一般將光盤存儲(chǔ)器分為只讀式(readonly)、一次寫入式(writeonce)和可擦式(erasable)或可逆式(reversible)三種。只讀式光盤利用材料表面的凹凸不平的特征記錄信息,在出廠前由生產(chǎn)廠家將有關(guān)信息存放到光盤上。對(duì)于一次寫入式光盤,用戶可以利用會(huì)聚的激光束在光盤表面照射使材料發(fā)生永久性變化而記錄信息。這種光盤現(xiàn)已普遍用于多媒體系統(tǒng)?刹潦焦獗P利用激光在磁性材料上或相變材料上實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和擦除。
光盤存儲(chǔ)器的記錄密度高,存儲(chǔ)容量大,一片5.25英寸大小的一次寫入式光盤可以存儲(chǔ)680MB的信息,其容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外形同樣大小的軟磁盤。光盤信息的保存時(shí)間也比磁盤的長(zhǎng)。目前影響光盤普遍應(yīng)用的主要原因是光盤存儲(chǔ)器的讀寫速度慢和光盤驅(qū)動(dòng)器的成本高。隨著技術(shù)的進(jìn)步,以上問(wèn)題是可以解決的。因此光盤存儲(chǔ)器有廣泛的應(yīng)用前景。
5.虛擬存儲(chǔ)的概念、作用和工作過(guò)程
(1)虛擬存儲(chǔ)的概念、作用
一般將由主存和部分輔
存組成的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)稱為虛擬存儲(chǔ)器,其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)地址稱為虛擬地址(邏輯地址),其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量稱為虛擬容量。將實(shí)際主存地址稱為物理地址或?qū)嵉刂罚鞔娴娜萘糠Q為實(shí)存容量。
當(dāng)用虛擬地址訪問(wèn)主存時(shí),系統(tǒng)首先查看所用虛擬地址對(duì)應(yīng)的單元內(nèi)容是否已裝入主存。如果在主存中,可以通過(guò)輔助軟、硬件自動(dòng)把虛擬地址變成主存的物理地址后,對(duì)主存相應(yīng)單元進(jìn)行訪問(wèn)。如果不在主存中,通過(guò)輔助的軟、硬件將虛擬地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容調(diào)入主存中,然后再進(jìn)行訪問(wèn)。因此,對(duì)虛擬存儲(chǔ)器的每次訪問(wèn)都必須進(jìn)行虛實(shí)地址的變換。
虛擬存儲(chǔ)器的作用是擴(kuò)大整個(gè)主存的容量,允許在程序中使用比主存容量大得多的虛擬存儲(chǔ)器。同時(shí)可以減輕人們編程中對(duì)程度進(jìn)行分塊的苦惱,從而提高軟件開發(fā)的效率。虛擬存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)利用小容量的主存運(yùn)行大規(guī)模的程序的一種有效的辦法。盡管實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)要增加一些額外的投資和軟件開銷,虛擬存儲(chǔ)技術(shù)在各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中仍得到了廣泛的應(yīng)用。
虛擬存儲(chǔ)器必須建立在主存-輔存結(jié)構(gòu)上,但一般的主存-輔存系統(tǒng)并不一定是虛擬存儲(chǔ)器,虛擬存儲(chǔ)器與一般的主存-輔存系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別是:
①虛擬存儲(chǔ)器允許人們使用比主存容量大得多的地址空間來(lái)訪問(wèn)主存,非虛擬存儲(chǔ)器最多只允許人們使用主存的整個(gè)空間,一般只允許使用操作系統(tǒng)分配的主存中的某一部分空間。
