软考（存储）

 层次化存储

空间局部性是被访问了相邻的可能还要被访问。

时间局部性是被访问了，可能会再次被访问。

虚拟存储体系由 主存-外存（辅存） 两级存储器构成

Cache- 主存-外存（辅存）叫三级存储结构

ROM，掉电安全

RAM，掉电丢数据

BIOS系统掉电不会丢失，一直存在，所以选A。

Cache

Cache性能分析与计算

1. 命中率（Hit Rate）

   • 命中率 = 命中次数 / 总访问次数。

2. 平均访问时间

   • 平均时间（t3） = 命中时间（命中率 （h）* Cache周期（t1）） + 缺失率（1-h） × 缺失惩罚（访问主存时间（t2））。

3. 缺失类型

   • 强制缺失（Compulsory Miss）：首次访问数据必然缺失。

   • 冲突缺失（Conflict Miss）：因映射冲突导致的缺失（直接/组相联中存在）。

   • 容量缺失（Capacity Miss）：Cache容量不足导致。

了解一下主存与Cache的映射关系。

主存与Cache之间的映射关系由硬件直接完成，与程序员和操作系统都无关。

Cache的三大映射方式

1. 直接映射（Direct Mapped）

• 原理：主存块固定映射到Cache的唯一位置（如 Cache行号 = 主存块号 % Cache行数）。

• 优点：硬件简单，访问速度快。

• 缺点：易冲突（不同主存块竞争同一Cache行）。

• 软考题：给定主存地址（标记位+行号+块内偏移），计算Cache命中位置。

2. 全相联映射（Fully Associative）

• 原理：主存块可存入Cache的任意位置。

• 优点：冲突率低。

• 缺点：查找需比较所有行的标记位（硬件成本高）。

• 应用场景：小容量Cache（如TLB）。

3. 组相联映射（Set Associative）

• 原理：Cache分组，主存块映射到特定组内的任意行（如2路组相联：每组2行）。

• 优点：平衡冲突率和硬件成本（最常用）。

• 计算题：

  • 组号 = 主存块号 % 组数

  • 标记位 = 主存块号 / 组数

当Cache满且需要调入新数据时，如何选择被替换的行？

策略	规则	特点	应用场景
随机（RAND）	随机选择一行替换	实现简单，性能不稳定	极少使用
FIFO	替换最早调入的行	可能替换频繁使用的行	较少使用
LRU	替换最久未使用的行	命中率高，硬件实现复杂	最常用（如4路组相联）
LFU	替换使用频率最低的行	需维护计数器，可能积累旧数据	特定场景

例题

Cache的命中率并不会随其容量增大而线性提高，当容量越大，提升率就越低，提升曲线越平缓。

全相联是任意地方都能映射，直接相连是映射到Cache的对应位置，组相连是分组对应，是前两个的折中。

软考高频考点

1. 选择题

   • 问：“2路组相联Cache，容量8KB，每行32B，主存地址32位，块内偏移占多少位？”

