第05章 存储器体系结构设计课件.pptx

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1、5.1 5.1 存储器概述存储器概述5.2 Cache5.2 Cache存储器存储器5.3 5.3 随机存储器与只读存储器随机存储器与只读存储器5.4 5.4 外部存储器和外部存储器和RAIDRAID5.5 5.5 虚拟存储器技术虚拟存储器技术5.6 5.6 网络网络存储与容灾存储与容灾备份备份习题习题5 5存储器存储器是计算机系统中的记忆设备，能够储存程序和数据。存储器从不同角度可以分为不同的分类。图5.1 存储器分类静态存储器(SRAM)动态存储器(DRAM)固定掩膜存储器(ROM)可编程存储器PROM紫外线擦除可编程存储器 (EPROM)电擦除可编程存储器 (E2PROM)快速擦写存储器

2、(Flash Memory)软磁盘存储器(Floppy Disk)硬磁盘存储器(Hard Disk)磁带存储器(Magnetic Tape Storage)CD DiskDVD Disk随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)可编程存储器磁表面存储器光盘存储器半导体存储器存储器 （1）存储容量 是存储器可以容纳的二进制信息量。主存储器的容量是指用地址寄存器(MAR)产生的地址能访问的存储单元的数量。如N位字长的MAR能够编址最多达2N个存储单元。存储容量=字数字长（5.1）u内存空间内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU被使用的地址总线宽度有关。u内存容量内存容量：指

3、内存的物理容量，例如若某微机配置两条2GB的SDRAM内存条，则其内存容量为4GB。u芯片容量芯片容量：是指一片存储器芯片所具有的存储容量。例如：某SRAM芯片的容量为128M16bit，即它有128M个单元，每个单元存储16位(两个字节)二进制数据。（2）存储周期存储周期存储周期TMC，指两次独立的存取操作之间所需的最短时间。取数时间取数时间TA，指存储器从接到读出命令，到被读出信息稳定在MDR的输出端为止的时间间隔。半导体存储器的存储周期一般为10ns左右。最大存取时间最大存取时间，指内存储器从接到存储单元的地址码开始，到取出或存入数据为止所需的最长时间。（3）存储器的可靠性一般指存储器对

4、电磁场及温度等变化的抗干扰能力，存储器的可靠性通常用平均故障间隔时间平均故障间隔时间MTBF（Mean Time Between Failure）来衡量。MTBF越长，表示可靠性越高，即保持正确工作能力越强。目前所用的半导体存储器芯片的MTBF约为5l06l108小时左右。（4）功耗 存储器的功耗可分为内部功耗和外部功耗。u内部功耗内部功耗，就是存储器内部电流消耗。双极型工艺速度较快，但功耗大，密度小；MOS工艺正好相反。BiCMOS存储器具有面积小、功耗低的优点。u外部功耗外部功耗，存储器与外部电路进行工作时所产生的功耗。有效的寄存器管理可最大限度地降低功耗。（5）集成度 每片存储器芯片上集

5、成的基本存储单元的个数。（6）性能价格比图5.2 存储器层次结构图一般来说，离处理器越近的存储器，速度越快也越昂贵，存储器系统的组件趋向于离CPU越远，尺寸越大。高高低低小小大大快快慢慢辅存辅存寄存器寄存器缓存缓存主存主存磁盘磁盘光盘光盘磁带磁带光盘光盘磁带磁带速度速度容量容量价格价格/ 位位CPUCPU主机主机图5.3 一般的存储器层次 Cache存储器是由静态RAM（SRAM）构成，比DRAM快很多，也比构成物理内存的DRAM更昂贵。在存储器层次中，Cache存储器离微处理器最近。Cache存储器本身又可以分层，如第一级Cache（L1 Cache）直接包含在微处理器中；外部的第二级Cac

6、he（L2 Cache）通常在微处理器之外。一般的存储器层次如图5.3所示。CacheCache存储体存储体：以块为单位与主存交换信息，为加速Cache与主存之问的调动，主存大多采用多体结构，且Cache访存的优先级最高。地址映射地址映射变换机构变换机构：由于主存和Cache的块大小相同，块内地址都是相对于块的起始地址的偏移量(即低位地址相同)，因此地址变换主要是主存的块号(高位地址)与Cache块号间的转换。替换替换机构机构：当Cache内容已满，就由Cache内的替换机构按一定的替换算法来确定应从Cache内移出哪个块返回主存，而把新的主存块调入Cache。Cache对用户是透明的，将主存

