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3.1 存储系统概述 (答案见原书 P149)

ds 2025/8/25 12:04:08

第3章存储系统

3.1 存储系统概述 (答案见原书 P149)

01. 磁盘属于（ D ）类型的存储器。

题目原文

磁盘属于（）类型的存储器。
A. 随机存取存储器（RAM）
B. 只读存储器（ROM）
C. 顺序存取存储器（SAM）
D. 直接存取存储器（DAM）

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察存储器按存取方式的分类。
存取方式分类：
- 随机存取 (Random Access): 存取时间与物理位置无关。如：内存（RAM, ROM）。
- 顺序存取 (Sequential Access): 只能按物理顺序查找。如：磁带。
- 直接存取 (Direct Access): 结合了随机和顺序。先直接定位到一个区域（磁道），再在该区域内顺序查找（扇区）。
- 相联存取 (Associative Access): 按内容进行访问。如：Cache的相联映射。
正确选项分析 (D. 直接存取存储器（DAM）)：
- 磁盘的工作方式是：磁头首先直接移动到目标数据所在的磁道上方（这是一个随机过程），然后等待磁盘旋转，直到目标扇区转到磁头下方时再进行顺序读写。这种“先直接定位，再顺序查找”的方式，正是直接存取的定义。
错误选项分析：
- A: 访问磁盘上不同位置的数据，所需时间（寻道时间+旋转延迟）是不同的，不是随机存取。
- C: 不是纯粹的顺序存取，因为磁头可以跳跃式地移动到任意磁道。

02. 存储器的存取周期是指（ C ）。

题目原文
02. 存储器的存取周期是指（）。
A. 存储器的读出时间
B. 存储器的写入时间
C. 存储器进行连续读或写操作所允许的最短时间间隔
D. 存储器进行一次读或写操作所需的平均时间

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察存储器性能指标中“存取周期”和“存取时间”的精确区别。
正确选项分析 (C. 存储器进行连续读或写操作所允许的最短时间间隔)：
- 存取周期 (Memory Cycle Time): 指存储器连续两次独立的读或写操作之间所需的最小时间间隔。
- 它不仅包含了完成一次操作本身的存取时间 (Access Time)，还包括了操作完成后，存储器内部电路需要一段恢复时间来准备下一次操作。
- 因此，存取周期 ≥ 存取时间。
错误选项分析：
- A, B, D: 这些描述的是存取时间 (Access Time)，即从启动一次读/写操作到数据被读出/写入完成所经历的时间。它只是存取周期的一部分。

03. 设机器字长为32位，一个容量为16MB的存储器，CPU按半字寻址，其可寻址的单元数是（ B ）。

题目原文
03. 设机器字长为32位，一个容量为16MB的存储器，CPU按半字寻址，其可寻址的单元数是（）。
A. 2^24
B. 2^23
C. 2^22
D. 2^21

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题考察存储容量、编址单位和寻址单元数之间的关系。
计算过程：
1. 确定存储器总容量（单位：字节）：
  - 16 MB = 16 * 2^20 B = 2^4 * 2^20 B = 2^24 B
2. 确定寻址单位的大小（单位：字节）：
  - 机器字长 = 32 位 = 4 字节。
  - 半字 = 字长 / 2 = 32位 / 2 = 16 位 = 2 字节。
  - “按半字寻址”意味着每个地址对应一个16位的半字，即寻址单位是2字节。
3. 计算可寻址单元数：
  - 可寻址单元数 = 总容量 / 每个寻址单位的大小
  - 可寻址单元数 = (2^24 字节) / (2 字节/单元) = 2^(24-1) = 2^23 个单元。
结论： 可寻址的单元数是 2^23。

04. 相联存储器是按（ D ）进行寻址的存储器。

题目原文
04. 相联存储器是按（）进行寻址的存储器。
A. 地址指定方式
B. 堆栈存取方式
C. 内容指定方式和堆栈存取方式相结合
D. 内容指定方式和地址指定方式相结合

