存儲(chǔ)管理篇資料

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考試復(fù)習(xí)筆記之存儲(chǔ)管理篇引言2007年下半年通過(guò)了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的考試，一大堆的復(fù)習(xí)資料都不知道扔那里好，賣(mài)掉又有點(diǎn)可惜，送人又沒(méi)人要。與其讓當(dāng)時(shí)的復(fù)習(xí)筆記沉淪書(shū)架底部，還不如整理一下讓大家評(píng)論評(píng)論。2008年11月的考試也快到了，如果能幫到有需要的人，那我真是樂(lè)壞了?？纯?6和07年的題目，在存儲(chǔ)管理方面的題目蠻多的，應(yīng)該是一個(gè)重要考點(diǎn)。無(wú)論是概念、理論、分析和計(jì)算都相當(dāng)容易出題。在我當(dāng)時(shí)的復(fù)習(xí)筆記中這方面算最多了。這里就先拿這個(gè)點(diǎn)說(shuō)說(shuō)吧，其他的以后有時(shí)間再寫(xiě)了。1、存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次架構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器被組織城一個(gè)金字塔的層次結(jié)構(gòu)。自上而下為：CPU內(nèi)部寄存器、芯片內(nèi)部高速緩存(cache)、芯片外部高速緩存(SRAM、SDRAM、DRAM)、主存儲(chǔ)器(FLASH、EEPROM)、外部存儲(chǔ)器(磁盤(pán)、光盤(pán)、CF卡、SD卡)和遠(yuǎn)程二級(jí)存儲(chǔ)器(分布式文件系統(tǒng)、WEB服務(wù)器)，6個(gè)層次的結(jié)構(gòu)。上述設(shè)備從上而下，依次速度更慢、容量更大、訪(fǎng)問(wèn)頻率更小，造價(jià)更便宜。2、高速緩存(cache)工作原理（參照教程126頁(yè)，博客畫(huà)不了圖）：主要利用了程序的局部性特點(diǎn)。地址映象是指把主存地址空間映象到cache的地址空間。地址變換是指當(dāng)程序或數(shù)據(jù)已經(jīng)裝入到cache后，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，把主存地址如何編程cache空間的地址。常用的地址映象和地址變換的方式有：（教程127頁(yè)）直接映象和變換：速度快，造價(jià)低，但有局限性，不能充分利用cache的好處。組相聯(lián)地址映象和變換：速度稍慢但是命中率高。全相聯(lián)地址映象和變換：可以任意映射。常用的cache替換算法：輪轉(zhuǎn)法和隨機(jī)替換算法。高速緩存的分類(lèi)：統(tǒng)一cache和獨(dú)立的數(shù)據(jù)/指令cache寫(xiě)通cache和寫(xiě)回cache讀操作分配cache和寫(xiě)操作分配cache3、存儲(chǔ)管理單元（MMU）MMU在CPU和物理內(nèi)存之間進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，將地址從邏輯空間映射到物理空間，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為內(nèi)存映射。MMU主要完成下面的工作：A.

虛擬存儲(chǔ)空間到物理空間的映射。B.

存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限的控制。C.

