全国计算机等级考试四级复习纲要七[5]

第三，存储系统

(一)存储层次结构的形成和评价

1.存储层次的形成

因为快内存贵，容量不能做得太大；低价位的内存容量可能很大，但其访问速度相对较慢。因此，人们在综合考虑容量、速度和价格的基础上，建立了一种在性能和价格上都能满足系统对内存要求的存储组合，这就是所谓的内存层次结构。存储层由几层组成。上层每字节更小更快更贵，下层更大更慢更便宜。任何两个相邻层之间的关系都是如此。此外，高层数据是低层数据的子集，这意味着所有数据都可以在最低层找到。

2.存储系统的基础

存储系统基于局部性原则。我们已经知道有两种类型的局部性:时间局部性意味着当前访问的项目将在不久的将来被访问；空局部性意味着一个地址附近的内容可以一起访问。也就是说，在主存中，按顺序执行的程序和数据往往分布在某个时间段的某个部分或者同时出现在相邻的区域。这是计算机程序的一个共同特征。它也被称为程序或数据的局部性，或访问的局部性。这种局部性是内存逻辑地址可预测性的基础，也是多级存储系统成功运行的基础。特别是为缓存的实现提供了理论基础，即在一定时间内，小容量缓存可以集中访问。此外，当高速缓存需要从主存储器读取信息时，它不仅仅读取指令或数据，而是将该单元所在的主存储器的局部区域的所有内容读取到高速缓存中。资料来源:www.examda.com

(二)虚拟存储的原理

1.虚拟存储的管理模式

虚拟内存技术的概念是将一个大程序分成许多更小的块，所有的块都存储在辅助内存中。在运行时，要使用的块首先被转移到主存，即将使用的块从主存转移到缓存。这样，在运行程序的同时，所需的程序块被调入调出。只要及时提供要处理的程序和数据，程序就能平稳而高速地运行。所以在应用程序员看来，有一个比实际主存大很多的虚拟主存空，可以装下整个程序。当辅助存储器中的程序块转移到主存储器时，程序必须位于主存储器中。为了使应用程序员能够对自己的程序进行不同的修改以运行在虚拟内存上，即应用程序员不必考虑如何将程序地址映射转换成实际主存的物理地址，这类程序的定位应该由系统自动完成，这样虚拟内存技术对应用程序员来说就是透明的。这种定位技术将程序分成几个较小的段或页，并使用相应的映射表来指示程序的一个段或页是否已被装入主存。如果它已被装入主存，还应指出它在主存中的起始位置；如果主存没有加载，调用辅存中对应的段或页，建立programs 空和real memory 空的地址映射关系。由于存储映射算法的不同，形成了不同的存储管理方法，包括段管理、页管理和段页管理。

段管理将一个程序分成若干段进行存储，每一段都是一个逻辑实体，程序员需要知道并使用它。它的出现与程序的模块化有直接关系。通过航段表进行航段管理，航段表包括航段号或名称、航段起点、装载位置、航段长度等。此外，还需要一个主存占用区表和一个主存可用区表。对于段管理，每个程序在系统中都有一个段(映射)表，用来存储装入主存的程序的每个段的状态信息。段表中的每一项(对应于表中的每一行)描述了一个程序段的基本情况，它由几个字段提供。段名段用于存储段的名称。一般来说，段名有其逻辑意义，也可以转换成段号。资料来源:www.examda.com

由于段号是从0开始顺序编号的，所以它们只对应于段表中的行号。例如，段表中的第二个段必须是第三行，因此段表中的段号(名称)字段可以省略。加载位字段用于指示该段是否已被加载到主存储器中。“1”表示已加载，“0”表示未加载。在程序执行过程中，每个段的加载位随该段是否活动而动态变化。当加载位为“1”时，地址字段用来表示加载到主存储器中的段的起始(绝对)地址，当加载位为“0”时，无效(有时机器用它来表示段在辅助存储器中的起始地址)。段长度字段表示段的大小，通常用字或字节表示，具体取决于所用的寻址方法。段长度字段用于确定被访问的地址是否在段边界之外，用于边界保护检查。访问模式字段用于标记该段允许的访问模式，如只读、可写、仅可执行等。，为段提供访问模式保护。此外，还可以根据需要在段表中设置其他字段。段表本身也是一个段，通常驻留在主存中，也可以存在于辅存中，必要时再转移到主存中。假设系统在主存中最多可以同时有N个程序，可以设置N个段表基址寄存器。对应每个程序，基址号(程序号)表示使用哪个段表基址寄存器。段表基址寄存器中的段表基址字段指向主存中该程序段表的起始地址。段表长度字段指示该程序使用的段表的行数，即程序的段数。系统给一个程序(用户、进程)分配一个基号，在调入调出过程中记录和修改段表基址寄存器和段表的内容，所以这些不是用户程序员管理的。