【正文】 在計算機(jī)系統(tǒng)中，相聯(lián)存儲器主要用于虛擬存儲器中存放段表、頁表和快表以及高速緩沖存儲器中的查找。 時間局部性：指當(dāng)程序訪問一個存儲位置時，有很大的可能性程序會在不久的將來再次訪問 同一位置，程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)和過程調(diào)用就很好地體現(xiàn)了時間局部性。 地址映射：指把主存地址空間映射到Cache的地址空間，即把存放在主存中的程序或數(shù)據(jù)按 照某種規(guī)則裝入到Cache，并建立兩者之間地址的對應(yīng)關(guān)系。 組相聯(lián)映射：地址映射時，主存數(shù)據(jù)塊只能映射到索引字段所指向的Cache特定組（其中的 行可任選）；地址變換時，需查找的范圍也只是索引字段所指向的特定Cache組的所有行。直接映射：地址映射時，主存數(shù)據(jù)塊只能映射到索引字段所指向的Cache行中保存；地址變 換時，需查找的范圍也只涉及索引字段所指向的特定Cache行。全相聯(lián)映射：主存地址不劃分索引字段，因此地址映射時，主存數(shù)據(jù)塊可以映射到Cache 的任意行中；地址變換時，需查找所有的Cache行。命中率：指CPU訪問存儲系統(tǒng)時，命中Cache的次數(shù)占總訪問次數(shù)的比鋁。設(shè)NC為某程序運行期間命中Cache的次數(shù)，Nm為從主存中訪問信息的次數(shù)，則 命中率（hit ratio）H定義為： 地址復(fù)用：可以從不同的角度來理解該概念。第一種方式是指CPU的地址線在一次存儲訪問過程中多次使用，每次作為訪問地址的不同部分使用；另一種是指地址線在一次存儲訪問的不同階段分別作為地址線和數(shù)據(jù)線使用，即地址總線在存儲訪問的不同時間段表現(xiàn)出不同的功能。字?jǐn)U展：用多位滿足一定要求的存儲芯片構(gòu)成容量更大的存儲器。 位擴(kuò)展：用多片存儲芯片構(gòu)成位數(shù)更多的存儲器。 虛擬存儲器：是一種解決主存容量不足的存儲管理機(jī)制，處于存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中“主存輔存”存儲層次。在這種機(jī)制下，通過增加部分軟件(如操作系統(tǒng))和必要的硬件(如地址映射與轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、缺頁中斷結(jié)構(gòu)等)，使輔存和主存構(gòu)成一個有機(jī)的整體，就像一個單一的、可供CPU直接訪問的大容量主存，程序員使用比主存空間大的邏輯地址空間編程序，作業(yè)運行時，主需要將作業(yè)當(dāng)前執(zhí)行的部分調(diào)入內(nèi)存，而其余部分仍然存放在磁盤中，從而減少對主存的消耗。 頁表(慢表)：是一張保存虛擬頁號和物理頁號(也稱實頁號)之間對應(yīng)關(guān)系的表格。 頁表項：頁表的表項，每一個表項由有效位和物理頁號兩部分構(gòu)成，用于實現(xiàn)虛擬地址與物理地址之間的轉(zhuǎn)換。 TLB(快表)：又稱為轉(zhuǎn)換旁路緩沖器(Translation Look aside Buffer)，為了降低虛擬存儲器地址轉(zhuǎn)換的開銷，根據(jù)局部性原理，將頁表的一部分裝入MMU或Cache中，從而減少虛擬地址與物理地址之間轉(zhuǎn)換時訪問內(nèi)存的次數(shù)。 LRU：LRU(Least Recently Used)算法是將近期內(nèi)長久未被訪問過的行換出。 LFU：LFU(Least Frequently Used)算法將一段時間內(nèi)被訪次數(shù)最少的那行數(shù)據(jù)換出。 存儲保護(hù)：為了保證計算機(jī)系統(tǒng)能正確運行，當(dāng)多個用戶共享主存時，應(yīng)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,以及一個用戶程序不合法地訪問不是分配給它的主存區(qū)域。Cache一致性：指保存在cache中的數(shù)據(jù)與保存在主存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)相同。 