7、块调人Cache的任务全由机器硬件自动完成。Cache的性能指标：（1）命中率命中率是指在前几级存储器均不命中的情况下，在本级存储器命中的概率。在一个程序执行期间，设Nc表示信息能在Cache中访问到的次数，Nm表示信息能在主存中访问到的次数，则Cache的命中率为：写直达法写直达法（Write-through），又称为存直达法存直达法(Store-through)，即写操作时数据既写入Cache又写入主存。能随时保证主存和Cache的数据始终一致，但增加了访存次数。写回法写回法(Write-back)，又称为拷回法拷回法(Copy-back)，即写操作时只把数据写入Cache而不写入主存，但

8、当Cache数据被替换出去时才写回主存。因此数据会与主存中的不一致。（2 2）等效访问时间）等效访问时间Cache和主存的等效访问时间是指当CPU访问存储系统时，Cache和主存的平均访问时间。若tc表示命中时Cache的访问时间，tm表示未命中时主存的访问时间，1-h表示未命中率，则Cache-主存系统的等效访问时间(又称平均访问时间)ta为：ta=htc+(1-h)tm（5.3） （3 3）访问效率）访问效率存储器的访问效率是指Cache的访问时间占Cache和主存等效访问时间的比值。存储器的访问效率用e表示，则有（4 4）较复杂存储系统的等效访问时间）较复杂存储系统的等效访问时间设指令C

9、ache和数据Cache的访问时间均为tc，主存的访问时间为tm，指令Cache的命中率为hi，数据Cache的命中率为hd，CPU访存取指的比例为fi，则： ta=fi(hitc+(1-hi)tm)+(1-fi)(hdtc+(1-hd)tm) （5.5）（1）直接映射 这是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位置上去。 cache的块号J和主存的块号I有如下函数关系： J=I mod C(2c)（C为cache中的总块数) 主存地址： 主存字块标记 - cache字块地址 -字块内地址字块字块2m-1 字块字块2c+1 字块字块2c+1-1 字块字块2c+1 字

10、块字块2c字块字块2c1 字块字块1 字块字块0主存储体主存储体 字块字块 1 标记标记 字块字块 0 标记标记字块字块 2c-1标记标记Cache存储体存储体t位位01C1 字块字块字块地址字块地址 主存字主存字 块标记块标记t 位位c 位位b 位位主存主存地址地址 比较器（比较器（t位）位）= 不命中不命中有效位有效位=1？*m位位 Cache内地址内地址否否是是命中命中每个缓存块 j 可以和 若干 个 主存块 对应每个主存块 i 只能和 一 个 缓存块 对应 字块字块2c+1 字块字块2c 字块字块0 字块字块 0图5.6 直接映射（2）全相联映射方式全相联映像方式的映像规则是主存的每一

11、块都可以映像到cache中的任何一个字块上，允许从已被占满的cache中替换出任何一个字块。主存储器中的第0块可以映像到cache中的第0块、第1块，第2c1块；主存储器中的第1块可以映像到cache中的第0块、第1块， ，第2c1块。 主存地址：主存字块标记 块内地址这种方法可使主存的一个块直接拷贝到cache中的任意一块上，非常灵活。主存 中的 任一块 可以映象到 缓存 中的 任一块字块字块2m1字块字块2c1字块字块1 字块字块0字块字块2c1字块字块1字块字块0标记标记标记标记标记标记主存字块标记主存字块标记 字块内地址字块内地址主存地址主存地址m = t + c 位位b位位m = t

12、+cCache 存储器存储器主存储器主存储器 字块字块0图5.7 全相联映射（3）组相联映像上述两种方案的折衷。把Cache分成2C组，每组有 =2r个字块；则主存字块i映射到cache的j块上j= (i mod 2C) 2r+k 0k2r-1k为位于上列范围内（组内）的可选参数（整数）按这种映像方式,组间为直接映像,而组内的字块为全相联映像方式。组相联映像把地址划分成3段,末b位为块内地址,中间c位为Cache组地址,高t位和r位形成标记字段。图5.8 组相联映射字块字块2m1字块字块2c-r+1 字块字块2c-r + 1 字块字块2c-r字块字块2c-r 字块字块1 字块字块0 字块字块

