虛擬存儲器的作用是擴(kuò)大整個主存的容量，允許在程序中使用比主存容量大得多的虛擬存儲器。同時可以減輕人們編程中對程度進(jìn)行分塊的苦惱，從而提高軟件開發(fā)的效率。虛擬存儲器是實現(xiàn)利用小容量的主存運(yùn)行大規(guī)模的程序的一種有效的辦法。盡管實現(xiàn)虛擬存儲要增加一些額外的投資和軟件開銷，虛擬存儲技術(shù)在各種計算機(jī)系統(tǒng)中仍得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬存儲器必須建立在主存-輔存結(jié)構(gòu)上，但一般的主存-輔存系統(tǒng)并不一定是虛擬存儲器，虛擬存儲器與一般的主存-輔存系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別是:
①虛擬存儲器允許人們使用比主存容量大得多的地址空間來訪問主存，非虛擬存儲器最多只允許人們使用主存的整個空間，一般只允許使用操作系統(tǒng)分配的主存中的某一部分空間。
②虛擬存儲器每次訪問主存時必須進(jìn)行虛、實地址的變換，而非虛擬存儲系統(tǒng)則不必變換。
（2）虛擬存儲的工作原理
虛擬存儲技術(shù)，實際上是將編寫程序時所用的虛擬地址（邏輯地址）轉(zhuǎn)換成較小的物理地址。在程序運(yùn)行時隨時進(jìn)行這種變換。為了便于主存與輔存之間信息的交換，虛擬存儲器一般采用二維或三維的復(fù)合地址格式。采用二維地址格式時，將整個存儲器劃分為若干頁（或段），每個頁（或段）又包括若干存儲單元。采用三維地址格式時將整個存儲空間分為若干段，每段分為若干頁，每頁又包括若干存儲單元。根據(jù)地址格式不同，虛擬存儲器分為:頁式虛擬存儲器、段式虛擬存儲器和段頁式虛擬存儲器。
在虛擬存儲器中邏輯地址與物理地址之間的對應(yīng)稱為地址映象。通常有三種地址映象的方式:全相聯(lián)映象、直接映象和組相聯(lián)映象。
①全相聯(lián)映象
任一邏輯頁能映象到實際主存的任意頁面位置稱為全相聯(lián)映象，通常利用頁表法進(jìn)行地址間的變換。
②直接映象
每個邏輯頁只能映象到一個特定頁面的方式稱為直接映象。如主存實際有2 P 頁，虛擬存儲器的邏輯空間有2 P 頁，則將邏輯空間按物理空間大小分為2 P -P塊，塊內(nèi)各頁只能映象到主存的相應(yīng)頁中。即所有各塊的第0頁對應(yīng)主存的第0頁，各塊的第n頁對應(yīng)主存的第n頁。若程序需要輪流使用第i塊和第j塊的第m頁，只能將兩頁交替在主存和輔存之間調(diào)入調(diào)出，形成存儲頁面的“抖動”。來源：www.examda.com
③組相聯(lián)映象 組相聯(lián)映象方法是先按直接映象方法將虛擬存儲空間（邏輯空間）分成若干塊，在主存和邏輯空間中的各塊內(nèi)劃分為若干組，每個組間按直接映象方法控制?？梢赃@樣理解，如果將組相聯(lián)映象方法中的組按直接映象方法的頁來看待，組相聯(lián)方法與直接映象方法相同，邏輯空間各組內(nèi)的頁只能與對應(yīng)的物理空間組相聯(lián)。但在組內(nèi)各頁與物理空間的頁面之間采用全相聯(lián)映象方法處理。因此，可以認(rèn)為組相聯(lián)映象是全相聯(lián)映象和直接映象方法的結(jié)合。6.緩沖技術(shù)使用
緩沖技術(shù)就是為緩解慢速設(shè)備對整個計算機(jī)系統(tǒng)速度的影響，在計算機(jī)的某些部件中劃定一塊區(qū)域，模擬慢速設(shè)備的操作，將對慢速設(shè)備的操作先存放在此區(qū)域中，其他部件完成這一操作后可以繼續(xù)其他工作，而慢速設(shè)備可以用自己的速度逐漸完成相應(yīng)的操作。做為中間緩沖的區(qū)域稱為緩沖區(qū)，相應(yīng)的技術(shù)稱為緩沖技術(shù)。
在整個存儲體系的組織中，緩沖技術(shù)成為解決容量與速度之間矛盾的主要方法。實際上在計算機(jī)系統(tǒng)中緩沖技術(shù)解決了許多難題，促進(jìn)了計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展。在存儲體系中，緩沖技術(shù)主要體現(xiàn)在Cache的應(yīng)用和磁盤緩沖的使用。
（1）Cache的原理和作用Cache的工作原理基于對大量典型程序運(yùn)行實例的分析。分析結(jié)果表明，在較短的時間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲器邏輯地址空間很小的范圍內(nèi)。指令地址的分布又是連續(xù)的，加上循環(huán)程序和子程序段的重復(fù)執(zhí)行，對這些地址的訪問自然具有時間上集中分布的傾向。這種對局部范圍的存儲器地址頻繁訪問，對此范圍外的地址訪問甚少的現(xiàn)象稱為程序訪問的局部性。程序訪問的局部性為Cache的引入提供了理論依據(jù)。