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察相联存储器（Associative Memory）的工作原理。
正确选项分析 (D. 内容指定方式和地址指定方式相结合)：
- 相联存储器最核心的特点是按内容寻址。即给出要查找的数据的一部分（称为“标记”或“关键字”），存储器会并行地比较所有存储单元，找出与该内容匹配的单元。
- 然而，在实际应用中（如Cache），通常不会对整个存储器进行全相联查找，而是采用组相联的方式。
  - 组相联：先通过地址的一部分（组号）直接定位到一个特定的“组”，然后再在这个组内进行按内容的相联比较。
- 这种方式结合了按地址（定位组）和按内容（组内查找）两种方式的优点。因此，选项D是最全面和准确的描述。
错误选项分析：
- 如果选项中有单独的“内容指定方式”，在某些简化模型下也可以选。但D更精确地描述了其实际应用。

05. 在下列几种存储器中，CPU不能直接访问的是（ A ）。

题目原文
05. 在下列几种存储器中，CPU不能直接访问的是（）。
A. 硬盘
B. 内存
C. Cache
D. 寄存器

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察CPU能够直接进行地址访问的存储器范围。
正确选项分析 (A. 硬盘)：
- CPU能直接访问的存储器是指那些可以通过访存指令（如MOV），将地址放到地址总线上直接进行读写的存储器。这通常只包括主存和Cache（对CPU透明，但物理上直接交互）。
- 硬盘属于外部存储器（辅存），是一种I/O设备。CPU不能直接对其进行地址访问，必须通过执行I/O指令，由I/O接口（磁盘控制器） 来完成数据的读写操作。
错误选项分析：
- B. 内存：CPU直接访问的基本对象。
- C. Cache：对CPU透明，但CPU发出的访存请求首先由Cache处理，物理上是直接访问的。
- D. 寄存器：位于CPU内部，是CPU访问速度最快的存储部件。

06. 若某存储器存取周期为250ns，每次读出16位，则存储器的数据传输率是（ C ）。

题目原文
06. 若某存储器存取周期为250ns，每次读出16位，则存储器的数据传输率是（）。
A. 4×10^6 B/s
B. 16MB/s
C. 8×10^6 B/s
D. 8×2^20 B/s

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察存储器带宽（数据传输率）的计算。
计算公式： 带宽 = 每次读写的数据量 / 存取周期
计算过程：
1. 确定每次读写的数据量：
  - 每次读出 16 位 = 2 字节 (B)。
2. 确定存取周期：
  - 存取周期 = 250 ns = 250 * 10^-9 s。
3. 计算数据传输率：
  - 传输率 = 2 B / (250 * 10^-9 s) = (2 / 250) * 10^9 B/s
  - 传输率 = 0.008 * 10^9 B/s = 8 * 10^6 B/s。
结论： 数据传输率是 8×10^6 B/s。

07. 设机器字长为64位，存储容量为128MB，若按字编址，它可寻址的单元个数是（ B ）。

题目原文
07. 设机器字长为64位，存储容量为128MB，若按字编址，它可寻址的单元个数是（）。
A. 16MB
B. 16M
C. 32M
D. 32MB

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题再次考察存储容量、编址单位和寻址单元数的关系。
计算过程：
1. 确定存储器总容量（单位：字节）：
  - 128 MB = 128 * 2^20 B。
2. 确定寻址单位的大小（单位：字节）：
  - 机器字长 = 64 位 = 8 字节。
  - “按字编址”意味着每个地址对应一个64位的字，即寻址单位是8字节。
3. 计算可寻址单元数：
  - 可寻址单元数 = 总容量 / 每个寻址单位的大小
  - 可寻址单元数 = (128 * 2^20 字节) / (8 字节/单元)
  - 可寻址单元数 = (2^7 * 2^20) / 2^3 = 2^27 / 2^3 = 2^24。
4. 将结果转换为M单位：
  - 1M = 2^20。
  - 2^24 = 2^4 * 2^20 = 16 * 2^20 = 16M。
结论： 可寻址的单元个数是 16M 个。（注意：单位是“个”，不带B）。

