计算机系统结构第4章(存储系统)
计算机组成原理第四章存储系统(一)(含答案)
第四章、存储系统（一）4.1 存储系统层次结构随堂测验1、哈弗结构（Harvard Architecture）是指（）（单选）A、数据和指令分别存放B、数据和指令统一存放C、指令和数据分时存放D、指令和数据串行存放2、如果一个被访问的存储单元，很快会再次被访问，这种局部性是（）（单选）A、时间局部性B、空间局部性C、数据局部性D、程序局部性3、下列关于存储系统层次结构的描述中正确的是（）（多选）A、存储系统层次结构由Cache 、主存、辅助存储器三级体系构成B、存储系统层次结构缓解了主存容量不足和速度不快的问题C、构建存储系统层次结构的的原理是局部性原理D、构建存储系统层次结构还有利于降低存储系统的价格4、下列属于加剧CPU和主存之间速度差异的原因的是（）（多选）A、由于技术与工作原理不同，CPU增速度明显高于主存增速率B、指令执行过程中CPU需要多次访问主存C、辅存容量不断增加D、辅存速度太慢5、下列关于局部性的描述中正确的是（）（多选）A、局部性包括时间局部行和空间局部性B、局部性是保证存储系统层次结构高效的基础C、顺序程序结构具有空间局部性D、循环程序结构具有时间局部性4.2 主存中的数据组织随堂测验1、设存储字长为64位,对short 变量长度为16位，数据存储按整数边界对齐，关于short 变量j 在主存中地址的下列描述中正确的是（）（此题为多选题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 32、设存储字长为64位,对char 变量长度为8位，数据存储按整数边界对齐，关于char 变量j 在主存中地址的下列描述中正确的是（）（此题为多选题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 33、下列关于大端与小端模式的描述中，正确的是（）（此题为多选题）A、大端模式(Big-endian)是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中B、小端模式(Little-endian)是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中C、0x12345678 按大端模式存放时，其所在存储单元最低字节单元存放的数据是0x12D、0x12345678 按小端模式存放时，其所在存储单元最高字节单元存放的数据是0x124、下列关于存储字长的描述中正确的是（）（此题为多选题）A、主存一个单元能存储的二进制位数的最大值B、存储字长与所存放的数据类型有关C、存储字长等于存储在主存中数据类型包含的二进制位数D、存储字长一般应是字节的整数倍5、某计算机按字节编址，数据按整数边界存放，可通过设置使其采用小端方式或大端方式，有一个float 型变量的地址为FFFF C000H ,数据X = 12345678H，无论采用大端还是小段方式，在内存单元FFFF C001H，一定不会存放的数是（）（此题为多选题）A、12HB、34HC、56HD、78H4.3 静态存储器工作原理随堂测验1、某计算机字长16位，其存储器容量为64KB，按字编址时，其寻址范围是（）（单选）A、64KB、32KBC、32KD、64KB2、一个16K*32位的SRAM存储芯片，其数据线和地址线之和为（）（单选）A、48B、46C、36D、39。
计算机系统结构多媒体教程课件_第四章 存储系统
结论：CPU在执行程序时， 所用到的指令和数据的MEM 单元地址分布不会是随机的， 而是相对集中成自然的块或 页面(MEM中较小的连续单元 区)。
2013-8-31
《计算机系统结构》多媒体课件
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Embedded , desktop, server computers
2013-8-31 《计算机系统结构》多媒体课件 6
1、MEM容量、速度、价 格的矛盾 2、存贮体系层次 3、程序的局部性 4、存贮体系的性能参数
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《计算机系统结构》多媒体课件
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introduction
In 1980 microprocessors were often design without caches,while many come with two levels of caches on the chip. Why? !!!!