13、3标记标记 字块字块 1标记标记字块字块 2c-1标记标记 字块字块 2标记标记 字块字块 0标记标记字块字块 2c-2标记标记 字块内地址字块内地址组地址组地址主存字块标记主存字块标记s = t + r 位位q = cr 位位b 位位组组012c-r1主存地址主存地址Cache主存储器主存储器m 位位共共 u 组组，每组内两块（，每组内两块（r = 1)1某一主存块某一主存块 j 按模按模 u 映射到映射到 缓存缓存 的第的第 i 组中的组中的 任一块任一块i = j mod u直接映象直接映象全相联映象全相联映象 字块字块0 字块字块 1 字块字块 0 字块字块2c-r 字块字块2c-r+

14、1（1 1）先进先出）先进先出(First In First Out(First In First Out，FIFO)FIFO)算法算法FIFO算法选择最早调入Cache的字块进行替换，但没有根据访存的局部性原理，故不能提高Cache的命中率。（2 2）随机法（）随机法（RANDRAND法）法）随机法是随机地确定被替换的块，比较简单，但它也没有根据访存的局部性原理，故不能提高Cache的命中率。（3 3）近期最少使用（）近期最少使用（Least Recently UsedLeast Recently Used，LRULRU）算法）算法LRU算法比较好地利用访存局部性原理，替换出近期用得最少的字

15、块。它实际是一种推测的方法，比较复杂。（4 4）OPTOPT（Optimal replacement algorithmOptimal replacement algorithm）算法）算法使用这种方法时必须先执行一次程序，统计Cache的替换情况。因此，OPT算法只是一种理想化的算法。（5 5）近期最少使用算法（）近期最少使用算法（Least Frequently Used Least Frequently Used algorithmalgorithm，LFULFU算法）算法）这种算法选择近期最少访问的页面作为被替换的页面。实现起来非常困难，它要为每个块设置一个很长的计数器。5.3.1 随

16、机存储器RAM1 随机存储器的基本原理（1）静态RAM静态RAM（Static RAM，SRAM）以触发器原理寄存信息，每一个存储单位都由一个触发器构成，不需要刷新电路，只要不断电就可以保持其中存储的二进制数据不丢失。（2）动态RAM动态RAM（dynamic RAM，DRAM）以电容充放电原理寄存信息。（3）非易失性RAM非易失性RAM（Nonvolatile RAM，NV-RAM）使用了由CMOS构成的功耗极低的SRAM存储单元，内部使用锂电池作为后备电源，有一个智能控制电路。u 位扩展 当单个存储芯片的字长（位数）不能满足要求时，就需要进行位扩展。位扩展方法：将每个存储芯片的地址线、控制

17、线“同名”并连在一起，数据线分别连接至系统数据总线的不同位上。例如：用4G4位的芯片构成4G8位的存储器。u 字扩展 当单片存储器的字长满足要求，而存储单元的个数不能够时，就需要进行字扩展。字扩展方法：将每个芯片的地址线、数据线和读/写控制线等按信号名称并连在一起，只将选片端分别引到地址译码器的不同输出端。例如：用4G4位的芯片构成8G4位的存储器。u 字位扩展 在构成一个实际的存储器时，往往需要同时进行位扩展和字扩展才能满足存储容量的需求。例如：用4G4位的芯片构成8G8位的存储器。 微处理器地址分配的方法通常有两种：线选法和译码法。u（1 1）线选法）线选法 所谓线选法，就是直接以系统的地

18、址线作为存储器芯片的片选信号, 为此只需把用到的地址线与存储器芯片的片选端直接相连即可。（2 2）译码法）译码法又分全译码法和部分译码法。（1）可编程可编程ROMROM：为一次可编程ROM（One Time Programmable ROM，OTPROM）写入信息需要用一个叫ROM编程器的特殊设备来实现这个过程。有“熔断丝型”和“PN结击穿型”两种。（2）紫外光紫外光可擦除可擦除PROMPROM（Erasable Programmable ROMErasable Programmable ROM，EPROMEPROM）擦除过程需要耗时20分钟左右，该芯片具有一个窗口用于接收照射的紫外线。（3）

