计算机存储层次结构与管理

"第四章 存储管理 (1).pptx" 在计算机系统中，存储管理是操作系统的关键组成部分，它的核心目标是有效地管理和利用有限的内存资源，为多道程序提供运行环境，提升用户使用存储器的便利性，优化内存利用率，并通过虚拟内存技术逻辑上扩大内存容量。这一章主要讲解了存储器的层次结构，包括寄存器、主存储器、高速缓存和磁盘缓存的作用及特点。 首先，存储器的层次结构是基于速度和成本的权衡设计的。最高层是CPU寄存器，它们最接近CPU，速度最快但容量有限。寄存器通常用于存储运算中的中间结果和指令，数量和长度取决于系统的类型，从几个到几十个不等。中间层为主存储器，是程序和数据的主要运行空间，容量比寄存器大得多，但访问速度较慢。而在更高级的系统中，还存在高速缓存，位于主存和寄存器之间，用于存储频繁访问的数据，以减少对较慢主存的依赖。 主存储器（内存）是系统中可执行存储器的重要部分，其容量随着技术的发展不断增大，对于嵌入式系统而言，内存大小可能从几十KB到几MB不等。内存中的信息可以通过地址直接访问，但与辅助存储器（如硬盘）相比，访问速度显著更快。然而，由于主存的速度仍然无法满足CPU的需求，所以引入了高速缓存，其容量介于主存和寄存器之间，访问速度比主存快，用于缓存常用数据，减少主存的访问延迟。 在存储层次的底层，磁盘缓存起着至关重要的作用。由于磁盘I/O速度远低于主存访问速度，磁盘缓存被用作临时存储，将频繁使用的磁盘数据预加载到主存中，从而减少了对磁盘的直接访问，提高了系统性能。磁盘缓存并不独立存在，而是利用主存的一部分作为缓冲区。 存储管理的功能还包括内存的分配和回收。操作系统负责根据程序需求动态分配内存空间，并在程序结束或内存紧张时回收内存，确保内存资源的有效利用。此外，为了处理逻辑地址与物理地址的差异，存储管理还需要实现地址变换功能，将程序中的逻辑地址映射为实际内存中的物理地址，使得程序可以在分散的物理内存中连续运行。 最后，通过虚拟内存技术，存储管理可以创建比实际物理内存更大的地址空间。当程序请求的内存超过实际可用的内存时，操作系统会将不活跃的部分交换到磁盘上，形成“页面”或“段”，当这些数据再次被需要时再换回内存，这种技术使得系统能够运行超出物理内存限制的大型程序。 存储管理涉及内存的多层次架构、内存分配、地址变换和内存容量的逻辑扩充等多个方面，是保障计算机系统高效运行的基础。