Cache是緩沖技術(shù)在存儲體系中的一個具體應(yīng)用。Cache處于主存與CPU之間，負(fù)責(zé)解決主存與CPU之間速度的協(xié)調(diào)問題。Cache中存放著主存的一部分副本（主存中的部分內(nèi)容），當(dāng)存儲器接到有關(guān)讀取指令時，先在Cache中查找此信息是否存在，若有則不經(jīng)主存直接從Cache中取出;否則直接從主存中取出，同時寫入Cache，以備再次使用。當(dāng)向存儲器寫入內(nèi)容時，由輔助硬件采用各種方法**主存中的內(nèi)容同Cache中的內(nèi)容保持一致。
為**寫入時兩者內(nèi)容一致的方法有:①將內(nèi)容同時寫入主存和Cache;②數(shù)據(jù)僅寫入主存，若Cache中有此內(nèi)容則將其釋放;③數(shù)據(jù)只寫入Cache，在規(guī)定的時候?qū)⑿薷倪^的Cache的內(nèi)容寫入主存。
Cache的主要特點是:①存取速度快，一般Cache的速度完全可以跟上CPU的運(yùn)算速度;②存儲量小，由于Cache的速度快，其價格也相當(dāng)昂貴，因此為**整個存儲器的性能價格比，一般采用適當(dāng)容量的Cache，其容量小于主存。
（2）磁盤緩沖技術(shù)
磁盤緩沖技術(shù)的目的是減少由于主、輔存之間的速度差異對計算機(jī)總體性能的影響。磁盤是存儲系統(tǒng)中的輔助部分，其主要作用是用來存儲不常用的數(shù)據(jù)和程序等信息，減輕對主存容量的需求壓力。由于磁盤中的信息不能被計算機(jī)的其他部件直接調(diào)用，因此在信息的輸入/輸出過程中必須在主存中開辟一定的空單位和為與磁盤上信息交換的中間過渡區(qū)域稱為磁盤緩沖區(qū)。如從鍵盤（輸入設(shè)備）向磁盤中輸入一個信息，此信息必須**總線先輸入到主存中的特定區(qū)域中，**程序控制將信息存放到主存中對應(yīng)于磁盤輸入/輸出的一個特定區(qū)域內(nèi)，然后將此信息轉(zhuǎn)存到磁盤上。一般將主存中對應(yīng)于磁盤的特定區(qū)域稱為磁盤緩沖區(qū)。
為了提高磁盤的讀寫速度，操作系統(tǒng)一般根據(jù)程序運(yùn)行的需要設(shè)置磁盤緩沖區(qū)的大小及輸入/輸出操作。同Cache技術(shù)相類似，不立即覆蓋磁盤緩沖區(qū)的內(nèi)容，當(dāng)系統(tǒng)需要繼續(xù)讀入磁盤中的信息時，首先檢查磁盤緩沖區(qū)中是否有所需要的信息，若有則直接使用，否則根據(jù)信息的位置將磁盤上特定扇區(qū)的內(nèi)容調(diào)入磁盤緩沖區(qū)后再加以使用。這樣可以提高磁盤的信息讀取速度，減少因磁盤存取速度慢對系統(tǒng)整體性能的影響
九、輸入與輸出系統(tǒng)
1.輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展
輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展大致分為五種方式，即程序控制的輸入輸出方式、中斷方式，DMA方式、輸入/輸出通道方式和I/O處理機(jī)等五種方式。
程序查詢方式和程序中斷方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較低的外部設(shè)備。而DMA方式、通道方式和I/O處理機(jī)方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備。目前，小型機(jī)和微型機(jī)大都采用程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式。通道方式I/O處理機(jī)方式大都用在中、大型計算機(jī)中。為了介紹方便，我們把通道方式和I/O處理機(jī)方式視為一種方式。
2.程序查詢方式
程序查詢方式又叫程序控制I/O方式。在這種方式中，數(shù)據(jù)在CPU和外部設(shè)備之間的傳送完全靠計算機(jī)程序控制，是在CPU主動控制下進(jìn)行的，當(dāng)輸入/輸出時，CPU暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入/輸出的服務(wù)程序，根據(jù)服務(wù)程序中的I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
這是一種最簡單、最經(jīng)濟(jì)的輸入/輸出方式。它只需很少的硬件，因此幾乎所有的機(jī)器都具有程序查詢方式。特別是在微、小型機(jī)中，常用程序查詢方式來實現(xiàn)低速設(shè)備的輸入輸出管理。
3.程序中斷方式
“中斷”概念的提出，是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重大變革。在程序中斷方式中，某一外設(shè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，它“主動”向CPU發(fā)請求中斷的信號，請求CPU暫時中斷目前的工作而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)CPU響應(yīng)這個中斷時，便暫停運(yùn)行主程序，并自動轉(zhuǎn)移到該設(shè)備的中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)程序結(jié)束以后，CPU又回到原來的主程序。其原理和調(diào)用子程序相仿，不過，這里要求轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)子程序的請求是由外部設(shè)備發(fā)出的。中斷方式特別適合于隨機(jī)出現(xiàn)的服務(wù)。