設(shè)置虛擬存儲(chǔ)空間的緩沖特性。嵌入式系統(tǒng)中常常采用頁(yè)式存儲(chǔ)管理。為了管理這些頁(yè)引入了頁(yè)表的概念。頁(yè)表是位于內(nèi)存中的表，它的每一行對(duì)應(yīng)虛擬存儲(chǔ)空間的一個(gè)頁(yè)，該行包含了該虛擬內(nèi)存頁(yè)對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存頁(yè)的地址、該頁(yè)的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限和該頁(yè)的緩沖特性等。從虛擬地址到物理地址的變換過(guò)程就是查詢(xún)頁(yè)表的過(guò)程。由于頁(yè)表存儲(chǔ)在內(nèi)存中的，整個(gè)查詢(xún)過(guò)程需要付出很大的代價(jià)。根據(jù)程序局部性的特點(diǎn)，增加了一個(gè)小容量、高速度的存儲(chǔ)部件來(lái)存放當(dāng)前訪(fǎng)問(wèn)需要的地址變換條目，這個(gè)存儲(chǔ)部件稱(chēng)為：地址轉(zhuǎn)換后備緩沖器(TLB)。當(dāng)CPU訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存時(shí)，首先在TLB中查找需要的地址變換條目，如果該條目不存在，CPU再?gòu)膬?nèi)存中的頁(yè)表中查詢(xún)，并把相應(yīng)的結(jié)果添加到TLB中，更新它的內(nèi)容。嵌入式系統(tǒng)中虛擬存儲(chǔ)空間到物理空間的映射以?xún)?nèi)存塊為單位進(jìn)行。即虛擬存儲(chǔ)空間中一塊連續(xù)的存儲(chǔ)空間被映射到物理存儲(chǔ)空間中同樣大小的一塊連續(xù)存儲(chǔ)空間。在頁(yè)表和TLB中，每一個(gè)地址變換條目實(shí)際上記錄了一個(gè)虛擬存儲(chǔ)空間的內(nèi)存塊的基地址與物理存儲(chǔ)空間相對(duì)應(yīng)的一個(gè)內(nèi)存塊的基地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在MMU中實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的映射是通過(guò)兩級(jí)頁(yè)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。禁止MMU時(shí)，所有物理地址和虛擬地址相等，即使用平板存儲(chǔ)模式。4、內(nèi)存保護(hù)計(jì)算方法：邏輯頁(yè)面號(hào)＝邏輯地址/頁(yè)面大小頁(yè)內(nèi)偏移量＝邏輯地址％頁(yè)面大小頁(yè)表查找：頁(yè)表作為操作系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常保存在內(nèi)核的地址空間中。頁(yè)表基地址寄存器用來(lái)指向頁(yè)表的起始地址；頁(yè)表長(zhǎng)度寄存器用來(lái)指示頁(yè)表的大小，即對(duì)于當(dāng)前任務(wù)，它總共包含有多少個(gè)頁(yè)面。物理地址合成：假設(shè)物理頁(yè)面號(hào)為f，頁(yè)內(nèi)偏移地址為offset，每個(gè)頁(yè)面大小為2n，那么相應(yīng)的物理地址為：f×2n+offset。9、虛擬存儲(chǔ)管理程序局部性原理：時(shí)間局限性和空間局限性。虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理：在頁(yè)式管理的基礎(chǔ)上，增加了請(qǐng)求調(diào)頁(yè)和頁(yè)面置換的功能?；舅悸罚寒?dāng)一個(gè)用戶(hù)程序需要調(diào)入內(nèi)存去運(yùn)行時(shí)，不是將這個(gè)程序的所有頁(yè)面都裝入內(nèi)存，而是只裝載部分的頁(yè)面，就可以啟動(dòng)這個(gè)程序運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)要執(zhí)行的指令或者訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)不在內(nèi)存當(dāng)中，就向系統(tǒng)發(fā)出缺頁(yè)中斷請(qǐng)求，然后系統(tǒng)在處理這個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)將保存在外存中的相應(yīng)頁(yè)面調(diào)入內(nèi)存，從而使該程序能繼續(xù)運(yùn)行。在虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理中，頁(yè)表包含：邏輯頁(yè)面號(hào)、物理頁(yè)面號(hào)、駐留位、保護(hù)位、修改位和訪(fǎng)問(wèn)位。常用的頁(yè)面置換算法：A.

最優(yōu)頁(yè)面置換算法：理想化算法。B.

最近最久未使用算法：鏈表法和棧方法。尋找長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)面。C.

最不常用算法：每個(gè)頁(yè)面設(shè)置一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)計(jì)數(shù)器。D.

先進(jìn)先出算法：性能比較差。E.

