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合肥电子学校 计算机原理电子教案
3．5．4 Cache的写操作策略
即Cache的数据一致性维护策略。主要有三种方式：
写回法：优点是速度快，缺点是存在数据不一致隐患。
全写法：优点是数据不会出现不一致，缺点是对写操作没有高速缓存的作用。
写一次法：上述两种方法的结合，主要用于多个Cache数据不一致的维护，具体策略可参考体系结构的相关内容。
3．5．5 奔腾PC机的Cache
3．6 虚拟存储器
虚拟存储器属于操作系统中存储管理的内容，因此，其大部分功能由软件实现。
3．6．1 虚拟存储器的基本概念
虚拟存储器是一个逻辑模型，并不是一个实际的物理存储器。
虚拟存储器不仅解决了存储容量和存取速度之间的矛盾，而且也是管理存储设备的有效方法。有了虚拟存储器，用户无需考虑所编程序在主存中是否放得下或放在什么位置等问题。
虚拟地址、虚拟地址空间的定义，物理地址、物理地址空间的定义。
虚拟存储器和Cache都是基于程序局部性原理，它们的相同点在于：
1） 把程序中最近常用的部分驻留在高速度的存储器中。
2） 一旦这部分变的不常用了，把它们送回到低速的存储器中。
3） 这种换入、换出操作是由硬件或是OS完成，对用户透明。
4） 力图使存储系统的性能接近高速存储器，价格接近低速存储器。
两者的不同点在于：
1） Cache用硬件实现，对操作系统透明，而虚拟存储器是用软件、硬件相结合组成。
2） 虚拟存储器对未命中更加明感。
主存－外存的基本信息传送单位有：
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l 段是利用程序的模块化性质，按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立部分。把段作为基本信息单位在主存－外存之间传送和定位是比较合理的。把主存按段分配的存储管理方式称为段式管理。
优点：段的分界与程序的自然分界相对应；段的逻辑独立性使它易于编译、管理、修改和保护。也便于多进程序共享；某些类型的段（堆栈、队列）具有动态可变长度，允许自由调度以便有效利用主存空间。
缺点：因为段的长度各不相同，段的起点和终点不定．给主存空间分配带来麻烦。而且容易在段间留下许多空余的零碎存储空间不好利用，造成浪费。
l 页式管理系统的基本信息传送单位是定长的页。主存的物理空间被划分为等长的固定区域，称为页面。
优点：页面的起点相终点地址是固定的，给造页表带来了方便。新页调入主存也很容易掌握，只要有空白页面就可容纳。比段式管理系统的段外空间浪费要小得多。
缺点：由于页不是逻辑上独立的实体，所以处理、保护和共享都不及段式来得方便。
l 段式存储和页式存储管理各有其优缺点，可以采用分段和分页结合的段页式存储管理系统。程序按模块分段，段内再分页，进入主存仍以页为基本信息传送单位。用段表和页表（每段一个页表）进行两级定位管理。
3．6．2 页式虚拟存储器
逻辑页、物理页的概念。
虚拟地址到主存实地址的变换是由放在主存的页表来实现。在页表中，对应每一个虚拟逻辑页号有一个表目，表目内容至少要包含该逻辑页所在的主存页面地址（物理页号），用它作为实（主）存地址的高字段，与虚存地址的页内行地址字段相拼接，就产生了完整的实主存地址，据此访问主存。
页式虚拟存储器的地址变换见图3.42。
通常，在页表的表项中还包括装入位（有效位）、修改位、替换控制位及其他保护位等组成的控制字段。
为了提高查询页表的速度，可使用高速存储器或是相联存储器作为快表，也可以采用快表、慢表相结合的方法。
快表、慢表法的地址变换见图3.43。
3．6．3 段式虚拟存储器
虚拟地址由段号和段内地址组成，地址变换需要一个段表，具体方式见图3.44。
3．6．4 段页式虚拟存储器
基本原则：段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的结合。在这种方式中，把程序按逻辑单位分段以后，再把每段分成固定大小的页。程序对主存的调入调出是按页面进行的，
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但它又可以按段实现共享和保护。因此，它可以兼备页式和段式系统的优点。其缺点是在地址映象过程中需要多次查表。在段页式虚拟存储系统中，每道程序是通过一个段表和一组页表来进行定位的。段表中的每个表目对应一个段，每个表目有一个指向该段的页表起始地址（页号）及该段的控制保护信息。由页表指明该段各页在主存中的位置以及是否已装入、已修改等状态信息。
段页式管理的地址变换方法见例6。
层次页表：当一个页表的大小超过一个页面的大小时，页表就可能分成几个页，分存于几个不连续的主存页面中，然后，将这些页表的起始地址又放入一个新页表中。这样，就形成了二级页表层次。一个大的程序可能需要多级页表层次。
3．6．5 替换算法
与Cache相似，虚拟存储器也需要使用到替换算法。方法基本与Cache的相同，但也有不同之处，主要体现在：
l 对缺页（及未命中）更为明感
l 页面替换由软件（OS）完成
l 页面替换的选择余地大
具体算法有FIFO、LRU和LRU＋FIFO，参考例7。
3．6．6 虚拟存储器实例
奔腾机的三种虚地址模式：分段不分页、分段分页、不分段分页。
保护模式下的分页地址转换方式，见图3.46。
3．7 存储保护
进行存储保护的原因：当多个用户共享主存时，就有多个用户程序和系统软件存于主存中。为使系统能正常工作，应防止由于一个用户程序出错而破坏其他用户的程序和系统软件，还要防止一个用户程序不合法地访问不是分配给它的主存区域。为此，系统应提供存储保护。
通常采用的方法是：存储区域保护和访问方式保护。
3．7．1 存储区域保护
不是虚拟存储器的主存系统中，可采用界限寄存器方式。
在虚拟存储器中，有如下方法：
l 页表、段表保护：用于地址变换之前，防止形成错误的物理地址。用虚存页面到实存
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的转换和限制段长的方法。
l 键保护：用于形成物理地址之后，防止非法访问。使用存储键和访问键法。
l 环保护：保护自身程序不被非法执行。使用分层访问原则。
3．7．2 访问方式保护
对数据信息的保护，主要使用访问方式控制。
第四章 指令系统
4．1 指令系统的发展与性能要求 4．1．1 指令系统的发展
计算机的程序是由一系列的机器指令组成的。
指令就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分：
l 微指令是微程序级的命令，它属于硬件；
l 宏指令是由苦干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；
l 机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令。每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。本章所讨论的指令，是机器指令。
一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。
系列计算机，是指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。其必要条件是同一系列的各机种有共同的指令集．而且新推出的机种指令系统一定包含所有旧机种的全部指令，即实现一个“向上兼容”。因此旧机种上运行的各种软件可以不加任何修改便可在新机种上运行，大大减少了软件开发费用。系列机解决了各机种的软件兼容问题
复杂指令系统计算机（CISC）和精简指令系统计算机（RISC）的概念。
4．1．2 对指令系统性能的要求
一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求：