19、电电可擦除可擦除PROMPROM(Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM/E2PROM)可实现瞬间擦除；可以有选择的擦除某个单元的内容；可直接在电路板上编程，不需要额外的擦除和编程设备。（4）闪烁可编程可擦除闪烁可编程可擦除ROMROM：简称闪存（5）掩膜掩膜ROMROM不是用户可编程ROM。掩膜ROM比较便宜，但是一旦掩膜ROM中的某个代码或数据有错误，整批的掩膜ROM都得换掉。图5.18 CPU与存储器连接图 根据主存中存储体的个数，以及CPU访问主存一次所能读出的信息的位数，可以将主存系统分为以下四种类型：单体单字存储器单体单字存储器：

20、即存储器只有一个存储体，而且存储体的宽度为一个字。单体多字存储器单体多字存储器：即存储器只有一个存储体，但存储体的总线宽度可以是多个字。多体单字交叉存取存储器多体单字交叉存取存储器：如多体交叉存储器，每个存储体都是一个CPU字宽度。多体多字交叉存储器多体多字交叉存储器：将多分体并行存取与单体多字相结合。图5.20 多模块交叉存储器X XX XX X XX X XM007M1815M21623M32431X X XX X XX XX X0，4,.除以4余数为0M01，5,.除以4余数为1M12，6,.除以4余数为2M23，7,.除以4余数为3M3图5.21 顺序方式和交叉方式的地址组织(a) 顺

21、序方式地址组织(b)交叉方式地址组织图5.23 存储体的启动情况（3 3）多模块交叉存储器的基本结构）多模块交叉存储器的基本结构图5.22中为四模块交叉存储器结构框图。主存被分成4个相互独立、容量相同的模块M0，M1，M2，M3，每个模块都有自己的读写控制电路、地址寄存器和数据寄存器，各自以等同的方式与CPU传送信息。有两种多体交叉存储器编址方法：高位交叉访问高位交叉访问存储存储器器；低位交叉访问低位交叉访问存储器存储器。图5.24 相联存储器是按内容存取的存储器，可以选择记录（关键字）的一个字段作为地址。在虚拟存储器中存放段表、页表和快表，也可作Cache行地址。 磁磁表面存储器表面存储器通

22、过磁头和记录介质的相对运动完成写入和读出。磁头是良好的软磁材料，磁层是硬磁材料，当漏磁场消失以后，磁头又回到未磁化状态，而磁层呈现剩磁状态。 磁记录磁记录介质介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体，可以脱机保存信息，又称为磁记录媒体。根据磁记录介质的基底不同，主要有软性介质（磁带和软磁盘片）和硬性介质（硬磁盘片）两种。磁性材料也有颗粒材料和连续材料两类。 磁头磁头是实现电/磁转换的装置，包括感应式磁头和MR磁头。感应式磁头又分为接触式磁头和浮动式磁头两种。接触式磁头在读/写时与记录介质直接相接触。浮动式磁头与介质表面之间形成一层极薄的空气薄膜（气垫），硬磁盘采用浮动式磁头。图5.27 不同记录方

23、式归零制归零制（RZ）不归零制不归零制( (NRZ)见见“1”“1”就翻的就翻的不不归零制归零制( (NRZ1)调相制调相制（PM）调频制调频制（FM）改 进 调 频 制改 进 调 频 制（MFM） 磁记录方式是一种编码方法，指的是按照某种规律将一连串二进制数字信息变换成存储介质磁层的相应磁化翻转形式。 当前的硬盘架构多采用温彻斯特（温彻斯特（WinchesterWinchester）架构）架构，由头盘组件（HDA，Head Disk Assembly）与印刷电路板组件（PCBA，Print Circuit Board Assembly）组成。温氏硬盘是一种可移动头固定盘片的磁盘存储器。（1）

24、磁盘的访问时间访问时间=寻道时间+旋转时间+传输时间 （5.11）（2）数据传输率 Dt=DbV（5.16）（3）记录密度（5.18）由于磁盘各磁道位密度不同，一般是指最内圈磁道上的位密度(最大位密度)。（4）存储容量存储容量是指外存所能存储的二进制信息总数量，一般以位或字节为单位。 C=nks（5.19）（1）先来先服务(FCFS)（2）最短寻道时间优先(SSTF)（3）SCAN算法（4）循环扫描(CSCAN)算法磁盘高速缓存，并非通常意义下的内存和CPU之间的Cache，而是指利用内存中的存储空间来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。相应地，也存在着置换算法的问题，如LRU，LFU等。数