4.DMA方式
（1）DMA方式的基本概念
直接訪問內(nèi)存DMA方式，是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。在這種方式中，DMA控制器從CPU中完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存儲器和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。DMA方式一般用于高速地傳送成組的數(shù)據(jù)。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號、修改地址、對傳送的字的個數(shù)計數(shù)，并且以中斷方式向CPU報告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。DMA方式的主要優(yōu)點是速度快。由于CPU根本不參加傳送操作，因此就省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作。在數(shù)據(jù)傳送過程中，也不象中斷方式那樣，要進(jìn)行保存現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場之類的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個數(shù)的計數(shù)等，也不是由軟件實現(xiàn)，而是用硬件線路直接實現(xiàn)的。DMA的種類很多，但各種DMA至少能執(zhí)行以下一些基本操作:①從外部設(shè)備發(fā)出DMA請求;
②CPU響應(yīng)請求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器從CPU接管總線的控制;③由DMA控制器對內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元首地址及數(shù)據(jù)傳送個數(shù)的計數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作;
④向CPU報告DMA操作的結(jié)束。
（2）DMA技術(shù)的出現(xiàn)，使得外部設(shè)備可以**DMA控制器直接訪問內(nèi)存，與此同時，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。那么DMA控制器與CPU怎樣分時使用內(nèi)存呢?通常采用以下三種方法:①停止CPU訪問;②周期挪用;
③DMA與CPU交替訪問。
（3）基本的DMA控制器
一個DMA控制器實際上是采用DMA方式的外部設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的接口電路。這個接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機(jī)構(gòu)組成。習(xí)慣上將DMA方式的接口電路稱為DMA控制器。
①內(nèi)存地址計數(shù)器
用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)地址。在DMA傳送前，需**程序?qū)?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置（首地址）送到內(nèi)存地址計數(shù)器。而當(dāng)DMA傳送時，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計數(shù)器加“1”，從而以增量方式給出內(nèi)存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址。
②字計數(shù)器
用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度（多少字?jǐn)?shù)）。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之間由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。在DMA傳送時，每傳送一個字，字計數(shù)器就加“1”，當(dāng)計數(shù)器溢出即位產(chǎn)生進(jìn)位時，表示這批數(shù)據(jù)傳送完畢，于是引起DMA控制器向CPU發(fā)出中斷信號。