A A
Tm
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Tm
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《计算机系统结构》多媒体课件
(3)频宽Bm： * MEM连续访问时，每单位时间内存取的信 息量以bit/s OR Byte/s为单位。 * 单体MEM ：Bm =W/TM * 多体并行MEM ：Bm =W·m/TM 理想状态下MEM满负荷工作的最大频宽。 * 实际上由于MEM不可能一直处于RD/WR , 所以实际频宽 < 最大频宽。
1、MEM 容量 * Sm＝W*L*m * W:MEM 存储体字长（以 bit OR Byte 为单位） L:单个存贮体字数 m：并行工作的MEM 体个 数 * Sm 单位为***bit OR ***B
计算机系统结构课后答案unit4
第四章课后题1、设二级虚拟存储器的TA1=10^(-7)s、TA2=10^(-2)s,为使存储层次的访问效率e达到最大值的80%以上，命中率H至少要求达到多少？实际上这样高的命中率是很难达到的，那么从存储层次上如何改进？解：∵e=1/[H+(1-H)r] 且r=TA2/TA1 ∴H至少达到99.9%这样的命中率很难达到，可在二级存储器间加一层电子磁盘，降低r，从而降低对H的要求。
2、程序存放在模32单字交叉存储器中，设访存申请队的转移概率λ为25%,求每个存储周期能访问到的平均字数。
当模数为16呢？由此你可得到什么结论？解：B=[ 1-(1-λ)^m] /λ由λ=0.25,m=32 求得：B=4-4*(3/4)^32=4同理，m=16时,B=4-4*(3/4)^16=3.96由此可看出，当转移概率λ为25%比较大时，采用模32与模16的每个存储周期能访问的平均字数非常相近。
就是说，此时，提高模数m对提高主存实际频宽已不显著。
实际上，模数m的进一步增大，会因工程实现上的问题，导致实际性能反而可能比模16的还要低，且价格更高。
所以模数m不宜太大。
对于λ为25%的情况，可以计算机出m=8时，其B已经接近于3.6了。
3、设主存每个分体的存取周期为2μs，宽度为4个字节。
采用模m多分体交叉存取，但实际频宽只能达到最大频宽的0.6倍。
现要求主存实际频宽为4M B/S,问主存模数m应取多少方能使两者速度基本适配？其中m取2的幂。
解：由题意已知存取周期Tm=2*10^(-6)s,宽度W=4B,B实=0.6Bm=4*2^20 B/S,Bm=W*m/Tm=6.99*10^6B/Sm=Bm*Tm/W=6.99*10^6*2*10^-6/4=3.495所以m取4能满足要求P.S.①微秒（百万分之一秒) 1μs=10^-6s②计量单位中的M(兆)是10的6次方，见到M自然想起要在该数值的后边续上六个0，即扩大一百万倍。
在二进制中，MB也表示到了百万级的数量级，但1 MB不正好等于1000000字节，而是1048576字节，即1MB = 2E+20 By tes = 1048576Bytes。
计算机操作系统第四章存储器管理复习资料
第四章存储器管理第一部分教材习题（P159）15、在具有快表的段页式存储管理方式中，如何实现地址变换？答：在段页式系统中，为了便于实现地址变换，须配置一个段表寄存器，其中存放段表始址和段长TL。
进行地址变换时，首先利用段号S，将它与段长TL进行比较。
若S<TL，表示未越界，利用段表始址和段号来求出该段所对应的段表项在段表中的位置，从中得到该段的页表始址，并利用逻辑地址中的段内页号P来获得对应页的页表项位置，从中读出该页所在的物理块号b，再利用块号b和页内地址来构成物理地址。
在段页式系统中，为了获得一条指令或数据，须三次访问内存。
第一次访问内存中的段表，从中取得页表始址；第二次访问内存中的页表，从中取出该页所在的物理块号，并将该块号与页内地址一起形成指令或数据的物理地址；第三次访问才是真正从第二次访问所得的地址中，取出指令或数据。
显然，这使访问内存的次数增加了近两倍。
为了提高执行速度，在地址变换机构中增设一个高速缓冲寄存器。
每次访问它时，都须同时利用段号和页号去检索高速缓存，若找到匹配的表项，便可从中得到相应页的物理块号，用来与页内地址一起形成物理地址；若未找到匹配表项，则仍须再三次访问内存。
19、虚拟存储器有哪些特征？其中最本质的特征是什么？答：虚拟存储器有以下特征：多次性：一个作业被分成多次调入内存运行，亦即在作业运行时没有必要将其全部装入，只需将当前要运行的那部分程序和数据装入内存即可；以后每当要运行到尚未调入的那部分程序时，再将它调入。
多次性是虚拟存储器最重要的特征，任何其他的存储器管理方式都不具有这一特征。
因此，认为虚拟存储器是具有多次性特征的存储器系统。
对换性：允许在作业的运行过程中进行换进、换出，也即，在进程运行期间，允许将那些暂不使用的程序和数据，从内存调至外存的对换区（换出），待以后需要时再将它们从外存调至内存（换进）；甚至还允许将暂不运行的进程调至外存，待它们重又具备运行条件时再调入内存。
计算机组成原理第四章部分课后题答案（唐朔飞版）
计算机组成原理第四章部分课后题答案（唐朔飞版）4.1 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。
主存：⽤于存放数据和指令，并能由中央处理器直接随机存取，包括存储器体M、各种逻辑部件、控制电路等辅存：辅助存储器，⼜称为外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据）。