25、据交付给请求进程的方式有两种：数据交付数据交付，直接将高速缓存中的数据，传送到请求者进程的内存工作区中；指指针交付针交付，只将指向高速缓存中某区域的指针交付给请求者进程，所传送的数据量少。提高磁盘I/O速度的其它方法：提前读提前读（Read-ahead）。延迟写延迟写（Delayed Write）。优化物理块的分布优化物理块的分布：如果将两个数据块安排在属于同一条磁道的两个盘块上。虚拟盘虚拟盘：又称为RAM盘，是指利用内存空间去仿真磁盘，这些对用户都是透明的。但是一旦系统重启或电源发生故障，保存在虚拟盘中的数据将会丢失。 开盘开盘式启停磁带机式启停磁带机：信息是按数据块记录的，在数据块与数据块

26、之间，磁带机需要启动和停止。因此启停机构是这类磁带机的特点。开盘式启停磁带机的结构比较复杂，主要由走带机构，磁带缓冲机构、带盘驱动机构、磁头等组成。 数据流数据流磁带机磁带机：将数据连续地写在磁带上，每个数据块间插入记录间隙，使磁带机在数据块间不启停。数据流磁带机是串行逐道记录，其读写顺序类似于磁盘。记录信息时，从0号磁道开始，偶数磁道从磁带首端BOT到磁带末端EOT，而奇数磁道则从EOT到BOT，且要依次首尾相接。这种方式称做蛇形串行记录蛇形串行记录。（1）光盘存储器的基本概念见的CD产品包括：CD-DA(Compact Disc-Digital Audio)激光数字唱盘CD-G(Graph

27、ics)图形光盘CD-V(Video) /Video CD影视光碟CD-ROM只读光盘CD-I(Interactive) 交互式光盘CD-I FMV(Full Motion Video) 全运动视频交互式光盘Karaoke CD卡拉OK光盘CD-R(CD-Recordable)一次写入光盘CD-RW可重复写入光盘DVD高密度数字视频光盘（2 2）CDCD盘的记录原理盘的记录原理u磁光盘(Magneto Optical Disc，MOD) 利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据。u相变光盘(Phase Change Disc，PCD) 利用激光特殊材料在加热前后的反射率不同记忆1和0。u只读

28、CD光盘 在盘上压制凹坑的机械办法记录数据，凹坑的边缘记录的是1，凹坑和非凹坑的平坦部分记录的是0。 固态硬盘的特点：读写速度快防震抗摔性低功耗工作温度范围大轻便固态硬盘的存储介质分为两种，一种是采用闪存作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。基于闪存的固态硬盘（IDE Flash Disk、Serial ATA Flash Disk），采用Flash芯片作为存储介质，存储单元又分为两类：单层单元（Single Layer Cell，SLC）和多层单元（Multi Level Cell，MLC）。廉价廉价磁盘冗余阵列磁盘冗余阵列或者独立磁盘冗余阵列独立磁盘冗余阵列（Redundant

29、 Arrays of Independent Disks，RAID），通过把数据放在多个硬盘上，输入输出操作能以平衡的方式交叠，改良性能。RAID 0：数据分条技术RAID 1：磁盘镜像RAID 0+1：又称为RAID 01RAID 2：带海明码校验RAID 3：带奇偶校验码的并行传送RAID 4：带奇偶校验码的独立磁盘结构RAID 5：分布式奇偶校验的独立磁盘结构RAID 6：带有两种分布存储的奇偶校验码的独立磁盘结构RAID 7：优化的高速数据传送磁盘结构RAID 10：即RAID 1+0RAID 50：即RAID 5+0 5.5.1 程序运行的局部性原理程序运行的局部性原理程序运行的局部

30、性原理：指程序在执行过程中的一个较短时间内，所执行的指令地址或操作数地址分别局部于一定的存储区域中。具体地表现为时间局部性和空间局部性。时间局部性时间局部性：如果某条指令被执行，则在不久的将来，该指令可能被再次执行；如果某个数据结构被访问，则在不久的将来，该数据结构可能再次被访问。产生时间局部性的主要原因是程序中存在着大量的循环操作。空间局部性空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，则在不久的将来，其附近的存储单元也可能被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围内。产生空间局部性的主要原因是程序的顺序执行。实现虚拟存储器的理论基础：局部性原理。（1 1）页表页表机制：纯分页的