08. 计算机的存储器采用分级方式是为了（ B ）。

题目原文
08. 计算机的存储器采用分级方式是为了（）。
A. 方便编程
B. 解决容量、速度、价格三者之间的矛盾
C. 保存大量数据方便
D. 操作方便

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题考察存储体系采用层次化结构（Memory Hierarchy）的根本目的。
正确选项分析 (B. 解决容量、速度、价格三者之间的矛盾)：
- 存储器技术存在一个固有的矛盾：
  - 速度越快的存储器（如寄存器、Cache），价格越贵，容量越小。
  - 容量越大的存储器（如硬盘、磁带），价格越便宜，速度越慢。
- 我们希望计算机的存储系统能像最快的存储器一样快，像最慢的存储器一样大，同时价格又要适中。
- 通过构建“寄存器-Cache-主存-辅存”这样的分级结构，利用程序的局部性原理，将CPU当前最需要的数据放在高速小容量存储器中，不常用的数据放在低速大容量存储器中，从而在整体上获得了接近高速存储器的性能和接近低速存储器的容量与成本。这正是为了解决这三者之间的矛盾。
错误选项分析：
- A, C, D: 都是次要的或不相关的因素。

09. 计算机的存储系统包括（ D ）。

题目原文
09. 计算机的存储系统包括（）。
A. RAM
B. ROM
C. 主存储器
D. 寄存器、Cache、主存储器和外存储器

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察对完整的计算机存储系统的认知。
正确选项分析 (D. 寄存器、Cache、主存储器和外存储器)：
- 存储系统 (Memory System) 是一个层次化的结构，包含了计算机中所有用于存储信息的部件。
- 按照从快到慢、从上到下的层次，它完整地包括：
  1. CPU内部寄存器 (最快，最小)
  2. 高速缓存 (Cache)
  3. 主存储器 (Main Memory)
  4. 外部存储器/辅助存储器 (External/Secondary Memory) (如硬盘、SSD、光盘、磁带) (最慢，最大)
- 选项D最完整地描述了这个层次结构。
错误选项分析：
- A, B: RAM和ROM是构成主存和Cache的技术类型，不全面。
- C: 主存只是存储系统的一个层次。

10. 在多级存储体系中，“Cache-主存”结构的作用是解决（ D ）。

题目原文
10. 在多级存储体系中，“Cache-主存”结构的作用是解决（）的问题。
A. 主存容量不足
B. 主存与辅存速度不匹配
C. 辅存与CPU速度不匹配
D. 主存与CPU速度不匹配

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察存储层次中每一级所要解决的核心矛盾。
正确选项分析 (D. 主存与CPU速度不匹配)：
- 随着技术发展，CPU的速度提升远远超过了主存（DRAM）的速度。如果CPU每次都要直接等待慢速的主存，其性能会受到极大限制，这就是所谓的“存储墙（Memory Wall）”问题。
- 在CPU和主存之间加入一层高速的Cache（由SRAM实现），就是为了弥补CPU和主存之间的速度差异。由于程序的局部性原理，CPU大部分时间访问的数据都能在Cache中命中，从而获得了接近Cache的速度，大大缓解了主存速度瓶颈。
错误选项分析：
- A, B: “主存-辅存” 结构（即虚拟存储技术）才是为了解决主存容量不足的问题，并弥补主存与辅存的速度差异。
- C: 整个存储体系都是为了解决辅存与CPU速度不匹配的问题，但“Cache-主存”这一级是直接针对主存瓶颈的。

11. 存储器分层结构中，存储器从速度最快到最慢的排列顺序是（ D ）。

题目原文
11. 存储器分层结构中，存储器从速度最快到最慢的排列顺序是（）。
A. 寄存器-主存-Cache-辅存
B. 寄存器-主存-辅存-Cache
C. 寄存器-Cache-辅存-主存
D. 寄存器-Cache-主存-辅存

