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存储系统

存储系统. 支持 OS 运行硬件环境的一个重要方面： 作业必须把它的程序和数据存放在主存储器（内存）中才能运行 多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入主存储器 操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受到破坏 操作系统本身也要存放在主存储器中并运行. 1 、 存储器的类型. 两类存储器：读写型的存储器 只读型的存储器 读写型的存储器 可把数据存入其中任一地址单元，并可在以后的任何时候把数据读出，或者重新存入新的数据的一种存储器 常被称为随机访问存储器 （ RAM ： Random Access Memory ）

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Presentation Transcript

  1. 存储系统 支持OS运行硬件环境的一个重要方面： • 作业必须把它的程序和数据存放在主存储器（内存）中才能运行 • 多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入主存储器 • 操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受到破坏 • 操作系统本身也要存放在主存储器中并运行

  2. 1、存储器的类型 两类存储器：读写型的存储器 只读型的存储器 读写型的存储器 • 可把数据存入其中任一地址单元，并可在以后的任何时候把数据读出，或者重新存入新的数据的一种存储器 • 常被称为随机访问存储器（RAM：Random Access Memory） • RAM主要用作存放随机存取的程序的数据

  3. 只读型的存储器: • 只能从其中读取数据，但不能随意用普通方法写入数据（写入数据只能用特殊方法） • 称为只读存储器（ROM：Read-Only Memory） 变型:PROM和EPROM • PROM:一种可编程只读存储器，使用特殊PROM写入器写入数据 • EPROM:用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去”信息，恢复原来状态，然后使用特殊EPROM写入器写入数据 在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在ROM中 如:PC BIOS和CBASIC解释程序被固化于ROM中

  4. 2、存储器的层次结构 存储系统设计三个问题： 容量、速度和成本 • 容量：需求无止境 • 速度：能匹配处理器的速度 • 成本问题：成本和其它部件相比应在合适范围之内

  5. 容量、速度和成本 • 三个目标不可能同时达到最优，要作权衡 • 存取速度快，每比特价格高 • 容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢 解决方案：采用层次化的存储体系结构 • 当沿着层次下降时 • 每比特的价格将下降，容量将增大 • 速度将变慢，处理器的访问频率也将下降

  6. 层次化的存储体系结构

  7. 存储访问局部性原理 提高存储系统效能关键点：程序存储访问局部性原理 • 程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合 • 对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定地保持在一个存储器的局部区域 处理器主要和存储器的局部打交道 在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会改变

  8. 设计多级存储的体系结构 原则：级别较低存储器比率小于级别较高存储器比率 假设两级存储器： • 第I级包含1KB，存取时间为0.1μs • 第II级包含1MB，存取时间为1μs 存取I级中的内容，直接存取 存取II级，首先被转移到I级，然后再存取 假设确定内容所在位置时间可以忽略 若在I级存储器中发现存取对象的概率是95%，则平均访问时间为： 结果非常接近I级存储的存取时间

  9. T1：I级存储器的存取时间 T2：II级存储器的存取时间 一个简单二级存储系统的性能

  10. 3、存储分块 • 存储最小单位:“二进位”，包含信息为0或1 • 最小编址单位:字节，一个字节包含八个二进位 主流个人电脑 • 主存:128MB～512MB之间 • 辅助存储器:在20GB～70GB 工作站、服务器 • 主存:512MB~4GB之间 • 硬盘容量:数百GB 为简化分配和管理，存储器分成块,称一个物理页（Page） • 块的大小：512B、1K、4K、8K

  11. 存储保护设施 对主存中的信息加以严格的保护，使操作系统及其它程序不被破坏，是其正确运行的基本条件之一 多用户,多任务操作系统： OS给每个运行进程分配一个存储区域 问题： 多个程序同时在同一台机器上运行 怎样才能互不侵犯？

  12. 保护的硬件支持： 为了保证软件程序只影响程序的内部 硬件可提供如下功能： • 界地址寄存器（界限寄存器） • 存储键 • 地址转换

  13. 界地址寄存器（界限寄存器） • 界地址寄存器被广泛使用的一种存储保护技术 • 机制比较简单，易于实现 实现方法： • 在CPU中设置一对下限寄存器和上限寄存器 存放用户作业在主存中的下限和上限地址 • 也可将一个寄存器作为基址寄存器，另一寄存器作为限长寄存器（指示存储区长度） • 每当CPU要访问主存，硬件自动将被访问的主存地址与界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界 • 如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序中断——越界中断（存储保护中断）

  14. 界地址寄存器 存储保护技术

  15. 存储键 • 每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键 • 一用户作业被允许进入主存，OS分给它一个唯一的存储键号 • 并将分配给该作业各存储块存储键也置成同样键号 • 当OS挑选该作业运行时，OS将它的存储键号放入程序状态字PSW存储键（“钥匙”）域中 • 每当CPU访问主存时，都将该主存块的存储键与PSW中的“钥匙”进行比较 • 如果相匹配，则允许访问，否则，拒绝并报警

  16. 地址转换 同时有多个程序在内存 程序在内存的位置不是固定的而是随机的

  17. 物理地址 虚拟地址 物理空间 Translation Box (MMU) CPU 数据读或写 （不需转换） 现代体系结构中的地址转换

  18. data2 stack1 code1 heap1 code2 stack2 data1 heap2 OS code OS data OS heap & stacks code data heap stack code data heap stack 程序 1 虚地址空间 程序2 虚地址空间 地址转换 内存

  19. 五、缓冲技术 缓冲区是硬件设备之间进行数据传输时，用来暂存数据的一个存储区域 缓冲技术三种用途: • 处理器与主存储器之间 • 处理器和其它外部设备之间 • 设备与设备之间的通信 目的：解决部件之间速度不匹配的问题

  20. 多缓冲区（Cache）技术 单缓冲区： • 设备向缓冲区输入数据直到装满后 必须等待CPU将其取完，才能继续向其中输入数据 • 为了提高设备利用率，单缓冲区不够 多缓冲区（Cache）技术： • Cache：离CPU最近，使CPU快速访问常使用的数据 • CPU首先到一级Cache中找 • 如果没有，CPU到二级Cache中找 • 如果没有，CPU到系统内存中找

  21. 一级Cache，CPU先访问，性能对系统性能作用很大一级Cache，CPU先访问，性能对系统性能作用很大 Cache与主存储器

  22. Cache与主存储器的对应 主存储器： • 主存视作一些固定大小的块构成 • 每块含K个字，主存划分为M＝2n/K个块 Cache： • C个存储槽，每个槽K个字，C远小于M • 主存中一些块的集合驻留在Cache的相应槽中 对应处理： • 若某块中的一个字，不在Cache槽中，那个块整个被移到一个槽中 • 替换那一个槽中的内容由处理器的Cache管理单元按照一定的策略来选择 • 并且相应的Cache槽中会有一个专门的标记 • 以表明对应是主存的什么地址块

  23. Cache“读”

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