存储容量⼤、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脱机保存信息。
主要包括磁表⾯存储器、软盘存储器、磁带存储设备、光盘存储设备。
Cache：⾼速缓冲存储器，⽐主存储器体积⼩但速度快，⽤于保有从主存储器得到指令的副本很可能在下⼀步为处理器所需的专⽤缓冲器。
RAM：(Random Access Memory)随机存储器。
存储单元的内容可按需随意取出或存⼊，且存取的速度与存储单元的位置⽆关的存储器。
这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要⽤于存储短时间使⽤的程序。
按照存储信息的不同，随机存储器⼜分为静态随机存储器（StaticRAM,SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM)。
SRAM：(Static Random Access Memory)它是⼀种具有静⽌存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。
DRAM：(Dynamic Random Access Memory)，即动态随机存取存储器最为常见的系统内存。
DRAM 只能将数据保持很短的时间。
为了保持数据，DRAM使⽤电容存储，所以必须隔⼀段时间刷新（refresh）⼀次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。
（关机就会丢失数据）ROM：只读内存（Read-Only Memory）的简称，是⼀种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。
其特性是⼀旦储存资料就⽆法再将之改变或删除。
通常⽤在不需经常变更资料的电⼦或电脑系统中，资料并且不会因为电源关闭⽽消失。
PROM：(Programmable Read-Only Memory)－可编程只读存储器，也叫One-Time Programmable (OTP)ROM“⼀次可编程只读存储器”，是⼀种可以⽤程序操作的只读内存。
计算机操作系统第四章-存储器管理
第四章存储器管理第0节存储管理概述一、存储器的层次结构1、在现代计算机系统中，存储器是信息处理的来源与归宿，占据重要位置。
但是，在现有技术条件下，任何一种存储装置，都无法从速度、容量、是否需要电源维持等多方面，同时满足用户的需求。
实际上它们组成了一个速度由快到慢，容量由小到大的存储装置层次。
2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：少量的、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：若干(千)兆字节、中等速度、中等价格、需要电源维持、CPU可直接访问；•磁盘高速缓存：存在于主存中；•磁盘：数千兆或数万兆字节、低速、价廉、不需要电源维持、CPU 不可直接访问；由操作系统协调这些存储器的使用。
二、存储管理的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在成本、速度和规模之间获得较好的权衡。
(注意cpu和主存储器，这两类资源管理的区别)2、存储管理的主要功能：•地址重定位•主存空间的分配与回收•主存空间的保护和共享•主存空间的扩充三、逻辑地址与物理地址1、逻辑地址(相对地址，虚地址)：用户源程序经过编译/汇编、链接后，程序内每条指令、每个数据等信息，都会生成自己的地址。
●一个用户程序的所有逻辑地址组成这个程序的逻辑地址空间(也称地址空间)。
这个空间是以0为基址、线性或多维编址的。
2、物理地址(绝对地址，实地址)：是一个实际内存单元(字节)的地址。
●计算机内所有内存单元的物理地址组成系统的物理地址空间，它是从0开始的、是一维的；●将用户程序被装进内存，一个程序所占有的所有内存单元的物理地址组成该程序的物理地址空间(也称存储空间)。
四、地址映射(变换、重定位)当程序被装进内存时，通常每个信息的逻辑地址和它的物理地址是不一致的，需要把逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；地址映射分静态和动态两种方式。
1、静态地址重定位是程序装入时集中一次进行的地址变换计算。
物理地址= 重定位的首地址+ 逻辑地址•优点：简单，不需要硬件支持；•缺点：一个作业必须占据连续的存储空间；装入内存的作业一般不再移动；不能实现虚拟存储。
02325计算机系统结构复习资料
第一章计算机系统结构的基本概念从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。
位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。
位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。
全并行的例子有：阵列处理机ILLIACIV。
从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。
存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。
例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。
