内存物理组成

SAM：顺序存取存储器，按照某种顺序存取，存取时间和在存储体上的物理位置有关系
DAM：直接存取存储器，先寻找一块小区域，接着顺序查找
RAM：随机存取存储器，存取时间与物理位置无关

存取时间：启动一次存储器操作到完成所经历的时间
存取周期：连续进行两次独立访问存储器操作之间所需要最小的时间间隔

存取周期＞存取时间（因为要恢复存储）

存储层析的主要思想：上一层的存储器作为低一层存储器的高速缓存。
主存和cache之间的交换都是硬件自动完成的，
cache-主存的速度接近cache，容量接近主存。主存-辅存的速度接近主存，容量接近辅存。
前者对所有程序员都是透明的，后者只对应用程序员是透明的。

SARM和DRAM都是易失性的，前者是双稳态触发器，后者是栅极电容。前者非破坏性读出，后者是破坏性读出。

DRAM的刷新分为：集中刷新、分散刷新（不存在死时间）和异步刷新（在译码阶段刷新）
刷新是对CPU透明的，不依赖于外部。DRAM的刷新单位是行，芯片内部自动生成行。刷新不需要选片，直接全部刷新所有芯片。

传统DRAM是异步交换数据，CPU发出信号后，延迟一段时间数据才读写完成，CPU不做别的工作。SDRAM与CPU之间采取同步方式，他可以把CPU传送的信号锁存起来，CPU和在读写完成前做其他的操作。SDRAM也可以突发传输。

行缓冲器用来缓存指定行中的数据，大小为列数×位平面数，通常是SRAM

存储芯片：存储体、IO读写电路、地址译码器和控制电路组成。

PROM只能编写一次，EPROM可以多次
FLASH：可以长期保存信息，又能快速读写
SSD：控制单元和存储单元（FLASH芯片）组成
U盘时由E2PROM类型的存储器

编址单位是指具有相同地址的那些存储元件构成的一个单位

CPU→MAR→M的地址寄存器→M的地址译码器→M→MDR→CPU
CPU同步读写信号：写信号时同步将内容传入MDR，将内容放在数据线上写入单元。读信号时，将单元内容通过数据线传入CPU中。

MAR位数与地址线位数相同，MDR位数与数据线位数相同。如果数据线位数不等于存储字长，MDR是和数据线一致。

DRAM的地址引脚复用，也只有DRAM复用。想要引脚最少|r-c|最小，其次r≤c

多模块存储器：
空间并行技术，利用多个结构完全相同的存储模块的并行工作来提高吞吐率。
①单体多字存储器，每个存储单元存储m个字，总线宽度也为m个字，一次性并行读出m个字。在一个周期内，从同一个地址取出m条指令（每1/m和周期，CPU取出一条指令）

②多体并行存储器：每个模块都用独立的读写控制电路、地址寄存器和数据寄存器
i) 高位交叉编址：将地址的前几位数当做体号确定模块，但是这种本质还是串行存取，顺序存储器
ii)低位交叉编址：将地址的后几位数当做体号确定模块，相当于扩字。

轮流启动：如果一次读写位数正好等于数据线位数，存取周期为T，总线周期（传输整个流程耗时）为r，为了实现轮流启动，模块数要 ≥ T/r。其实就是保证，下一次读取这个模块整个存储操作完成。此时连续存取m个字的时间为：T+(m-1)r。如果是顺序存储则为mT。交叉存取器中访存可能冲突，如果访存的地址出现在同一个模块则会冲突，此时需要延迟发生冲突的请求。

同时启动：所有模块一次并行读写的总位数刚好等于数据的总线位数。

外存物理组成

磁盘：①量大价低②记录介质重复使用③长时间存储，脱机存储④非破坏性读出

磁盘存储器：磁盘驱动器（读写器械），磁盘控制器（IO）和盘片
存储区域：磁盘面，面上磁道，磁道划分为扇区。
磁盘高速缓存：在内存中开辟一部分区域，用于缓冲将被送到磁盘上的数据。优点：写磁盘的时候是按照“簇”进行的，可以避免频繁使用小块数据写盘，有些中间结果数据在写回磁盘之前可以被快速再次使用。

磁记录方式：调频制FM和改进型调频制MFM

磁盘容量有非格式化容量和格式化容量。非格式化容量是指磁记录表面可利用的磁化单元总数，非格式化容量=记录面数×柱面数×每条磁道的磁化单元数。格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量。格式化容量=记录面数×柱面数×每个扇区的容量。格式化后的容量比非格式化容量小。

柱面号        盘面号        扇区号

磁盘属于机械式部件，其读写操作是串行的，不可能在同一时间既读又写，也不可能在同一时刻读两组或写两组数据。

RAID磁盘阵列
RAID是指将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问，具有更好的存储性能、可靠性和安全性。

RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列
RAID1：镜像磁盘阵列
RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列
RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列
RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列
RAID5：无独立校验的奇偶检验磁盘阵列