②虛擬存儲(chǔ)器每次訪問(wèn)主存時(shí)必須進(jìn)行虛、實(shí)地址的變換,而非虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)則不必變換。
(2)虛擬存儲(chǔ)的工作原理
虛擬存儲(chǔ)技術(shù),實(shí)際上是將編寫程序時(shí)所用的虛擬地址(邏輯地址)轉(zhuǎn)換成較小的物理地址。在程序運(yùn)行時(shí)隨時(shí)進(jìn)行這種變換。為了便于主存與輔存之間信息的交換,虛擬存儲(chǔ)器一般采用二維或三維的復(fù)合地址格式。采用二維地址格式時(shí),將整個(gè)存儲(chǔ)器劃分為若干頁(yè)(或段),每個(gè)頁(yè)(或段)又包括若干存儲(chǔ)單元。采用三維地址格式時(shí)將整個(gè)存儲(chǔ)空間分為若干段,每段分為若干頁(yè),每頁(yè)又包括若干存儲(chǔ)單元。根據(jù)地址格式不同,虛擬存儲(chǔ)器分為:頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器、段式虛擬存儲(chǔ)器和段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器。
在虛擬存儲(chǔ)器中邏輯地址與物理地址之間的對(duì)應(yīng)稱為地址映象。通常有三種地址映象的方式:全相聯(lián)映象、直接映象和組相聯(lián)映象。①全相聯(lián)映象
任一邏輯頁(yè)能映象到實(shí)際主存的任意頁(yè)面位置稱為全相聯(lián)映象,通常利用頁(yè)表法進(jìn)行地址間的變換。
②直接映象
每個(gè)邏輯頁(yè)只能映象到一個(gè)特定頁(yè)面的方式稱為直接映象。如主存實(shí)際有2 P 頁(yè),虛擬存儲(chǔ)器的邏輯空間有2 P 頁(yè),則將邏輯空間按物理空間大小分為2 P -P塊,塊內(nèi)各頁(yè)只能映象到主存的相應(yīng)頁(yè)中。即所有各塊的第0頁(yè)對(duì)應(yīng)主存的第0頁(yè),各塊的第n頁(yè)對(duì)應(yīng)主存的第n頁(yè)。若程序需要輪流使用第i塊和第j塊的第m頁(yè),只能將兩頁(yè)交替在主存和輔存之間調(diào)入調(diào)出,形成存儲(chǔ)頁(yè)面的“抖動(dòng)”。③組相聯(lián)映象
組相聯(lián)映象方法是先按直接映象方法將虛擬存儲(chǔ)空間(邏輯空間)分成若干塊,在主存和邏輯空間中的各塊內(nèi)劃分為若干組,每個(gè)組間按直接映象方法控制?梢赃@樣理解,如果將組相聯(lián)映象方法中的組按直接映象方法的頁(yè)來(lái)看待,組相聯(lián)方法與直接映象方法相同,邏輯空間的各組內(nèi)的頁(yè)只能與對(duì)應(yīng)的物理空間組相聯(lián)。但在組內(nèi)各頁(yè)與物理空間的頁(yè)面之間采用全相聯(lián)映象方法處理。因此,可以認(rèn)為組相聯(lián)映象是全相聯(lián)映象和直接映象方法的結(jié)合。
6.緩沖技術(shù)使用
緩沖技術(shù)就是為緩解慢速設(shè)備對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)速度的影響,在計(jì)算機(jī)的某些部件中劃定一塊區(qū)域,模擬慢速設(shè)備的操作,將對(duì)慢速設(shè)備的操作先存放在此區(qū)域中,其他部件完成這一操作后可以繼續(xù)其他工作,而慢速設(shè)備可以用自己的速度逐漸完成相應(yīng)的操作。做為中間緩沖的區(qū)域稱為緩沖區(qū),相應(yīng)的技術(shù)稱為緩沖技術(shù)。
在整個(gè)存儲(chǔ)體系的組織中,緩沖技術(shù)成為解決容量與速度之間矛盾的主要方法。實(shí)際上在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中緩沖技術(shù)解決了許多難題,促進(jìn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展。在存儲(chǔ)體系中,緩沖技術(shù)主要體現(xiàn)在Cache的應(yīng)用和磁盤緩沖的使用。