31、页表只有两项：页号和物理机制：纯分页的页表只有两项：页号和物理块。而请求分页存储管理增加了调入功能和置换功能，块。而请求分页存储管理增加了调入功能和置换功能，故需在页表中增加若干项，供程序在换进换出时参考。故需在页表中增加若干项，供程序在换进换出时参考。下面所示是一请求分页系统中的页表：下面所示是一请求分页系统中的页表：页号页号物理块号物理块号 状态位状态位P 访问字段访问字段A 修改位修改位M 外存地址外存地址状态位状态位P：记录该页是否在内存。：记录该页是否在内存。P=0该页在内存；该页在内存； P=1该页不在内存该页不在内存。访问字段访问字段A：记录该页多长时间没有被访问。：记录该页多长

32、时间没有被访问。修改位修改位M：记录该页在内存期间是否被修改过。：记录该页在内存期间是否被修改过。 M=1该页调入内存后被修改过该页调入内存后被修改过； M=0该页调入内存后未被修改过。该页调入内存后未被修改过。外存地址：外存地址：该页在外存上的该页在外存上的地址地址图5.37 请求分页存储管理示意图物理地址空间物理地址空间页面映射表页面映射表存储空间存储空间页页号号块块号号状状态态作业作业10110520001作业作业20123作业作业3012341041032801109103213600412345678910111213在请求分页系统中，可采取两种分配策略固定和可变分配策略。在进行置换

33、时，也可采取两种策略全局置换和局部置换。可组合成以下三种策略。固定分配局部置换固定分配局部置换（Fixed Allocation，Local Replacement）：为每个进程分配一固定数目的物理块，在整个运行期间都不再改变。可变分配全局置换可变分配全局置换（Variable Allocation，Global Replacement）：当某进程发现缺页时，由系统从空闲物理块队列中取出一物理块分配给该进程，并将欲调入的缺页装入。可变分配局部置换可变分配局部置换（Variable Allocation，Local Replacement）：为每个进程分配一定数目的内存空间；但当某进程发生缺页时

34、，只允许从该进程在内存的页面中选出一页换出，而不影响其它进程的运行。（1）内存页面分配策略平均分配：看起来很公平，但没有考虑进程的大小等因素。按进程大小比例分配：系统按进程大小按比例分配物理块。按进程优先级比例分配：为照顾重要的、紧迫的进程，使其能够尽快的完成，可以为其分配较多的内存物理块。（2）外存块的分配策略静态分配：一个进程在运行前，将其所有页面装入外存。动态分配：一个进程在运行前，仅将未装入内存的那部分页面装入外存。（3）页面调入时机请求调页策略：发生缺页时，调入内存。缺点是处理缺页中断和调页的开销较大，每次仅调一页，增加了磁盘I/O次数。预调页策略：预计要访问的页，提前调入内存。每次

35、调入若干页面，而不是仅调一页。（1 1）先进先出）先进先出(First In First Out(First In First Out，FIFO)FIFO)置换算法置换算法 Belady Belady异常现象：异常现象：一般而言，分配给进程的物理块越多，运行时的缺页次数应该越少。但是Belady在1969年发现了一个反例，使用FIFO算法时，四个物理块时的缺页次数比三个物理块时的多，这种反常的现象称为Belady异常。（2 2）随机淘汰算法）随机淘汰算法RANDRAND就随机地选择一个用户页，将其换出。（3 3）最佳置换算法（）最佳置换算法（OptimalOptimal，OPTOPT）（4 4

36、）最近最久未使用（）最近最久未使用（Least Recently UsedLeast Recently Used，LRULRU）置）置换算法换算法（5 5）ClockClock置换算法（简化的置换算法（简化的LRULRU算法算法） 也称为最近未使用算法（Not Recently Used，NRU），它是LRU(最近最久未使用算法)和FIFO的折衷。设置一个访问位设置一个访问位: 0 表示最近未使用表示最近未使用 1表示最近使用过表示最近使用过（6 6）最少使用置换算法（）最少使用置换算法（Least Frequently UsedLeast Frequently Used，LFU)LFU) 选

