操作系统–存储器的层次结构 上节介绍了死锁的检测与解除该用户已注册：操作系统–死锁的检测与解除 这节介绍存储器管理中存储器的层次结构 在理想情况下存储器的速度应当非常快，能跟上处理机的速度，容量也非常大而且价格还应很便宜。但目前无法同时满足这样三个条件。于是在现代计算机系统中，存储部件通常是采用层次结构来组织的。 一、多级存储器结构 对于通用计算机而言，存储层次至少应具有三级：最高层为 CPU 寄存器，中间为主存，最底层是辅存。在较高档的计算机中，还可以根据具体的功能分工细划为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动存储介质等 6 层。如下图所示，在存储层次中越往上，存储介质的访问速度越快，价格也越高，相对存储容量也越小。其中，寄存器、高速缓存、主存储器和磁盘缓存均属于操作系统存储管理的管辖范畴，掉电后它们存储的信息不再存在。固定磁盘和可移动存储介质属于设备管理的管辖范畴，它们存储的信息将被长期保存
计算机系统存储层次示意 在计算机系统存储层次中，寄存器和主存储器又被称为可执行存储器，存放于其中的信息与存放于辅存中的信息相比较而言，计算机所采用的访问机制是不同的，所需耗费的时间也是不同的。进程可以在很少的时钟周期内使用一条 load 或 store 指令对可执行存储器进行访问，但对辅存的访问则需要通过 I/O 设备来实现，因此，访问中将涉及到中断、设备驱动程序以及物理设备的运行，所需耗费的时间远远高于对可执行存储器访问的时间，一般相差 3 个数量级甚至更多。 对于不同层次的存储介质，由操作系统进行统一管理。操作系统的存储管理，负责对可执行存储器的分配、回收以及提供在存储层次间数据移动的管理机制，例如主存与磁盘缓存、高速缓存与主存间的数据移动等。在设备和文件管理中，根据用户的需求提供对辅存的管理机制。 二、主存储器与寄存器 2.1 主存储器 主存储器(简称内存或主存)是计算机系统中一个主要部件，用于保存进程运行时的程序和数据，也称可执行存储器，其容量对于当前的微机系统和大中型机，可能一般为数十 MB到数 GB，而且容量还在不断增加，而嵌入式计算机系统一般仅有几十 KB 到几 MB。CPU的控制部件只能从主存储器中取得指令和数据，数据能够从主存储器读取并将它们装入到寄存器中，或者从寄存器存入到主存储器。CPU 与外围设备交换的信息一般也依托于主存储器地址空间。由于主存储器的访问速度远低于 CPU 执行指令的速度，为缓和这一矛盾，在计算机系统中引入了寄存器和高速缓存。 2.2 寄存器 寄存器访问速度最快，完全能与 CPU 协调工作，但价格却十分昂贵，因此容量不可能做得很大。寄存器的长度一般以字(word)为单位。寄存器的数目，对于当前的微机系统和大中型机，可能有几十个甚至上百个；而嵌入式计算机系统一般仅有几个到几十个。寄存器用于加速存储器的访问速度，如用寄存器存放操作数，或用作地址寄存器加快地址转换速度等。 三、高速缓存和磁盘缓存 3.1 高速缓存 高速缓存是现代计算机结构中的一个重要部件，其容量大于或远大于寄存器，而比内存约小两到三个数量级左右，从几十 KB 到几 MB，访问速度快于主存储器。 根据程序执行的局部性原理(即程序在执行时将呈现出局部性规律，在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个部分)，将主存中一些经常访问的信息存放在高速缓存中，减少访问主存储器的次数，可大幅度提高程序执行速度。通常，进程的程序和数据是存放在主存储器中，每当使用时，被临时复制到一个速度较快的高速缓存中。当 CPU 访问一组特定信息时，首先检查它是否在高速缓存中，如果已存在，可直接从中取出使用，以避免访问主存，否则，再从主存中读出信息。如大多数计算机有指令高速缓存，用来暂存下一条欲执行的指令，如果没有指令高速缓存，CPU 将会空等若干个周期，直到下一条指令从主存中取出。由于高速缓存的速度越高价格也越贵，故有的计算机系统中设置了两级或多级高速缓存。紧靠内存的一级高速缓存的速度最高，而容量最小，二级高速缓存的容量稍大，速度也稍低。 3.2 磁盘缓存 由于目前磁盘的 I/O 速度远低于对主存的访问速度，因此将频繁使用的一部分磁盘数据和信息，暂时存放在磁盘缓存中，可减少访问磁盘的次数。磁盘缓存本身并不是一种实际存在的存储介质，它依托于固定磁盘，提供对主存储器存储空间的扩充，即利用主存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出(或写入)的信息。主存也可以看做是辅存的高速缓存，因为，辅存中的数据必须复制到主存方能使用；反之，数据也必须先存在主存中，才能输出到辅存。 一个文件的数据可能出现在存储器层次的不同级别中，例如，一个文件数据通常被存储在辅存中(如硬盘)，当其需要运行或被访问时，就必须调入主存，也可以暂时存放在主存的磁盘高速缓存中。大容量的辅存常常使用磁盘，磁盘数据经常备份到磁带或可移动磁盘组上，以防止硬盘故障时丢失数据。有些系统自动地把老文件数据从辅存转储到海量存储器中，如磁带上，这样做还能降低存储价格。 来自：《计算机操作系统：汤小丹等》
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