     • 解：块内偏移 = log₂(32B) = 5位；组数 = 8KB/(2×32B) = 128组 → 组号占7位；标记位 = 32-5-7=20位。

2. 简答题

   • 比较直接映射和全相联映射的优缺点。

3. 设计题

   • 如何通过优化Cache行大小提升命中率？（权衡空间局部性与容量利用率）

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自测题

1. 某系统Cache命中率95%，命中时间2ns，缺失惩罚100ns，求平均访问时间？

   • 答：2ns + 5%×100ns = 7ns。

2. 为什么组相联映射能减少冲突缺失？

   • 答：同一主存块可映射到组内多行，降低竞争概率。

主存编址计算

内存不够时可以横向扩容也可以纵向扩容

核心概念

1. 主存编址的基本单位

• 位（bit）：最小单位，0或1。

• 字节（Byte）：1 Byte = 8 bit（现代计算机的基本编址单位）。

• 字（Word）：与CPU位数相关（如32位CPU的1 Word = 4 Byte）。

2. 关键术语

• 地址线（Address Bus）：CPU通过地址线访问主存，n根地址线可寻址 2^n 个单元。

• 数据线（Data Bus）：决定每次读写的数据位数（如32位数据线一次传输4 Byte）。

• 存储容量：存储单元数 × 每个单元的位数（如64K×8位表示64K个单元，每单元8位）。

主存编址计算步骤

1. 确定地址空间

• 例：若地址线为20根，按字节编址，则：

  • 可寻址空间 = 2^20 = 1MB（因为 2^20 Byte = 1MB）。

  • 地址范围：0x00000 ~ 0xFFFFF（十六进制）。

2. 计算芯片数量

• 需求容量 vs 芯片容量：

  • 若需 64KB 主存，使用 16K×4位 的存储芯片：

    • 数量 = (总容量) / (单芯片容量) = (64K×8) / (16K×4) = 8片。

  • 连接方式：位扩展 + 字扩展（见下文）。

3. 地址分配与片选逻辑

• 地址线分配：

  • 低位地址线连接芯片内部地址（如 16K=2^14，需14根地址线 A0~A13）。

  • 高位地址线通过译码器生成片选信号（如剩余 A14~A15 用于片选）。

• 片选信号：通过译码器（如2-4译码器）选择不同芯片组。

例题

题型1：计算主存容量

• 题目：CPU地址线24根，按字节编址，主存容量是多少？

• 解法：

  • 可寻址单元数 = 2^24 = 16M。

  • 容量 = 16M × 1 Byte = 16MB。

题型2：存储芯片扩展

• 题目：用 8K×8位 芯片扩展为 32K×16位 主存，需多少芯片？如何连接？

• 解法：

  1. 字扩展：容量从 8K→32K，需 32K/8K=4组。

  2. 位扩展：位数从 8位→16位，需 16/8=2片/组。

  3. 总芯片数 = 4组 × 2片/组 = 8片。

  4. 连接图：

     • 低位地址线 A0~A12 连接所有芯片（8K=2^13）。

     • 高位 A13~A14 通过译码器选择组（4组需2根线）。

     • 数据线：每组2片分别提供高8位和低8位。

题型3：地址范围计算

• 题目：某存储芯片地址范围为 8000H~BFFFH，求容量（按字节编址）。

• 解法：

  1. 计算地址跨度：BFFFH - 8000H + 1 = 4000H。

  2. 转十进制：4000H = 2^14 = 16K。

  3. 容量 = 16K × 1 Byte = 16KB。

第一步：计算内存总容量

1. 确定地址范围跨度

• 起始地址：A0000H

• 结束地址：CFFFFH

• 地址跨度 = 结束地址 - 起始地址 + 1

  CFFFFH - A0000H + 1 = 30000H

  • 注意：CFFFFH - A0000H = 2FFFFH，再加1得到 30000H。

2. 将十六进制转换为十进制

• 30000H 转换为十进制：

  3 × 16^4 + 0 × 16^3 + 0 × 16^2 + 0 × 16^1 + 0 × 16^0 = 3 × 65536 = 196608 Byte

• 转换为KB（1KB = 1024 Byte）：

  196608 / 1024 = 192 KB

• 选项匹配：D、192KB。

3. 快速验证

• 十六进制 30000H 直接转换为十进制：

  • 30000H = 3 × 64K = 192KB（因为 10000H = 64KB）。

第二步：计算所需芯片数量

1. 明确芯片容量

• 题目给出芯片规格：64K×8bit。

  • 64K 表示地址单元数（字扩展）。

  • 8bit 表示每个单元的数据位数（位扩展）。

• 芯片容量 = 64K × 1 Byte = 64KB（因为 8bit = 1Byte）。

2. 计算芯片数量

• 总内存容量 = 192KB（第一步结果）。

• 单芯片容量 = 64KB。

• 所需芯片数量 = 总容量 / 单芯片容量 = 192KB / 64KB = 3片。

• 选项匹配：B、3。

3. 连接方式说明

• 由于题目要求的是按字节编址，且芯片本身是 64K×8bit（即 64KB），因此：

  • 无需位扩展（因为 8bit 已经满足字节编址要求）。

  • 只需字扩展，将 3 片 64KB 芯片的地址空间拼接为 192KB。