37、择到当前时间为止被访问次数最少的页面被置换；记录每个页面的访问次数，最少访问的页面首先考虑淘汰。（1）缺页率对系统性能的影响程度（2）“抖动”问题不适当的算法可能会导致进程发生颠 簸颠 簸 或 抖 动抖 动（Thrashing)，即系统频繁地更换页面。（3）驻留集驻留驻留集集是虚拟页式存储管理中给进程分配的物理块的集合，驻留集大小驻留集大小即是这个集合的元素个数。（4）工作集（Working Set） 工作集就是进程在某段时间段（时间t-到t）里实际要访问的页面的集合，记为W(t, )，变量称为工作集“窗口尺寸”（Windows Size）。通常还把工作集中所包含的页面数称为“工作集尺寸”，记

38、为|W(t, )|。（1 1）段表段表机制：请求分段的段表是在纯分段的段表机制的基机制：请求分段的段表是在纯分段的段表机制的基础上形成的础上形成的。段段名名 段长段长 段基址段基址 存取方式存取方式 访问字段访问字段 修改位修改位 存在位存在位 增补位增补位 外存地址外存地址存取方式：用于标识本段的存取属性，存取属性包括只执行、只读还是读/写；访问字段：用于记录该段在一段时间内被访问的次数，或最近已有多长时间未被访问，供置换算法选择段时参考；修改位：表示该段在调入内存后是否被修改过。由于内存中的每一段都在外存上保留一个副本。存在位：说明本段是否已调入内存；增补位：用于表示本段在运行过程中，是否

39、进行过动态增长；外存地址：用于指出该段在外存上的起始地址，通常是起始物理块号，供调入该段时使用。图5.42 请求分段存储管理系统的示意图200K存储空间存储空间020K60K100K(MAIN)=020K（X）=18K（S）=316K作业空间作业空间16K0（S）=316K0（D）=28K0（X）=132K0（MAIN）=0状态状态段表段表基址基址段长段长段号段号32K020K8K160K16K2100K16K3200K0010（2 2）缺段中断机构）缺段中断机构（3 3）地址变换）地址变换机构机构2 段的共享（1）共享段表所有共享段都在共享段表中占有一个表项。表5.12 共享段表项（2）共享

40、段的存储分配（3）共享段的存储回收当共享此段的某进程不再需要该段时，可释放该段：执行count=count-1操作。若结果为0，则须由系统回收该共享段的物理内存，以及取消在共享段表中该段所对应的表项；否则(减1结果不为0)取消调用进程在共享段表中的有关记录。根据其段表和页表可以设置成4种组合： 无段表和无页表的存储器（非虚拟存储器）。其逻辑地址就是物理地址。 无段表和有页表的存储器（页式虚拟存储器）。 有段表和无页表的存储器（段式虚拟存储器）。 有段表和有页表的存储器（段页式虚拟存储器）。图5.43 Pentium段页式地址转换机构虚拟存储器工作过程有两种地址变换： 由虚地址变换成主存实地址，

41、每次访存都得进行一次，要求速度高； 由虚地址到辅存实地址的变换，仅当页面失效时才进行，变换速度可低些。 快表与慢表也构成表层次。查表时，由虚页号同时去查快表和慢表。当快表中有此虚页号，就很快找到对应的实页号，并使慢表的查找作废。如果在快表中查不到，就需要一个访问主存的时间查慢表。快表对系统程序员是透明的。快表命中率对系统效率影响很大。（1）存储区域保护u分段(段表)保护：界限寄存器为每个程序划定存储区域。u页表保护：每个程序都有各自的段表和页表。u键保护方式：每一页分配一个存储键，每道作业再赋予访问键。u环保护方式（2）访问方式保护/存取控制检查（1）直接附加存储（Direct Attache

42、d Storage，DAS）与服务器主机之间的连接通道通常采用SCSI连接。（2）网络附加存储（Network Attached Storage，NAS）将存储设备连接到现有的网络上，提供数据和文件服务。（3）存储区域网络（Storage Area Network，SAN）采用网状通道（Fibre Channel，简称FC网络或FC互联，区别于Fiber Channel光纤通道）技术，通过FC交换机连接存储阵列和服务器主机，往往采用RAID阵列。（4）iSCSIIP SAN存储技术建立在两个已被广泛应用的技术之上为存储而建立的SCSI命令和为网络化而建立的IP协议。（1）备份（2）容错与灾难恢复在整个系统都失效时，用灾难恢复措施能够迅速恢复系统，而普通数据恢复则不行。理想的备份系统是全方位、多层次的。5.15.1，5.25.2，5.35.3，5.45.4，5.55.5，5.65.6，5.75.7，5.85.8，5.95.9Thank you!Thank you!