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察存储层次结构（Memory Hierarchy）的顺序。
正确选项分析 (D. 寄存器-Cache-主存-辅存)：
- 这是一个必须牢记的固定顺序，它反映了离CPU越近、速度越快、容量越小、成本越高的规律。
  1. 寄存器 (Register): CPU内部，最快。
  2. 高速缓存 (Cache): 紧邻CPU，由SRAM实现，次快。
  3. 主存储器 (Main Memory): 由DRAM实现，比Cache慢。
  4. 辅助存储器 (Auxiliary Memory / Secondary Storage): 如硬盘、SSD，最慢。
错误选项分析：
- A, B, C: 顺序都是错误的。

12. 在Cache和主存构成的两级存储体系中…则Cache的命中率至少应为（ D ）。

题目原文
12. 在Cache和主存构成的两级存储体系中，主存与Cache同时访问，Cache的存取时间是100ns，主存的存取时间是1000ns，设Cache和主存同时访问，若希望有效（平均）存取时间不超过Cache存取时间的115%，则Cache的命中率至少应为（）。
A. 90%
B. 98%
C. 95%
D. 99%

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察Cache命中率、存取时间和平均存取时间的计算。
计算公式： T_a = H * T_c + (1 - H) * T_m
- T_a: 平均存取时间
- H: Cache命中率
- T_c: Cache存取时间
- T_m: 主存存取时间
分析题目条件：
- “主存与Cache同时访问”：这是一种同时查找的模式。在这种模式下，如果命中，总时间就是T_c；如果不命中，CPU先花了T_c的时间发现不命中，然后才去访问主存，总时间是 T_c + T_m。
- 【修正公式】 因此，公式应为 T_a = H * T_c + (1 - H) * (T_c + T_m)。
- 然而，大多数考研题默认采用先访问Cache，不命中再访问主存的层次查找模型，其公式就是 T_a = H * T_c + (1 - H) * T_m（这里T_m被理解为从CPU发起请求到从主存取回数据的总时间，已经包含了判断不命中的时间）。我们通常使用这个简化公式。
- T_c = 100ns
- T_m = 1000ns
- 希望 T_a ≤ T_c * 115% = 100ns * 1.15 = 115ns。
计算过程（使用简化公式）：
- H * 100 + (1 - H) * 1000 ≤ 115
- 100H + 1000 - 1000H ≤ 115
- 1000 - 900H ≤ 115
- 1000 - 115 ≤ 900H
- 885 ≤ 900H
- H ≥ 885 / 900
- H ≥ 0.9833...
结论： 命中率至少应为98.33%，选项中最接近且满足条件的是99%。

13. 下列关于多级存储系统的说法中，正确的有（ A ）。

I. 多级存储系统是为了降低存储成本
II. 虚拟存储器中主存和辅存之间的数据调动对任何程序员是透明的
III. CPU只能与Cache直接交换信息，CPU与主存交换信息也需要经过Cache

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题综合考察对存储体系的理解。
逐项分析：
- I. …为了降低存储成本： 正确。如第8题所述，存储体系的核心目的是在保证性能的同时，利用大容量低成本的存储器来降低单位比特的平均成本。
- II. …数据调动对任何程序员是透明的： 错误。虚拟存储器机制对应用程序员是透明的，但对系统程序员（编写操作系统、编译器的程序员）不是透明的，他们需要设计和实现页面调度算法等。
- III. CPU只能与Cache直接交换信息…： 错误。这个说法过于绝对。虽然现代CPU的大部分访存都是通过Cache进行的，但在Cache不命中时，数据通路是从主存直接到CPU的（同时会写入Cache）。此外，在某些特定的非缓存（non-cacheable）内存区域，CPU也会绕过Cache直接访问主存。
组合判断： 只有 I 是完全正确的。