处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
处理器操作并行是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
擅长对向量、数组进行处理。
例子有阵列处理机。
指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
并行性的开发途径有时间重叠(Time Interl eaving )，资源重复(Resou rceReplication)，资源共享(ResourceSharing)。
时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
例子有阵列处理机，相联处理机。
资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一条指令对一个数据的操作。
计算机系统结构(第2版(课后习题答案
word 文档下载后可自由复制编辑你计算机系统结构清华第 2 版习题解答word 文档下载后可自由复制编辑1 目录1.1 第一章（P33）1.7-1.9 （透明性概念），1.12-1.18 （Amdahl定律），1.19、1.21 、1.24 （CPI/MIPS）1.2 第二章（P124）2.3 、2.5 、2.6 （浮点数性能），2.13 、2.15 （指令编码）1.3 第三章（P202）3.3 （存储层次性能）， 3.5 （并行主存系统），3.15-3.15 加 1 题（堆栈模拟），3.19 中（3）（4）（6）（8）问（地址映象/ 替换算法-- 实存状况图）word 文档下载后可自由复制编辑1.4 第四章(P250)4.5 （中断屏蔽字表/中断过程示意图），4.8 （通道流量计算/通道时间图）1.5 第五章（P343）5.9 （流水线性能/ 时空图），5.15 （2种调度算法）1.6 第六章（P391）6.6 （向量流水时间计算），6.10 （Amdahl定律/MFLOPS）1.7 第七章（P446）7.3 、7.29（互连函数计算），7.6-7.14 （互连网性质），7.4 、7.5 、7.26（多级网寻径算法），word 文档下载后可自由复制编辑7.27 （寻径/ 选播算法）1.8 第八章(P498)8.12 ( SISD/SIMD 算法)1.9 第九章(P562)9.18 ( SISD/多功能部件/SIMD/MIMD 算法)（注：每章可选1-2 个主要知识点，每个知识点可只选 1 题。
有下划线者为推荐的主要知识点。
）word 文档 下载后可自由复制编辑2 例 , 习题2.1 第一章 (P33)例 1.1,p10假设将某系统的某一部件的处理速度加快到 10倍 ,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知： Fe=0.4, Se=10，根据 Amdahl 定律S n To T n1 (1Fe )S n 1 10.6 0.4100.64 Fe Se 1.56word 文档 下载后可自由复制编辑例 1.2,p10采用哪种实现技术来求浮点数平方根 FPSQR 的操作对系统的性能影响较大。
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4.三级存储系统
多数计算机是由高速缓冲存储器(Cache)、主存 储器和磁盘存储器(辅存)构成一个三级存储系统.
实现方式:组织成2个独立的二级存储系统.
(1)由Cache和主存组成的“Cache-主存”存储 系统,或称为Cache存储器.
1.程序访问局部性 2.存储系统的多级层次结构 3.存储系统的透明性要求 4.三级存储系统
1.程序访问局部性
程序访问局部性包括:时间局部性和空间局部性.
时间局部性:程序在最近的未来要用到的信息很可能 是在正在使用的信息. 如循环程序的多次重复使用.
空间局部性:程序在最近的未来用用到的信息很可能 同现在使用的信息在存储空间位置上是相邻近的.
的页面替换算法。 4.掌握Cache存储系统的地址映象及变换方法以
及Cache存储系统的块替换算法。
第4章 存储系统/Memory System
【学习内容】
4.1 存储系统的层次结构与性能指标 4.2并行存储器
4.3虚拟存储器 4.4高速缓冲存储器（Cache) 4.5三级存储系统
4.1 存储系统的层次结构与性能指标
这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程 序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接 近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大 的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜 的那个存储器。
具有这种层次的存储系统能获得比较高的性能 价格比的重要依据是:程序对程序空间的访问具有 程序访问局部性的特点.
存储器的层次结构
是辅存的地址空间,而是比实际物理地址空间大得多的 虚拟地址空间,并且用像主存一样的随机访问方式. 2.存储系统的带宽 存储器被连续访问时能提供的数据传输率称为存储器 的最大带宽(一般用每秒钟所传送的信息位数来衡量)。由于 存储器不一定始终满负荷工作,因此,存储器的实际带宽 一般低于最大带宽.