寫回法：當(dāng)CPU對Cache寫命中時，只修改Cache的內(nèi)容不立即寫入主存，只當(dāng)Cache行被替換時才將Cache中的數(shù)據(jù)寫回主存。 寫直達(dá)法：也稱寫貫通法或全寫法，其基本思想是當(dāng)Cache寫命中時，同時對Cache和主存中同一數(shù)據(jù)塊進(jìn)行修改；當(dāng)cache寫未命中時，直接向主存寫入新的信息，但此時是否將修改過的主存塊調(diào)入Cache，寫直達(dá)法卻有兩種選擇。一種是將數(shù)據(jù)調(diào)入Cache，稱為寫分配法WA(WriteAllocate)。另一種是不取主存塊到Cache，而是直接寫主存，稱為非寫分配法NWA(NoWriteAllocate)。邊界對齊的數(shù)據(jù)存放：指半字、字、雙字都按它們各自地址所指定的空間進(jìn)行存儲，而不是 隨意存放。 大端：存儲器的低字節(jié)地址單元中存放的是數(shù)據(jù)的最高字節(jié)，高字節(jié)地址單元中存放的是數(shù) 據(jù)的最低字節(jié)。RAID：廉價冗余磁盤陣列RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk）或獨立冗余磁盤陣列RAID(Redundant Array of Independent Disk)，簡稱磁盤陣列，它將多塊獨立的普通磁盤按照一定的方式組織與管理，構(gòu)成一個大容量、高速度、高容錯的存儲系統(tǒng)。 尋道時間：將磁頭定位到指定磁道上所需的時間。旋轉(zhuǎn)時間：磁頭定位到指定磁道后至指定的記錄移到磁頭下的時間。 回答下列問題:1) 計算機(jī)系統(tǒng)中采用層次化存儲體系結(jié)構(gòu)的目的是什么? 層次化存儲體系結(jié)構(gòu)如何構(gòu)成?答：采用層次化存儲體系的目的包括兩方面:其一是解決快速的CPU和慢速的主存之間的速度差異。其二是解決主存容量不夠大的問題.存儲系統(tǒng)的分級結(jié)構(gòu)由Cache、主存和輔助存儲器三級結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其理論基礎(chǔ)是時間局部性原理和空間局部性原理，Cache—主存存儲層次解決了主存速度不快的問題；而主存輔存存儲層次解決了主存容量不足的問題。2)為什么在存儲器芯片中設(shè)置片選輸入端？答：由于存儲芯片的容量及字長與目標(biāo)存儲器的容量及字長之間可能存在差異，應(yīng)用存儲芯片組織一定容量與字長的存儲器時，一般可采用位擴(kuò)展、字?jǐn)U展、字位同時擴(kuò)展等方法來組織。這樣就會使用多個存儲芯片，從而要設(shè)置片選輸入端來選擇正確的存儲芯片來進(jìn)行操作。3)動態(tài)MOS存儲器為什么要刷新？如何刷新？答：動態(tài)存儲單元中，信息以電荷形式存儲在T1或T2管的柵極電容中。由于電容容量小，所存電荷會在一段時間后逐漸泄漏(一般為ms級)，為使所存信息能長期保存，需要在電容電荷泄露完之前定時地補充電荷，這一過程稱為刷新。刷新的方法：①刷新方式：集中刷新、分散刷新和異步刷新。前者存在CPU死時間；分散刷新由于刷新次數(shù)過多，降低了存儲器的速度；異步刷新是前兩者的折中。②刷新按行進(jìn)行,因此設(shè)計刷新電路時需要知道動態(tài)存儲器的內(nèi)部行、列結(jié)構(gòu)。③刷新地址由刷新地址計數(shù)提供。4)試述多體交叉存儲器的設(shè)計思想和實現(xiàn)方法。答：多體交叉存儲器由多個存儲模塊構(gòu)成，這些模塊的容量和存取速度相同，具有各自獨立的地址寄存器、地址譯碼器、驅(qū)動電路和讀寫控制電路。根據(jù)對多各模塊編址方式的不同，又可分為高位多體交叉和低位多體交叉兩種方式。(1)高位交叉：按存儲器地址的高位地址劃分模塊，同一存儲體內(nèi)的地址是連續(xù)的。當(dāng)多個目標(biāo)同時訪問存儲器時(如CPU和DMA設(shè)備同時訪問存儲器)，如果訪問的地方范圍處于不同的存儲芯片，則提供并行訪問。(2)低位交叉：按存儲器地址的低位地址劃分模塊，同一存儲體內(nèi)的地址不相鄰，相鄰地址處在不同存儲體中。