時(shí)鐘頁(yè)面置換算法：把頁(yè)面組成環(huán)形鏈表，類(lèi)似時(shí)鐘面。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)任務(wù)剛剛啟動(dòng)的時(shí)候，它會(huì)不斷去訪(fǎng)問(wèn)一些新的頁(yè)面，然后逐步建立一個(gè)比較穩(wěn)定的工作集。工作集是指當(dāng)前任務(wù)正在使用的邏輯頁(yè)面的集合。如果分配給一個(gè)任務(wù)的物理頁(yè)面數(shù)太少，不能包含整個(gè)的工作集，任務(wù)將會(huì)造成很多缺頁(yè)中斷，需要頻繁地進(jìn)行頁(yè)面置換，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“抖動(dòng)”。

10、相關(guān)的考試真題（1）2007年6題：若內(nèi)存地址區(qū)間為4000H～43FFH，每個(gè)存貯單元可存儲(chǔ)16位二進(jìn)制數(shù)，該內(nèi)存區(qū)域用4片存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成，則構(gòu)成該內(nèi)存所用的存儲(chǔ)器芯片的容量是（6）。（6）A.512×16bitB.256×8bitC.256×16bitD.1024×8bit<答案>：C首先計(jì)算內(nèi)容空間的大?。?3FFH-4000H=3FFH，其大小為1024×16bit接著計(jì)算存儲(chǔ)芯片的容量：(1024×16bit)/4=256×16bit=512×8bit根據(jù)選項(xiàng)提供的內(nèi)容，只有256×16bit符合提綱的要求。（2）2007年23題：頁(yè)式存儲(chǔ)系統(tǒng)的邏輯地址是由頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址兩部分組成，地址變換過(guò)程如下圖所示。假定頁(yè)面的大小為8K，圖中所示的十進(jìn)制邏輯地址9612經(jīng)過(guò)地址變換后，形成的物理地址a應(yīng)為十進(jìn)制（23）。(博客不能顯示圖像)