固态硬盘SSD是一种闪存技术的存储器。
闪存芯片代替磁盘驱动器，闪存翻译层代替磁盘控制器。
数据是以页为单位读写的。只有在一页所属的块整个被擦除后，才能写这一页。
随机写很慢，修改一个页需要将所在整个块复制到别的块中。
磨损均衡：动态磨损均衡（自动选择新的闪存块）、静态磨损均衡（更先进，没有数据写入SSD也会监测并自动进行数据分配）

高速缓冲存储器

cache直接集成在CPU中
局部性：时间局部性和空间局部性
时间局部性：最近的未来要用到的信息，可能为现在正在使用的
空间局部性：最近的未来要用到的信息，可能为现在正在使用的信息空间上邻近

CPU与cache之间的数据交换以字为单位，而cache与主存之间的交换则以cache块为单位。

cache关键问题：①数据查找②地址映射③替换策略④写入策略

直接映射：冲突概率最高空间利用率最低。cache行号=主存块号%cache总行数。
地址结构：tag+cache行号+快内地址

全相联映射：冲突概率低空间利用率高，标记比较速度慢实现成本高要采用按内容寻址的相联存储器。每个cache行都设置一个比较器，比较器位数等于标记字段的位数。（这个是每行都一个）

组相联映射：cache组号=主存块号%cache组数。
地址结构：标记+组号+块内地址
直接映射因为每块只能映射到唯一的cache行，因此只需要设置一个比较器。而r路组相联映射需要在对应分组中与r个cache行进行比较，因此需设置r个比较器。（这个是一次性比较几个有几个）

替换算法
随机算法（RAND）先进先出（FIFO）近期最少使用（LRU）做不经常使用（LFU）
①随机的确定替换cache行，但是未按照局部性原理
②选择最早调入cache行进行替换，也未按照局部性原理
③依据程序访问的局部性原理，选择近期内长久未访问过的cache进行替换（堆栈类算法），其算法需要在cache行增加一个计数器（也叫LRU替换位），其实就是往前数，数到最前面的那个替换
④讲一段时间内被访问次数最少得cache行换出，cache行加一个计数器，每访问一次计数器加一，替换时将计数值最小的行换出。

写命中
①全写法：CPU对cache命中时，将数据同时写入cache和主存。写缓冲（为了减少全写法直接写入主存的时间损耗，在cache和主存之间加一个写缓冲，CPU将数据写到cache和写缓冲中，写缓冲才写到主存中）是一个FIFO队列
②回写法：CPU对cache写命中时，只是把数据写入cache，只有替换时才写回。但是需要增加一个脏位

写不命中
①写分配法：更新主存单元，然后将这个主存单元调入cache中。
②非写分配法：只更新主存单元，而不把主存块调入cache。

非写分配+全写法        写分配+回写法

cache行中一定有有效位，但是有无脏位和替换位看题干。

虚拟存储器

CPU访问主存的时候用的是物理地址
用户编程用的是虚拟空间的虚拟地址

CPU使用虚地址是，先判断虚地址对应内容是否装入主存。若在主存则通过地址变换，直接访问主存。若不在主存中，则把包含这个字的一页或者一段调入主存后再由CPU访问。若主存满了用替换算法置换即可。

虚拟内存要高命中率所以采用全相联映射，在处理一致性问题的时候采用回写法。

页式虚拟存储器：
页表：长久的保存在内存中，包括有效位（是否在主存中）、脏位（修改位）和引用位（使用位），后面跟着物理页地址或者磁盘地址。
优点：页面长度固定，页表简单，调入方便。
缺点：内存浪费，处理保护和共享不如段式虚拟存储器方便。

每个进程都有一个页表基址寄存器（存放该进程的页表首地址），根据虚拟地址高位虚拟页号找到对应页表项，如果有效位为1则取出物理页号组成物理地址，否则缺页进行缺页处理。

TLB快表
将最近经常访问的页表项存放在高速缓冲器组成的快表（TLB）中。
快表通过SRAM组成，采用组相联映射或者全相联映射。TLB表项由页表表项内容和TLB标记组成。全相联就是页表项的虚拟页号。组相联则是虚拟页号的高位部分，低位是TLB的组号

序号	TLB	Page	Cache	说明	访存
1	命中	命中	命中	TLB命中则Page一定在内存中，信息在主存中，就可能在cache中	0次
2	命中	命中	缺失	TLB命中则Page一定命中，信息在主存中，也可能不在cache中。	1次
3	缺失	命中	命中	TLB缺失但是Page命中，信息在主存中，就可能在cache中。	1次
4	缺失	命中	缺失	TLB缺失但是Page可能命中，信息在主存，也可能不在cache中	2次
5	缺失	缺失	缺失	TLB缺失则Page也可能缺失，信息不在主存，一定不在cache中。	≥2次

cache缺失由硬件完成，缺页处理由软件完成，操作系统通过“缺页异常处理程序”来实现。TLB缺失既可以通过硬件处理也可以通过软件处理。（TLB被集成在了CPU中，被视为MMU的一部分）