CPU可同時啟動多個存儲體，并進(jìn)行并行訪問。5)為什么說Cache對程序員是透明的?答：因為在程序員看來，數(shù)據(jù)是在內(nèi)存和輔存之間進(jìn)行交換的，程序員感覺不到中間層cache的存在。6) 直接映射方式下為什么不需要使用替換算法?答：因為在直接映射方式中，一個內(nèi)存塊只能固定的映射到cache中的特定行，當(dāng)有新的主存塊調(diào)入時, cache特定行中的內(nèi)容必須調(diào)出,因此不需要替換算法去選擇替換掉哪一塊。7) 為什么要考慮Cache的一致性?答：正常情況下,cache中的數(shù)據(jù)是主存數(shù)據(jù)的副本,當(dāng)兩者不一致時可能導(dǎo)致程序結(jié)果不正確,因此,必須考慮并設(shè)法保證Cache的一致性。8) 替換算法有哪幾種?各有何優(yōu)缺點?答：① 先進(jìn)先出算法(FIFO)基本思想：按照數(shù)據(jù)塊進(jìn)入Cache的先后決定替換的順序，即在需要進(jìn)行替換時，選擇最先 被調(diào)入Cache中的塊作為替換塊。這種方法要求為每塊記錄它們進(jìn)入Cache的先 后次序。優(yōu)點：FIFO算法系統(tǒng)開銷較小。缺點：是不考慮程序訪問的局部性，可能會把一些需要經(jīng)常使用的塊（如循環(huán)程序塊）也作 為最早進(jìn)入Cache的塊而替換掉，因此，可能導(dǎo)致Cache的命中率不高。② 近期最少使用(LRU)算法基本思想：將近期內(nèi)長久未被訪問過的行換出。為此，每行設(shè)置一個計數(shù)器，cache每命中一次，命中行計數(shù)器清零，其它各行計數(shù)器增1，因此它是未訪問次數(shù)計數(shù)器。當(dāng)需要替換時，比較各特定行的計數(shù)值，將計數(shù)值最大的行換出。優(yōu)點：這種算法顯然保護(hù)了剛調(diào)入Cache的新數(shù)據(jù)，符合cache工作原理，因而使cache有較高 的命中率。LRU算法硬件實現(xiàn)簡單③ 最不經(jīng)常使用(LFU)算法基本思想：將一段時間內(nèi)被訪次數(shù)最少的那行數(shù)據(jù)換出。為此，每行設(shè)置一個計數(shù)器，新新 調(diào)入行的數(shù)據(jù)從0開始計數(shù)，每訪問一次被訪行的計數(shù)器增1。當(dāng)需要替換時，對 這些特定行的計數(shù)值進(jìn)行比較，將計數(shù)值最小的行換出。缺點：一段期間訪問情況不能嚴(yán)格反映近期訪問情況。例如特定行中的A、B兩行，A行在期間的前期多次被訪問而后期未被訪問，但累積計數(shù)值很大，B行是前期不常用而后期卻正被頻繁訪問，但可能由于累積計數(shù)小于A行而被LFU算法換出了。④ 隨機(jī)替換算法基本思想：需要進(jìn)行替換時，從特定的行位置中隨機(jī)地選取一行進(jìn)行替換。優(yōu)點：硬件實現(xiàn)最容易，而且速度也比前幾種策略快。缺點：隨意換出的數(shù)據(jù)很可能馬上又要用，從而降低命中率和cache工作效率。但這個負(fù)面效應(yīng)隨著cache容量增大會減少，模擬研究表明隨機(jī)替換策略的功效只是稍遜于LFU和LRU。9) 不同RAID級各有哪些技術(shù)特點?答：RAID0具有如下技術(shù)特點：① 無數(shù)據(jù)冗余、無數(shù)據(jù)校驗功能，因此它不具備數(shù)據(jù)的容錯能力，數(shù)據(jù)的可靠性不高；② 從RAID0的數(shù)據(jù)分布看，其本質(zhì)上是多磁盤體交叉存儲(類似于主存的多體交叉存儲)，多個磁盤可并行工作，存儲系統(tǒng)的訪問速度高。③ 條帶的大小影響RAI0的性能與應(yīng)用 a)條帶大小對數(shù)據(jù)傳輸率的影響:小條帶可將數(shù)據(jù)分配到更多的磁盤上，通過更多磁盤的并行工作可提高存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率。 b)條帶對I/O請求響應(yīng)速度的影響:在面向事物處理的應(yīng)用中，可能同時存在上百個I/O請求。此時，用戶對I/O請求的響應(yīng)時間比較關(guān)注。