第4章-计算机系统结构(第五版)李学干.pptVIP

　　 　　 从CPU看，速度是接近于主存的，容量是辅存的，每位价格是接近于辅存的。 　　因主存速度满足不了要求而引出了Cache存储器。在CPU和主存之间增设高速、小容量、每位价格较高的Cache，用辅助硬件将其和主存构成整体，如图4 - 2所示，称之为Cache存储器(或称为Cache-主存存储层次)。 　　由二级存储层次可组合成如图4 - 3所示的多级存储层次。从CPU看，它是一个整体， 有接近于最高层M1的速度，最低层Mn的容量，并有接近于最低层Mn的每位价格。 4.1.2 存储体系的构成依据　　为了使存储体系能有效地工作，当CPU要用到某个地址的内容时，总希望它已在速度最快的M1中，这就要求未来被访问信息的地址能预知，这对存储体系的构成是非常关键的。 　　由图4 - 5可知，要使访问效率e趋于1，在r值越大时，就要求命中率H越高。为了降低对H的要求，可以减小相邻二级存储器的访问速度比，还可减小相邻二级存储器的容量比，也能提高H，但这与为降低每位平均价格而要求容量比要大相矛盾。 4.2.1 虚拟存储器的管理方式　　虚拟存储器通过增设地址映像表机构来实现程序在主存中的定位。根据存储映像算法的不同，可有多种不同存储管理方式的虚拟存储器，其中主要有段式、页式和段页式三种。  　　1. 段式管理　　程序都有模块性，一个复杂的大程序总可以分解成多个在逻辑上相对独立的模块。 　　为了进行段式管理，每道程序在系统中都有一个段(映像)表来存放该道程序各段装入主存的状况信息。参看图4 - 6，段表中的每一项(对应表中的每一行)描述该道程序一个段的基本状况，由若干个字段提供。 　　假设系统在主存中最多可同时有N道程序，可设N个段表基址寄存器。对应于每道程序，由基号(程序号)指明使用哪个段表基址寄存器。段表基址寄存器中的段表基地址字段指向该道程序的段表在主存中的起始地址。图4 - 6示意性地表示了这一地址变换的过程。 　　分段方法能使大程序分模块编制，从而可使多个程序员并行编程，缩短编程时间，在执行或编译过程中对不断变化的可变长段也便于处理。 　　分段还便于几道程序共用已在主存内的程序和数据，如编译程序、各种子程序、各种数据和装入程序等，不必在主存中重复存储，只需把它们按段存储，并在几道程序的段表中设置其公用段的名称及同样的基址值即可。 　　2. 页式管理　　段式存储中各段装入主存的起点是随意的，段表中的地址字段很长，必须能表示出主存中任意一个绝对地址，加上各段长度也是随意的，段长字段也很长，这既增加了辅助硬件开销，降低了查表速度，也使主存管理麻烦。 　　例如，主存中已有A、B、C三个程序，其大小和位置如图4 - 7所示，现有一长度为12 KB的D道程序想要调入。 　　假设系统内最多可在主存中容纳N道程序，对每道程序都将有一个页表。　　图4 - 8 示意出页式管理的定位映像机构及其虚、实地址的变换过程。 　　3. 段页式管理　　从以上介绍中可以看出，段式和页式虚拟存储器在许多方面是不同的，因而各有不同的优缺点。 　　对于多道程序来说，每道程序(用户或进程)都需要有一个用户标志号u(转换成基号b)以指明该道程序的段表起点存放在哪个基址寄存器中。这样，多用户虚地址就由用户标志u、段号s、页号p、页内位移d四个字段组成。设系统中主存最多可容纳N道程序。图4 - 9 表示采用段页式管理的定位映像机构及由多用户虚地址变换成主存实地址的过程。 4.2.2 页式虚拟存储器的构成　　1. 地址的映像和变换　　前面已讲过，页式虚拟存储器是采用页式存储和管理的主存-辅存存储层次。它们各部分的地址对应关系如图4 - 10所示。 　　地址的映像是指将每个虚存单元按什么规则(算法)装入(定位于)实(主)存，建立起多用户虚地址Ns与实(主)存地址np之间的对应关系。 　　由于是把大的虚存空间压缩到小的主存空间，因此主存中的每一个页面位置应可对应多个虚页。 　　由于虚存空间远大于实存空间，页式虚拟存储器一般都采用让每道程序的任何虚页可以映像装入到任何实页位置的全相联映像，如图4 - 11所示。 　　2. 页面替换算法　　当处理机要用到的指令或数据不在主存中时，会产生页面失效，须去辅存中将含该指令或数据的一页调入主存。 　　图4 - 14是操作系统为实现主存管理设置的主存页面表，其中每一行用来记录主存中各页的使用状况。 【例 4-1】 　　设有一道程序，有1~5页，执行时的页地址流(即依次用到的程序页页号)为　　　　　　　　　　2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2若分配给该道程序的主存有3页，则图4 - 15表示FIFO、LRU、OPT这3种替换算法对这3