三、存儲體系

　�。ㄒ唬� 存儲層次的形成及評價

　　1.存儲層次的形成

　　 由于速度快的存儲器價格貴，容量就不能做得太大;而價格低的存儲器容量可能做得很大，但它的存取速度卻比較慢。因此，在綜合考慮容量、速度、價格的基礎上，人們建立了能滿足系統對存儲器在性能與價格兩方面要求的存儲組合，稱為存儲層次（memory hierarchy）。存儲層次由若干層組成，高層存儲器更小、更快、每字節價格也更貴，低層存儲器則更大、更慢、價格也更便宜，任何相鄰兩層之間的關系都是如此。此外，高層的數據都是低層數據的子集，也就是說所有的數據都能在最底層中找到。

　　2.存儲體系的依據

　　 實現存儲體系的依據是局部性原理。我們已經知道有兩種類型的局部性:時間局部性是指當前訪問的項目在最近的將來還會訪問;空間局部性是指某地址附近的內容可能會被一起訪問。這就是說，在主存儲器內，順序執行的程序和數據往往在一段時間內集中分布在某個局部或者在同一時刻內出現在鄰近的區域內。這是計算機程序所共有的特性，它也稱為程序或數據的局部性，或稱訪問的局部性。這種局部性乃是存儲器邏輯地址可預測性的基礎，也是多級存儲體系能成功運行的依據。尤其是為實現Cache提供了理論根據，即在某一段時間內，可以集中訪問小容量的Cache，而且，當Cache需要從主存讀取信息時，不是只讀一條指令或一個數據，而是把該單元所在的主存的某一局部區域的內容都讀入Cache。

　　（二） 虛擬存儲的原理

　　1.虛擬存儲的管理方式

　　虛擬存儲（virtual memory）技術的概念是:把很大的程序分成許多較小的塊，全部存儲在輔存中。運行時，把要用到的程序塊先調入主存，并且把馬上就要用到的程序塊從主存再調入高速緩存。這樣，一邊運行程序，一邊進行所需程序塊的調進調出。只要及時供應上所需處理的程序與數據，程序就能順利而高速地運行下去。因此，對于應用程序員來說就好像有一個比實際主存大得多的，可以放得下整個程序的虛擬主存空間。當輔存中的程序塊調入主存時，必須使程序在主存中定位。為了使應用程序員對其程序不同修改就可以在虛擬存儲器上運行，即應用程序員不用考慮如何把程序地址映象和變換成實際主存的物理地址，這種程序的定位應由系統自動完成，從而使虛存技術對于應用程序員來說是透明的。這種定位技術是把程序分成若干較小的段或頁，用相應的映象表來指明該程序的某段或某頁是否已經裝入主存。若已裝入主存，則應同時指明它在主存的起始位置;若尚未裝入主存，則去輔存中調用相應的段或頁，并建立起程序空間和實存空間的地址映象關系。由于采用的存儲映象算法不同，就形成不同的存儲管理方式，常用的有段式管理、頁式管理以及段頁式管理。

　　段式管理（segmentation）把一個程序分成若干個段（segment）進行存儲，每個段都是一個邏輯實體（logical entity），程序員需要知道并使用它。它的產生是與程序的模塊化直接有關的。段式管理是通過段表進行的，它包括段號或段名、段起點、裝入位、段的長度等。此外還需要主存占用區域表、主存可用區域表。為了進行段式管理，每道程序在系統中都有一個段（映象）表來存放該道程序各段裝入主存的狀況信息。段表中的每一項（對應表中的每一行）描述該道程序一個段的基本狀況，由若干個字段提供。段名字段用于存放段的名稱，段名一般是有其邏輯意義的，也可以轉換成用段號指明。由于段號從0開始順序編號，正好與段表中的行號對應，如2段必是段表中的第3行，這樣，段表中就可不設段號（名）字段。裝入位字段用來指示該段是否已經調入主存，“1”表示已裝入，“0”表示未裝入。在程序的執行過程中，各段的裝入位隨該段是否活躍而動態變化。當裝入位為“1”時，地址字段用于表示該段裝入主存中起始（絕對）地址，當裝入位為“0”時，則無效（有時機器用它表示該段在輔存中的起始地址）。段長字段指明該段的大小，一般以字數或字節數為單位，取決于所用的編址方式。段長字段是用來判斷所訪問的地址是否越出段界的界限保護檢查用的。訪問方式字段用來標記該段允許的訪問方式，如只讀、可寫、只能執行等，以提供段的訪問方式保護。除此之外，段表中還可以根據需要設置其它的字段。段表本身也是一個段，一般常駐在主存中，也可以存在輔存中，需要時再調入主存。假設系統在主存中最多可同時有N道程序，可設N個段表基址寄存器。對應于每道程序，由基號（程序號）指明使用哪個段表基址寄存器。段表基址寄存器中的段表基址字段指向該道程序的段表在主存中的起始地址。段表長度字段指明該道程序所用段表的行數，即程序的段數。由系統賦給某道程序（用戶、進程）一個基號，并在調入調出過程中對有關段表基址寄存器和段表的內容進行記錄和修改，所以這些都不用用戶程序員來管。某道活躍的程序在執行過程中產生的指令或操作數地址只要與基號組合成系統的程序地址，即可通過查表自動轉換成主存的物理地址。下圖示意性地表示了這一地址變換的過程。分段方法能使大程序分模塊編制，從而可以多個程序員并行編程，縮短編程時間，在執行或編譯過程中對不斷變化的可變長段也便于處理。各個段的修改、增添并不影響其它各段的編制，各用戶以段的連接形成的程序空間可以與主存的實際容量無關。分段還便于幾道程序共用已在主存內的程序和數據，如編譯程序、各種子程序、各種數據和裝入程序等。不必在主存中重復存儲，只需把它們按段存儲，并在幾道程序的段表中有公用段的名稱及同樣的基址值即可。由于各段是按其邏輯特點組合的，容易以段為單位實現存儲保護。例如，可以安排成常數段只能讀不能寫;操作數段只能讀或寫，不能作為指令執行;子程序段只能執行，不能修改;有的過程段只能執行，不能讀也不能寫，如此等等。一旦違反規定就中斷，這對發現程序設計錯誤和非法使用是很有用的。段式管理的虛擬存儲器由于各個段的長度完全取決于段自身，當然不會恰好如下圖那樣是1K的整數倍，段在主存中的起點也會是隨意的，這就給高效地調入段分配主存區域帶來困難。為了進行段式管理，除了系統需要為每道程序分別設置段映象表外，還得由操作系統為整個主存系統建立一個實主存管理表，它包括占用區域表和可用區域表兩部分。占用區域表的每一項（行）用來指明主存中哪些區域已被占用，被哪道程序的哪個段占用以及該段在主存的起點和長度。此外，還可以設置諸如該段是否進入主存后被改寫過的字段，以便該段由主存中釋放時，決定是否還要將其寫回到輔存中原先的位置來減少輔助操作。可用區域表的每一項（行）則指明每一個未被占用的基地址和區域大小。當一個段從輔存裝入主存時，操作系統就在占用區域表中增加一項，并修改可用區域表。而當一個段從主存中退出時，就將其在占用區域表的項（行）移入可用區域表中，并進行有關它是否可與其它可用區歸并的處理，修改可用區域表。當某道程序全部執行結束或者是被優先級更高的程序所取代時，也應將該道程序的全部段的項從占用區域表移入可用區域表并作相應的處理。

希望與更多計算機等級考試的網友交流，請進入計算機等級考試論壇

更多信息請訪問：考試吧計算機等級考試欄目