通過選者小而適中的條帶，使得一次事務(wù)請求所傳送的數(shù)據(jù)剛好集中在一個條帶中，就能大大減少每個I/O請求的響應(yīng)時間。④ 磁盤利用率高，由于RAID 0中沒有冗于數(shù)據(jù)，所有的磁盤存儲空間都可保存工作數(shù)據(jù)。RAID0主要應(yīng)用于對訪問速度要求高，但對數(shù)據(jù)的可靠性要求不高的場合。RAID 1具有如下技術(shù)特點：① 每個磁盤都有一個鏡象磁盤，；② 讀請求時，可由包含該數(shù)據(jù)的兩個磁盤中的任一個提供；寫請求時，需同時更新兩個磁盤中相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊；③ 當(dāng)一個磁盤被損壞時，數(shù)據(jù)仍可從另一磁盤獲取。因此具有很高的安全性；④ 存儲系統(tǒng)中磁盤的利用率只有50%；⑤ 無數(shù)據(jù)校驗功能；⑥ 對大批讀請求來說，RAID 1可以從對應(yīng)的盤中并行讀出。但對于寫，其效率并不高。由于RAID1的讀性能優(yōu)于寫性能，因此，RAID1主要應(yīng)用于對數(shù)據(jù)的可用性要求高，且讀操作所占比重較高的場合。RAID2具有如下技術(shù)特點：① 條帶容量小，按位交叉存儲，因此每個I/O請求都會訪問到多個磁盤，導(dǎo)致I/O響應(yīng)速度慢；② 每個I/O請求都會訪問到多個磁盤；對于單個讀，所有磁盤同時讀取，數(shù)據(jù)和相應(yīng)的糾錯碼被送至控制器，若出現(xiàn)一位錯，則由控制器立即識別并糾正。對于單個寫，所有數(shù)據(jù)盤和校驗盤都要進(jìn)行寫操作；③ 采用海明校驗，具有糾錯和檢錯功能，數(shù)據(jù)的可靠性高；但控制復(fù)雜；④ 冗余存放校驗位，其數(shù)量與使用的數(shù)據(jù)盤的數(shù)量成正比；⑤ 由于按位存取，在I/O過程中所有磁盤上的磁頭在任何時刻都處于同一位置，具有空間并行處理能力，數(shù)據(jù)傳輸率高。受成本的影響，目前RAID2很少被使用。RAID 3的技術(shù)特點與RAID2類似,不同點主要有兩方面，其一是采用奇偶校驗而不是海明校驗，其二是校驗盤只有一個，磁盤的利用率高。RAID4的技術(shù)特點如下：① 采用大條帶區(qū)，I/O請求響應(yīng)速度快，但數(shù)據(jù)傳輸率不高；② 采用奇偶校驗技術(shù)；③ 各盤采用獨立存取技術(shù)；④ 磁盤利用率高；⑤ 校驗盤成為寫訪問的瓶頸。RAID5具有如下技術(shù)特點：① 采用大條帶區(qū)，I/O請求響應(yīng)速度快；② 采用奇偶校驗技術(shù)；③ 各盤采用獨立存取技術(shù)；④ 校驗信息在不同磁盤中循環(huán)存放，克服了RAID4中校驗盤成為寫瓶頸的不足；⑤ 磁盤利用率高?？梢哉J(rèn)為RAID5是對RAID4的改進(jìn)，對大、小數(shù)據(jù)的讀/寫都具有較好的性能，具有比較廣泛的應(yīng)用。RAID 6采用了按塊交叉存放和雙磁盤容錯技術(shù)，相對RAID 5而言，其缺點是在組成中增加了一個磁盤，而且每次寫都要進(jìn)行P和Q兩種校驗以形成兩個奇偶校驗塊。10) 說明磁表面存儲器記錄二進(jìn)制信息的基本原理。答：磁表面存儲器利用磁性材料剩磁的兩種磁化方向(SN或者NS)來記錄信息。寫入信息時，在讀／寫線圈中通上脈沖電流（電流的方向不同，則寫入的信息不同），磁頭氣隙處的磁場把它下面一小區(qū)域的磁層向某一方向磁化（S—N或 N—S），形成某種剩磁狀態(tài)，因而記下一位二進(jìn)制信息。磁層上這個被磁化的小區(qū)域，稱為磁化單元。隨著磁層的運動，讀／寫線圈中的一串電流脈沖，就會在磁層上形成一串磁化單元。讀出時，某一磁化單元移動到磁頭處，在磁層與磁頭交鏈的磁路中磁通發(fā)生變化，于是在讀／寫線圈中感應(yīng)出不同方向的電流，經(jīng)讀出放大器放大和整形之后，還原出寫入的信息。11) 主存與磁盤存儲器在工作速度方面為何采用不同的參數(shù)指標(biāo)？后者采用哪幾個指標(biāo)表明其工作速度？為什么？答：因為兩種存儲器的存儲數(shù)據(jù)的原理不同，所以不能采用同一種技術(shù)指標(biāo)。磁盤存儲器采用平均定位時間（尋道時間+等待時間）和數(shù)