Cache存储器对系统程序员也是透明的,操作 系统不会参与对Cache存储器的管理.
在虚拟存储器中,为了降低成本,有部分功能由 操作系统的存储管理软件来实现,因此,虚拟存储器 对系统程序员是不透明的.
目前,很多CPU的芯片内集成有Cache,因此把 Cache又分为相临的二级,片内Cache称为一级 Cache,片外Cache称为二级Cache.
4.1.2存储系统的性能指标
两个存储器组成的存储系统.
T1＜ T2 , S1 ＜S2 , C1＞ C2
存储系统的性能指标
1.存储系统的容量 S 存储系统对计算机的使用者提供尽可能大地址空间,且
能够随机访问. 对于Cache存储器,其容量等于主存的容量,既M=M2. 对于虚拟存储器,其容量既不是主存的地址空间,也不
存储器的层次结构
存储器的主要性能指标 速度: 用存储器的访问周期、读出时间、频带 宽度等表示 容量: 用字节B、千字节KB、兆字节MB和千兆 字节GB等表示 价格: 用单位容量的价钱表示，例如$C/bit
存储器的层次结构
存储系统的定义
两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的 存储器,用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方 法连接起来成为一个系统。
4.1.1 存储器的层次结构 4.1.2存储系统的性能指标
存储器的层次结构
计算机中的存储器
类型:
主存储器、Cache、通用寄存器、 各种缓冲存储器
构成材料: ECL, TTL, MOS，磁表面存储器，光 存储器,SRAM,DRAM 直接译码、随机访问、相联访问、块
访问方式： 交换、文件组、手工加载等
Cache存储器是针对主存速度不能满足而提出 来的,在物理Cache和主存之间增加辅助硬件,使 Cache和主存构成一个整体, Cache存储器的等效 访问速度接近物理Cache访问速度,容量却是主存 的容量,每位价格接近主存的价格.
三级存储系统
虚拟存储器和Cache存储器对应用程序员都是 透明的.由于CPU与主存的速度只差1个数量级,主 存与辅存的速度却差3～4个数量级,因此, Cache 只能全部采用硬件来实现.
3.存储系统的透明性要求
存储系统应满足以下透明性要求:
(1)在程序执行期间,CPU产生一个连续的逻辑地 址流,逻辑地址需要变换为某个Mi的物理地址,才能
实现对Mi的访问,这钟地址变换对程序员应该是透
明的.
(2) 在两个相临的存储器Mi 和Mi+1 之间调入和调 出块或页的操作对程序员也应该是tem
以存储器为 中心的计算 机结构
主存
读缓存 读缓 写缓 器指令 存器 存器
CPU
I/O I/O 部部 件件
现代计算机系统都以存储器为中心.在计算机运行过程 中，存储器是各种信息存储和交换的中心.
存储系统/Memory System
【学习目标】
1.领会存储系统的含义及其性能指标. 2. 理解并行存储器的工作原理。 3.掌握虚拟存储系统的工作原理和虚拟存储系统
程序访问局部性指出了最近的未来要使用的指令和 数据很可能就是正在使用的指令和数据,或者是与 正在使用的指令和数据在存储空间位置上相邻的 指令和数据.因此,可以把存储空间位置相邻的信息 作为一“块”或一“页”放到容量最小但速度最 快的一级存储器中,从而可以使访问速度接近速度 最快的那一级的存储器的速度.
(2)由主存和磁盘存储器组成的“主存-辅存”存 储系统,因采用虚拟存储技术,也称为虚拟存储器.
Cache
主存
辅存
三级存储系统
虚拟存储器(Virtual Memory )是针对主存容量 不能满足要求而提出来的,在主存和辅存之间增加 辅助的软件和硬件,使主存和辅存构成一个整体. 等效的访问速度接近于主存访问速度,容量是辅存 的容量,每位价格接近于辅存.
2.存储系统的多级层次结构 例如:
由n个速度、容量、价格各不相同的存储器组成的存储系统.其中, M1级最靠近CPU,它的速度最快,或者说M1的访问周期T1最小,正是 通过高速的M1使存储系统的访问速度能与CPU的速度匹配.但是, 高速的M1的单位容量的平均价格同速度较低的存储器相比要贵得 多,容量S1也因为价格的限制不能T太大.多层次结构的存储系统的 性能价格比有优于任何的单级存储器.