存儲管理部件(MMU)現(xiàn)代計算機一般都有輔助存儲器，但具有輔存的存儲系統(tǒng)不一定是虛擬存儲系統(tǒng)。虛擬存儲系統(tǒng)有兩大特點：(1) 允許用戶用比主存空間大得多的空間來訪問主存。(2) 每次訪存都要進行虛實地址的轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，并在頁面失效時(即被訪問的頁面不在主存)進入操作系統(tǒng)環(huán)境，設(shè)置了由

27、硬件實現(xiàn)的存儲管理部件MMU，而整個虛擬存儲器的管理是由MMU部件與操作系統(tǒng)共同完成的。7.4 相聯(lián)存儲器在cache和虛擬存儲器中，已經(jīng)用到按內(nèi)容尋址的相聯(lián)存儲器，在這里將討論相聯(lián)存儲器的基本概念。相聯(lián)存儲器不按地址訪問存儲器，而按所存數(shù)據(jù)字的全部內(nèi)容或部分內(nèi)容進行查找(或檢索)。例如，在虛擬存儲器中，將虛地址的虛頁號與相聯(lián)存儲器中所有行的虛頁號進行比較，若有內(nèi)容相等的行，則將其相應(yīng)的實頁號取出，這是按數(shù)據(jù)字的部分內(nèi)容進行檢索的例子。相聯(lián)存儲器的基本組成如圖7.14所示。 圖7.14 相聯(lián)存儲器框圖假如某高校學(xué)生入學(xué)考試總成績已存入相聯(lián)存儲器如圖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。為了進行檢索，還要求相聯(lián)存儲器能進行各種比較操作(相等、不等、小于、大于、求最大值和最小值等)。比較操作是并行進行的，即CR中的關(guān)鍵字段與存儲器的所有W個字的相應(yīng)字段同時進行比較。圖7.15 相聯(lián)存儲器檢索舉例相聯(lián)存儲器除了應(yīng)用于虛擬存儲器與cache中以外，還經(jīng)常用于數(shù)據(jù)庫與知識庫中按關(guān)鍵字進行檢索。從按地址訪問的存儲器中檢索出某一單元，平均約進行m/2次操作(m為存儲單元數(shù))，而在相聯(lián)存儲器中僅需要進行一次檢索操作，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，在語音識別、圖像處理、數(shù)據(jù)流計算機、Prolog機中都有采用相聯(lián)存儲器的例子。7.5 存儲保護由于多個用戶對主存的共享，就有多個用戶程序和系統(tǒng)軟件存于主存中。為使系統(tǒng)能正常工作，要防止由于一個用戶程序出錯而破壞其他用戶的程序和系統(tǒng)軟件，還要防止一個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)提供存儲保護。存儲保護主要包括兩個方面：存儲區(qū)域保護和訪問方式的保護。1. 存儲區(qū)域保護對于不是虛擬存儲器的主存系統(tǒng)可采用界限寄