备战软考04——存储系统
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存储系统
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CPU内部
通用寄存器
Cache
主存储器
联机磁盘存储器
脱机光盘、磁盘存储器
◆计算机采用分级存储体系的主要目的是为了解决存储容量、成本和速度
之间的矛盾问题。
◆两级存储：Cache-主存、主存-辅存（虚拟存储体系)
◆局部性原理：总的来说，在CPU运行时，所访问的数据会趋向于一个较
小的局部空间地址内，包括下面两个方面：
时间局部性原理：如果一个数据项正在被访问，那么在近期它很可能会被
再次访问，即在相邻的时间里会访问同一个数据项。
空间局部性原理：在最近的将来会用到的数据的地址和现在正在访问的数
据地址很可能是相近的，即相邻的空间地址会被连续访问。
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◆高速缓存Cache用来存储当前最活跃的程序和数据，直接与CPU交互，
位于CPU和主存之间，容量小，速度为内存的5-10倍，由半导体材料构成。其内容是主存内存的副本拷贝，对于程序员来说是透明的
Cache由控制部分和存储器组成，存储器存储数据，控制部分判断CPU要访问的数据是否在Cache中，在则命中，不在则依据一定的算法从主存中替换。
◆地址映射：在CPU工作时，送出的是主存单元的地址，而应从Cache存储器中
读/写信息。这就需要将主存地址转换为Cache存储器地址，
地址映像，由硬件自动完成映射，分为下列三种方法：
这种
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◆直接映像：将Cache存储器等分成块，主存也等分成块并编号。主存中的块与Cache中的块的对应关系是固定的，也即二者块号相同才能命中。地址变换简单但不灵活，容易造成资源浪费。（如图所示）
主存区号主存区号主存区号
第0块
第1块
第0块
第n块
第0块
第0区
第n块
第1区
第0块
第n块
第M区
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主存块号
主存块号
主存块号
第0块第1块第2块
第0块
第7块
第8块
第16块
◆全相联映像：同样都等分成块并编号。主存中任意一块都与Cache中任意一块对应。因此可以随意调入Cache任意位置，但地址变换复杂，速度较慢。因为主存可以随意调入Cache任意块，只有当Cache满了才会发生块冲突，是最不容易发生块冲突的映像方式。
主存块号
第块
第1k块
第nk块
◆组组相连映像：前面两种方式的结合，将Cache存储器先分块再分组，主存也同样先分块再分组，组间采用直接映像，即主存中组号与Cache中组号相同的组才能命中，但是组内全相联映像，也即组号相同的两个组内的所有块可以任意调换。
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◆替换算法的目标就是使Cache获得尽可能高的命中率。常用算法有如下几种。（1）随机替换算法。就是用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。
（2）先进先出算法。就是将最先进入Cache 的信息块替换出去。
（3）近期最少使用算法。这种方法是将近期最少使用的Cache中的信息块替换
出去。
（4）优化替换算法。这种方法必须先执行一次程序，统计Cache的替换情况.
有了这样的先验信息，在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换。
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◆命中率及平均时间
Cache有一个命中率的概念，即当CPU所访问的数据在Cache中时，命中，直接从Cache中读取数据，设读取一次Cache时间为1ns，若CPU访问的数据不在Cache中则需要从内存中读取，设读取一次内存的时间为1000ns，若在CPU多次读取数据过程中，有90%命中Cache，则CPU读取一次的平均时间为(90%*1+10%*1000)ns
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◆磁盘结构和参数
磁盘有正反两个盘面，每个盘面有多个同心圆，每个同心圆是一个磁道，每个
同心圆又被划分为多个扇区，数据就被存放在一个个扇区中。
磁头首先要寻找到对应的磁道，然后等待磁盘进行周期旋转，旋转到指定的扇
区，才能读取到对应的数据，因此，会产生寻道时间和等待时间。公式为：
存取时间=寻道时间+等待时间（平均定位时间+转动延迟）
注意：寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间；等待时间为等待读写的扇区
转到磁头下方所用的时间。
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◆磁盘调度算法
之前已经说过，磁盘数据的读取时间分为寻道时间+旋转时间，也即先找到对应的磁道，而后再旋转到对应的扇区才能读取数据，其中寻道时间耗时最长，需要重点调度，有如下调度算法：
先来先服务FCFS：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
最短寻道时间优先SSTF：请求访问的磁道与当前磁道最近的进程优先调度，使得
每次的寻道时间最短。会产生“饥饿”现象，即远处进程可能永远无法访问。
扫描算法SCAN：又称“电梯算法”，磁头在磁盘上双向移动，其会选择离磁头当前所在磁道最近的请求访问的磁道，并且与磁头移动方向一致，磁头永远都是从里向外或者从外向里一直移动完才掉头，与电梯类似。
单向扫描调度算法CSCAN：与SCAN不同的是，其只做单向移动，即只能从里向
外或者从外向里。