(1)Cache的原理和作用
Cache的工作原理基于對(duì)大量典型程序運(yùn)行實(shí)例的分析。分析結(jié)果表明,在較短的時(shí)間間隔內(nèi),由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲(chǔ)器邏輯地址空間很小的范圍內(nèi)。指令地址的分布又是連續(xù)的,加上循環(huán)程序和子程序段的重復(fù)執(zhí)行,對(duì)這些地址的訪問(wèn)自然具有時(shí)間上集中分布的傾向。這種對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問(wèn),而對(duì)此范圍外的地址訪問(wèn)甚少的現(xiàn)象稱為程序訪問(wèn)的局部性。程序訪問(wèn)的局部性為Cache的引入提供了理論依據(jù)。
Cache是緩沖技術(shù)在存儲(chǔ)體系中的一個(gè)具體應(yīng)用。Cache處于主存與CPU之間,負(fù)責(zé)解決主存與CPU之間速度的協(xié)調(diào)問(wèn)題。Cache中存放著主存的一部分副本(主存中的部分內(nèi)容),當(dāng)存儲(chǔ)器接到有關(guān)讀取指令時(shí),先在Cache中查找此信息是否存在,若有則不經(jīng)主存直接從Cache中取出;否則直接從主存中取出,同時(shí)寫入Cache,以備再次使用。當(dāng)向存儲(chǔ)器寫入內(nèi)容時(shí),由輔助硬件采用各種方法保證主存中的內(nèi)容同Cache中的內(nèi)容保持一致。
為保證寫入時(shí)兩者內(nèi)容一致的方法有:①將內(nèi)容同時(shí)寫入主存和Cache;②數(shù)據(jù)僅寫入主存,若Cache中有此內(nèi)容則將其釋放;③數(shù)據(jù)只寫入Cache,在規(guī)定的時(shí)候?qū)⑿薷倪^(guò)的Cache的內(nèi)容寫入主存。
Cache的主要特點(diǎn)是:①存取速度快,一般Cache的速度完全可以跟上CPU的運(yùn)算速度;②存儲(chǔ)量小,由于Cache的速度快,其價(jià)格也相當(dāng)昂貴,因此為保證整個(gè)存儲(chǔ)器的性能價(jià)格比,一般采用適當(dāng)容量的Cache,其容量小于主存。
(2)磁盤緩沖技術(shù)
磁盤緩沖技術(shù)的目的是減少由于主、輔存之間的速度差異對(duì)計(jì)算機(jī)總體性能的影響。磁盤是存儲(chǔ)系統(tǒng)中的輔助部分,其主要作用是用來(lái)存儲(chǔ)不常用的數(shù)據(jù)和程序等信息,減輕對(duì)主存容量的需求壓力。由于磁盤中的信息不能被計(jì)算機(jī)的其他部件直接調(diào)用,因此在信息的輸入/輸出過(guò)程中必須在主存中開辟一定的空單位,作為與磁盤上信息交換的中間過(guò)渡區(qū)域稱為磁盤緩沖區(qū)。如從鍵盤(輸入設(shè)備)向磁盤中輸入一個(gè)信息,此信息必須通過(guò)總線先輸入到主存中的特定區(qū)域中,通過(guò)程序控制將信息存放到主存中對(duì)應(yīng)于磁盤輸入/輸出的一個(gè)特定區(qū)域內(nèi),然后將此信息轉(zhuǎn)存到磁盤上。一般將主存中對(duì)應(yīng)于磁盤的特定區(qū)域稱為磁盤緩沖區(qū)。
為了提高磁盤的讀寫速度,操作系統(tǒng)一般根據(jù)程序運(yùn)行的需要設(shè)置磁盤緩沖區(qū)的大小及輸入/輸出操作。同Cache技術(shù)相類似,不立即覆蓋磁盤緩沖區(qū)的內(nèi)容,當(dāng)系統(tǒng)需要繼續(xù)讀入磁盤中的信息時(shí),首先檢查磁盤緩沖區(qū)中是否有所需要的信息,若有則直接使用,否則根據(jù)信息的位置將磁盤上特定扇區(qū)的內(nèi)容調(diào)入磁盤緩沖區(qū)后再加以使用。這樣可以提高磁盤的信息讀取速度,減少因磁盤存取速度慢對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響。
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