（23）A.B.25996C.9612D.<答案>：B8K＝1024×8＝8192邏輯頁(yè)面號(hào)＝9612/8192=1（1號(hào)頁(yè)號(hào)對(duì)應(yīng)的物理地址塊號(hào)為3）頁(yè)內(nèi)偏移量＝9612％8192＝1420物理地址＝3×8192＋1420＝25996（3）2007年24題某總線(xiàn)有104根信號(hào)線(xiàn)，其中數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DB）32根，若總線(xiàn)工作頻率為33MHz，則其理論最大傳輸率為（24）。（注：本題答案中的B表示Byte）（24）A.33MB/s B.64MB/sC.132MB/s D.164MB/s<答案>：C每個(gè)字節(jié)8位，需要8根數(shù)據(jù)線(xiàn)。數(shù)據(jù)總線(xiàn)有32跟，每次可以并行傳輸32/8=4個(gè)字節(jié)?？偩€(xiàn)工作頻率為33MHz，那么理論最大傳輸率為33×4＝132MHz。（4）2007年26題某存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為32bit，存取周期為250ns，則該存儲(chǔ)器帶寬為（26）。（注：本題答案中的B表示Byte）（26）A.8×106B/sB.16×106B/sC.16×108B/sD.32×106B/s<答案>：B存取頻率為：1/0.00000025s=4000000總線(xiàn)寬度為：32bit/8=4byte存儲(chǔ)器帶寬：4×4000000＝16000000＝16×106B/s（5）2007年29～31題在嵌入式處理器中，CACHE的主要功能由（29）實(shí)現(xiàn)；某32位計(jì)算機(jī)的CACHE容量為16KB（B：字節(jié)），CACHE塊的大小為16B（B：字節(jié)），若主存與CACHE地址映像采用直接映像方式，則主存地址為0x1234E8F8的單元裝入CACHE的地址（30）；在下列CACHE替換算法中,平均命中率最高的是（31）。（29）A.硬件 B.軟件C.操作系統(tǒng) D.應(yīng)用程序（30）A.00010001001101 B.01000100011010C.10100011111000 D.11010011101000（31）A.先入后出算法（FILO）B.隨機(jī)替換算法（RAND）C.先入先出算法（FIFO）D.近期最少使用算法（LRU）<答案>：A、C、D29：Cache的主要功能由硬件實(shí)現(xiàn)，這個(gè)《教程》有介紹。30：cache容量為16KB,即邏輯地址的低14位由于采用的是直接映象,所以cache的地址為:主存地址的低14位。31：相比較說(shuō)，D的命中率最低。（6）2007年34題在嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，存取速度最快的是（34）。（34）A.內(nèi)存B.寄存器組C.FlashD.Cache<答案>：B寄存器組>cache>內(nèi)存>flash（7）2007年41題操作系統(tǒng)中的“抖動(dòng)”是指（41）的現(xiàn)象。（41）A.根據(jù)一定的頁(yè)面置換算法，將頁(yè)面調(diào)出B.由于選擇了長(zhǎng)期未被訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)進(jìn)行置換，導(dǎo)致系統(tǒng)更換頁(yè)面C.頁(yè)面調(diào)入不久就被導(dǎo)出，導(dǎo)出不久又被調(diào)入，導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁更換頁(yè)面D.根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況決定將哪個(gè)頁(yè)面調(diào)出，而不是由頁(yè)面置換算法決定更換哪個(gè)頁(yè)面<答案>：C《教程》中328頁(yè)有對(duì)“抖動(dòng)”的介紹。（8）2006年1題若內(nèi)存按字節(jié)編址，用存儲(chǔ)容量為32K×8比特的存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成地址編號(hào)A0000H到DFFFFH的內(nèi)存空間，則至少需要（1）片。（1）A.4B.6C.8D.10<答案>：CDFFFF=-A0000H=256KB。256/32=8片（9）2006年22題從下表關(guān)于操作系統(tǒng)存儲(chǔ)管理方案1、方案2和方案3的相關(guān)描述可以看出，他們分別對(duì)應(yīng)（22）存儲(chǔ)管理方案。方案1：在系統(tǒng)進(jìn)行初始化的時(shí)候就已經(jīng)將主存儲(chǔ)空間劃分成大小相等或不等的塊，并且這些塊的大小在此后是不可以改變的。系統(tǒng)將程序分配在聯(lián)系的區(qū)域中。方案2：主儲(chǔ)存空間和程序按固定大小大單位進(jìn)行分割，程序可以分配在不連續(xù)的區(qū)域中。該方案當(dāng)一個(gè)作業(yè)的程序地址空間大于主存可以使用的空間時(shí)也可以執(zhí)行。方案3：編程時(shí)必須劃分程序模塊和確定程序模塊之間的調(diào)用關(guān)系，不存在調(diào)用關(guān)系的模塊可以占用相同的主存區(qū)。（22）A.固定分區(qū)、請(qǐng)求分頁(yè)和覆蓋B.覆蓋、請(qǐng)求分頁(yè)和固定分區(qū)C.固定分區(qū)、覆蓋和請(qǐng)求分頁(yè)D.請(qǐng)求分頁(yè)、覆蓋和固定分區(qū)<答案>：A《教程》中有相關(guān)概念的介紹。（10）2006年28題在32位總線(xiàn)系統(tǒng)中，若時(shí)鐘頻率為500MHz，傳送一個(gè)32位字需要5個(gè)時(shí)鐘周期，則該總線(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為（28）MB/s。（28）A.200B.400C.600D.800<答案>：B與2007年的24和26題考查的是相同的內(nèi)容。在32位總線(xiàn)系統(tǒng)中，每次可以傳送32位字，即4個(gè)BYTE。時(shí)鐘頻率為500MHz，則傳輸32位的速率為100MHz。也就是總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率為：4×100＝400MB/s。在嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，存取速度最快的是（34）。（11）2006年29題在CPU和物理內(nèi)存之間進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時(shí)，（29）將地址從虛擬（邏輯）地址空間映射到物理地址空間。（29）A.TCBB.MMUC.CACHED.DMA<答案>：BTCB：任務(wù)控制塊MMU：存儲(chǔ)管理單元CACHE：高速緩存DMA：直接存儲(chǔ)（12）2006年31題下列存取速度最快的是（31）。（31）A.flash存