快表快因为是硬件快，慢表（页表）在内存中需要靠算法优化查找。

段式虚拟存储器
分段对程序员来说是不透明的，而分页对程序员透明。

段页式虚拟存储器
把程序按逻辑结构分段，每段再划分固定大小的页，主存空间也划分为大小相等的页，程序对主存的调入调出以页为交换单位。每个程序对应一个段表，每段对应一个页表，段的长度必须是页长的整数倍，段的起点必须是某一页的期待你。
优点：可以按段实现共享和保护。缺点：在地址变换过程中需要两次查表，系统开销大。

内存管理概念

①内存空间的分配与回收
②地址转换
③内存空间扩充：利用虚拟存储技术从逻辑上扩充
④内存共享：多个进程访问内存的同一部分，只有只读区域才可以共享
⑤存储保护：设置上下限寄存器，基址寄存器/重定位寄存器、界地址寄存器/限长寄存器

编译、链接（静态链接、装入时动态链接和运行时动态链接）和装入（绝对装入、可重定位装入、动态运行时装入）

绝对装入：单道程序，绝对地址，编译或者汇编时给出。
可重定位装入：装入时对目标程序中的相对地址的修改过程称为重定位。（静态重定位）
动态运行时装入：装入内存中不会立即转换，将要运行时才进行转换。（需要重定位寄存器）

静态链接：运行之前链接好
装入时链接：装入内存时链接
运行时动态链接：执行需要某模块的时候才链接这个模块

进程几个要素：代码段、数据段、PCB、堆和栈

可重入代码也叫纯代码，允许多个进程同时访问但是不允许被任何进程修改的代码。

存储管理方式：单一连续分配→动态分区分配。连续分配→离散分配（页式分配）
 

连续分配管理方式
单一连续分配：一个P占用整个用户区，内部碎片
固定分区分配：用户内存空间划分为固定大小的分区（可以大小相等或者大小不等），建立分区使用表，也有内存碎片
动态分区分配：可变分区分配，根据进程的需要动态的分配内存。但是会出现外部碎片

动态分区分配算法
①基于顺序搜索的分配算法
首次适应（第一个合适的分区）：这个是最好的
邻近适应（从上次查找的地方接着找）
最佳适应（容量递增排列，最容易产生内存碎片）
最坏适应（容量递减排列，性能差）
②基于索引搜索的分配算法
快速适应算法：根据索引表找到可以容纳的最小的空闲分区链表
伙伴系统：先找2^i≥n的块数，如果没有则找2^(i+1)的块，分为两半，一个用于分配一个加入链表
哈希算法：构建哈希函数，根据空闲分区大小生成key

上述都是连续分配

非连续分配：分页存储管理、分段存储管理（进程一次性全部丢进去）

基本分页存储管理
页表：系统为每个进程建立一张页面映射表，页表。每个页表项由页号和块号组成，记录了页面在内存中对应的物理块号。

两级页表：
①用一张索引表来记录各个页表的存放位置
②只将当前需要的部分页表调入内存，其余继续驻留磁盘，需要时再调入。
实现：增加一个外层页表寄存器（页目录基址寄存器）
在多级页表机制中，各级页表的大小不能超过一个页面。

基本分段存储管理
分页和分段对比：
页是信息的物理单位，目的是提高内存利用率。
段是信息的逻辑单位，更好的满足用户需求。

页大小固定，段大小不固定

页地址是一维的，段地址是二维的

虚拟内存管理

当内存空间不够时，由os将内存中暂时用不到的信息换出外存，从而腾出空间存放要调入内存的信息，这个过程就是页面置换。这样，系统好像为用户提供了一个比实际内存容量大得多的存储器，叫做虚拟存储器（多次性、对换性、虚拟性）

请求分页存储管理
请求分段存储管理
请求段页式存储管理

需要内外存、页表机制、中断机构，地址变换机构

页表机制：比起基本的页表机制，多了状态位（是否在内存）、访问字段（在一段时间内被访问的次数）、修改位（是否被修改）、外存地址（页在外存的存放地址）

中断：缺页中断，调用缺页中断处理程序。缺页进程被阻塞，放入阻塞队列。调入页面后唤醒。

页框分配
①内存分配：固定分配局部置换、可变分配全局置换（只要缺页就增加物理块）、可变分配局部置换（根据缺页率来着呢增加物理块）
②物理块调入：固定分配的时候，将空闲物理块分配给各个进程。平均分配算法、按比例分配算法、游戏那去哪分配算法。
③调入页面的时机：预调页策略（用于首次调入，程序员指出，例如main函数的页）、请求调页
④从何处调入页面：外存分为存放文件的文件区和用于存放对换页面的对换区（也叫交换区），对换区连续存放，文件区采用离散分配方式，对换区的IO速度比文件区大。
i.系统拥有足够的对换区空间（全部从对换区调入）
ii.系统缺少足够的对换区空间（不会修改的直接从文件区调入，可能修改的直接从对换区调入）
iii.UNIX方式。与进程有关的文件都在文件区，未运行的页面从文件区调入，换出的页面放对换区。共享页面如果被其他进程调入，则不需要再次调入

页面置换算法（os专题有）