14. 【2011统考真题】下列各类存储器中，不采用随机存取方式的是（ B ）。

题目原文
14. 【2011统考真题】下列各类存储器中，不采用随机存取方式的是（）。
A. EPROM
B. CD-ROM
C. DRAM
D. SRAM

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题要求从具体存储器类型中，找出不是随机存取的。
正确选项分析 (B. CD-ROM)：
- CD-ROM（光盘只读存储器） 是一种光学存储介质。数据的读取方式是：激光头定位到指定的螺旋形磁道上，然后随着光盘的旋转，顺序地读取数据流。
- 虽然可以快速定位到某个大致区域，但其本质更接近于直接存取或顺序存取，而不是随机存取。访问不同位置的数据，其寻道和旋转等待时间差异很大。
错误选项分析：
- A. EPROM (可擦除可编程只读存储器)
- C. DRAM (动态随机存取存储器)
- D. SRAM (静态随机存取存储器)
- 这三者都是半导体存储器，是典型的随机存取存储器（RAM/ROM），访问任何一个存储单元的时间都是相同的。

3.1 存储系统概述知识体系与考法总结

这一小节是整个存储系统章节的纲领，它建立了对存储器宏观、全局的认识。内容虽然不深，但概念繁多，是后续学习Cache、主存、虚存的基础。掌握好本节，就能构建起清晰的存储体系框架。

知识体系梳理

本节的知识体系可以围绕“存储器的分类”和“存储器的层次化结构”两大主线展开。

一、存储器的分类 (认识各种存储器)

这是本节最核心的内容，从不同维度对存储器进行划分。

按在计算机中的作用（层次结构）分类 (最重要)
- 主存储器 (Main Memory / 主存)： CPU能直接访问，用于存放正在运行的程序和数据。由DRAM实现。特点：速度较快，容量较大，易失性（掉电丢失）。
- 辅助存储器 (Auxiliary Memory / 辅存 / 外存)： 用于长期存放大量信息。如硬盘(HDD)、固态硬盘(SSD)、光盘、磁带。CPU不能直接访问，需通过I/O系统调入主存。特点：速度慢，容量巨大，非易失性。
- 高速缓冲存储器 (Cache)： 介于CPU和主存之间，用于缓解速度矛盾。由SRAM实现。特点：速度极快，容量小，易失性。
- CPU内部寄存器： 速度最快，容量最小。
按存取方式分类 (决定性能)
- 随机存取存储器 (RAM - Random Access Memory)： 存取时间与物理地址无关。这是半导体存储器（内存、Cache） 的标志。
- 只读存储器 (ROM - Read-Only Memory)： 也是随机存取，但内容只能读不能（或不易）写。
- 顺序存取存储器 (SAM - Sequential Access Memory)： 只能按物理顺序存取。典型代表：磁带。
- 直接存取存储器 (DAM - Direct Access Memory)： 先直接定位到数据块附近，再顺序查找。典型代表：磁盘。
按存储介质分类
- 半导体存储器： SRAM, DRAM, ROM, Flash Memory (闪存, U盘/SSD的基础)。
- 磁表面存储器： 磁盘，磁带。
- 光存储器： CD, DVD, 蓝光光盘。
按信息的可更改性分类
- 读写存储器： RAM, 磁盘等。
- 只读存储器 (ROM)： MROM, PROM, EPROM, EEPROM。
按信息的易失性分类
- 易失性存储器 (Volatile)： 掉电后信息丢失。如：SRAM, DRAM。
- 非易失性存储器 (Non-Volatile)： 掉电后信息保留。如：ROM, Flash, 磁盘。

二、存储器的层次化结构 (Memory Hierarchy)

这是现代计算机存储系统设计的核心思想。

目的 (高频考点):
- 在成本、速度、容量三者之间取得平衡。
- 目标是让整个存储系统在宏观上表现出接近Cache的速度、接近辅存的容量、以及适中的平均成本。
原理：
- 基于程序访问的局部性原理 (Principle of Locality)：
  - 时间局部性： 最近被访问过的信息，很可能在不久的将来再次被访问。
  - 空间局部性： 如果一个存储位置被访问，那么其附近的存储位置也很可能在不久的将来被访问。
- 实现： 构建 “寄存器 - Cache - 主存 - 辅存” 的层次结构，将当前活跃的程序和数据块逐级地存放在更靠近CPU的高速存储器中。
两个核心层次 (决定考题方向):
- “Cache - 主存” 层次：
  - 目的： 解决 CPU与主存的速度不匹配 问题。
  - 实现： 由硬件自动管理，对程序员透明。
- “主存 - 辅存” 层次：
  - 目的： 解决 主存容量不足 的问题，为用户提供一个远大于物理主存的“虚拟存储空间”。
  - 实现： 由硬件 (MMU) 和操作系统 (OS) 共同管理，对应用程序员透明。