③數(shù)據(jù)緩沖寄存器
用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個字）。當(dāng)輸入時，由設(shè)備（如磁盤）送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再由緩沖寄存器**數(shù)據(jù)總線送到內(nèi)存。反之，輸出時，由內(nèi)存**數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到設(shè)備。
④“DMA請求”標(biāo)志
每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個數(shù)據(jù)字后給出一個控制信號，使“DMA”請求標(biāo)志置“1”。該標(biāo)志置位后向“控制/狀態(tài)”邏輯發(fā)出DMA請求，后者又向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請求（HOLD），CPU響應(yīng)此請求后發(fā)回響應(yīng)信號HLDA，“控制/狀態(tài)”邏輯接收此信號后發(fā)出DMA響應(yīng)信號，使“DMA請求”標(biāo)志復(fù)位，為交換下一個字做好準(zhǔn)備。
⑤“控制/狀態(tài)”邏輯它由控制和時序電路，以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計數(shù)器和字計數(shù)器，指定傳送類型（輸入輸出），并對“DMA請求”信號和CPU響應(yīng)信號進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。⑥中斷機(jī)構(gòu)
當(dāng)字計數(shù)器溢出時（全0），意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，由溢出信號觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向CPU提出中斷報告。這里的中斷與前面介紹的I/O中斷所采用的技術(shù)相同，但中斷的目的不同，前面是為了數(shù)據(jù)的輸入或輸出，而這里是為了報告一組數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。因此它們是I/O系統(tǒng)中不同的中斷事件。
5.通道方式
（1）通道的功能
DMA控制器的出現(xiàn)已經(jīng)減輕了CPU對數(shù)據(jù)輸入輸出的控制，使得CPU的效率有顯著的提高。而通道的出現(xiàn)則進(jìn)一步提高了CPU的效率。這是因為通道是一個特殊功能的處理器，它有自己的指令和程序?qū)ｉT負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸控制，而CPU將“傳輸控制”的功能下放給通道后只負(fù)責(zé)“數(shù)據(jù)處理”功能。這樣，通道與CPU分時使用內(nèi)存，實現(xiàn)了CPU內(nèi)部運(yùn)算與I/O設(shè)備的并行工作。
通道的基本功能是執(zhí)行通道指令、組織外部設(shè)備和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，按I/O指令要求啟動外部設(shè)備，向CPU報告中斷等，具體有以下五項任務(wù):
①接受CPU的I/O指令，按指令要求與指定的外部設(shè)備進(jìn)行通信;
②從內(nèi)存選取屬于該通道程序的通道指令，經(jīng)譯碼后向設(shè)備控制器和設(shè)備發(fā)送各種命令;
③組織外部設(shè)備和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并根據(jù)需要提供數(shù)據(jù)中間緩存的空間，以及提供數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的地址和傳送的數(shù)據(jù)量;
④從外部設(shè)備得到設(shè)備的狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存的指定單元，供CPU使用;
⑤將外部設(shè)備的中斷請求和通道本身的中斷請求，按次序及時報告CPU。
（2）通道類型
根據(jù)通道的工作方式，通道可分為:①選擇通道。②數(shù)組多路通道。③字節(jié)多路通道。④通道適配器。
6.外部設(shè)備
外部設(shè)備分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輸入輸出兼用設(shè)備、外存設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備和過程控制設(shè)備等。
①輸入設(shè)備②輸出設(shè)備③漢字設(shè)備
④數(shù)據(jù)通信設(shè)備
⑤過程控制設(shè)備