三、存储器的性能指标

存储容量： 能存放的二进制信息总量。单位：bit, Byte(B), KB, MB, GB, TB。
存取时间 (Access Time, Ta)： 从启动一次读/写操作到数据被读出/写入完成所经历的时间。
存取周期 (Cycle Time, Tc)： 存储器能连续两次独立读/写操作之间的最小时间间隔。Tc ≥ Ta。
存储器带宽 (Bandwidth)： 单位时间内存储器所能存取的信息量，也称数据传输率。
- 公式： 带宽 = 1 / Tc * 数据宽度 (例如: 1 / 10ns * 8Byte)。

常见考法与例题梳理

存储器分类匹配（高频基础题）
- 考法： 给出一种具体的存储器（如磁盘、CD-ROM），判断其属于哪种存取方式或哪种介质。
- 例题01： “磁盘属于（D. 直接存取存储器）”，直接考察了对DAM定义的理解。
- 例题14 (2011真题): “不采用随机存取方式的是（B. CD-ROM）”，要求从具体设备中辨别出非RAM/ROM类型。
存储层次结构的目的与原理（高频概念题）
- 考法： 直接提问存储分层的目的，或每一层（Cache-主存，主存-辅存）要解决的核心矛盾。
- 例题08： “采用分级方式是为了（B. 解决容量、速度、价格三者之间的矛盾）”，这是对存储层次化根本目的的直接考察。
- 例题10： “‘Cache-主存’结构的作用是解决（D. 主存与CPU速度不匹配）”，考察了Cache层次的核心功能。
- 例题11： 考察存储层次从快到慢的固定顺序 “寄存器-Cache-主存-辅存”。
性能指标的计算与辨析（高频计算/辨析题）
- 考法：
  - 区分存取时间和存取周期的概念。
  - 计算存储器带宽。
  - 计算可寻址单元数。
  - 计算平均存取时间（涉及命中率）。
- 例题02： “存取周期是指（C. …最短时间间隔）”，精确考察了周期的定义。
- 例题03 & 07: 是经典的可寻址单元数计算题，核心公式是 单元数 = 总容量(Byte) / 寻址单位(Byte)。
- 例题06： 是基础的带宽计算题，核心公式是 带宽 = 每次读写的数据量 / 存取周期。
- 例题12： 是经典的平均存取时间与命中率的计算题，核心公式是 Ta = H*Tc + (1-H)*Tm。

刻意练习建议

制作“存储器分类矩阵”：
- 创建一个表格，行为具体的存储器（寄存器, SRAM, DRAM, Flash, HDD, 磁带）。
- 列为分类维度（作用层次, 存取方式, 介质, 易失性, 可更改性）。
- 亲手填写这个矩阵，可以系统地掌握所有存储器的特性和归属。
画出“存储金字塔”图：
- 画一个金字塔，从上到下依次标注：寄存器 -> Cache -> 主存 -> 辅存。
- 在每一层的旁边，标注其典型技术（SRAM/DRAM/磁）、速度（快->慢）、容量（小->大）、成本/位（高->低）。
- 在层与层之间，标注其要解决的矛盾（CPU-主存速度 / 主存容量）和管理方式（硬件 / 硬件+OS）。
- 这张图是整个存储系统知识的高度浓缩。
计算题专项训练：
- 可寻址单元数： 找不同单位（KB, MB, GB）和不同编址方式（按字节、字、半字、双字）的题目，反复练习，重点在于单位统一到字节再进行计算。
- 带宽： 找不同参数（存取周期、频率、数据宽度）的题目，熟练运用公式。
- 平均存取时间： 练习不同公式变体，如已知Ta求H，或已知H求Ta。