存储系统

存储系统把程序产生的地址变成实际的数据访问。组原侧重 Cache、主存与访问时间，操作系统侧重地址空间、页表和页面置换；综合题经常把两边串起来。分清“地址翻译”和“数据访问”，才能知道每一次未命中究竟会引起什么操作。

这个板块包含哪些知识

存储系统图谱先讲层次，再展开一次访问。本页按这个关系组织：

• 存储层次与局部性：寄存器、Cache、主存、外存的速度和容量关系，时间局部性与空间局部性。
• Cache：映射与地址字段、有效位和标记、替换策略、写策略、命中率与缺失损失。
• 虚拟存储：虚页和页框、单级与多级页表、TLB、保护与缺页处理。
• 页面管理：驻留集、FIFO / LRU / CLOCK，以及访问序列引起的页面状态变化。

对一次典型访问，可以先沿 虚拟地址 → 地址翻译 → 物理地址 → Cache / 主存 追踪。TLB 缺失可能只需查页表，缺页才需要操作系统调页；Cache 缺失通常是从主存取块。三种事件的代价不能混算。

磁盘文件如何组织，另见文件系统与磁盘。

常见考点与题型

综合题可能组合下面几类小问。先看要求求什么，再确定需要调用哪些知识。

解题前要弄清的关系

地址类题可以先沿下面两条链定位问题；替换与性能题还需要记录访问序列、初态和各分支的代价。

一、地址翻译链：VA → PA 的实质是 VPN → PPN，页内偏移原样抄下来

1. VA = 虚页号 VPN ‖ 页内偏移 —— 拆分点只由页大小决定，见 页面划分和地址结构
2. VPN → TLB —— 一个装页表项的小 Cache，全相联或组相联；命中直接拿到 PPN，见 TLB
3. VPN → 页表 —— 只在 TLB 缺失时走；多级则先页目录再页表，见 多级页表
   • 有效位为 0 → 缺页异常 → 从磁盘调入并置换，见 页面错误 与 页置换算法
4. PA = 页框号 PPN ‖ 页内偏移（偏移位不变，可用于判断哪些索引位不必等待地址翻译）

二、Cache 访问链：PA → 数据，靠三段地址定位

1. PA = 标记 Tag ‖ 组号 Index ‖ 块内地址 Offset —— 见 cache 地址结构
2. 组号选中唯一一组 —— 直接映射是「组内一行」，n 路组相联是「组内 n 行」，全相联只有一组，见 cache 和主存映射方式
3. 组内逐路比 Tag 并查有效位 —— 命中按 Offset 取字；缺失访主存调入整块
4. 缺失后两件事：替换算法（LRU / FIFO / 随机）与写策略（写直达或写回，搭配题设的写分配或非写分配），见 替换算法、cache 写策略

两条链串起来就是一次完整访存，草稿上默画一遍，做题时只需往上填数：

虚拟地址 ─┬─ 虚页号 ─→ TLB ─命中→ 页框号
          │             └缺失→ 页表（多级先查页目录）─→ 页框号
          │                       └ 有效位 0 → 缺页异常 → 磁盘
          └─ 页内偏移 ──────────────────┐
                                        ↓
物理地址 = 页框号 ‖ 页内偏移
          ├─ 标记 + 组号 ─→ Cache ─命中→ 送 CPU
          └─ 块内地址              └缺失→ 访主存，调入整块

完整时序见 访存过程。

各类题的解法

地址计算先确定字段宽度，再代入地址；命中率、置换和时间题还要继续分析访问过程。

第一步：所有容量换算成位数

这张表填完，「占几位」「在哪一组」「页表项地址是多少」这几类小问就已经有答案了。会失分的情况通常是没填完就急着算下一问。

第二步：把链实例化

在草稿上重画那条链，把第一步算出的位数标在每一段上：虚页号几位、页内偏移几位、标记几位、组号几位。标出小问涉及的层次；组合题可能跨多个位置，先定位再计算，不要先套公式。

第三步：按问法对号入座

页表题常用两类计算：先用表项号定位页表项，再用页框号拼出物理地址。2013#46、2020#46 和 2024#45 是同一套题，其中 2024 年多绕一层——页表自己也放在某个页里，也要被翻译一次。

两种变形

以下“虚拟地址直接索引 Cache”讨论以题目明确采用 VIPT（Virtually Indexed, Physically Tagged）模型为前提；未说明时仍应按题设给出的访问顺序判断。

在上述 VIPT 模型中，让索引完全落在页内偏移中的条件是：组号位数 + 块内地址位数 ≤ 页内偏移位数。满足时这些位在虚拟地址和物理地址中完全相同，不必等地址转换结束就能开始索引 Cache。2011#44、2016#45 和 2019#46 靠它推理，2025#43 直接问「VA 中哪些位可以作为 Cache 索引」。

题干给了汇编或 C 代码，是把地址藏起来的写法，固定三步：

1. 从代码里取数组首地址和元素大小，算出目标元素的虚拟地址；
2. 把这个虚拟地址送进上面那条链；
3. 遇到“哪种遍历顺序更好”，先比较步长与块内复用，再检查映射冲突。

会用到 汇编代码、数据对齐 和 大小端。

命中与替换：每次访问后更新状态

可以列“地址 / 页号或块号 / 组号 / 命中否 / 淘汰对象 / 更新后状态”六列。LRU 要在命中时更新最近使用次序，FIFO 的入队次序则不会因为命中改变；写回 Cache 淘汰脏块时，还要计入写回流量或时间。

例如两页框、初始为空，访问 A,B,A,C,B：LRU 在访问 C 时淘汰 B，最后访问 B 又缺页，共 4 次；FIFO 在访问 C 时淘汰 A，最后 B 仍在，共 3 次。先明确策略，再计数，不能只数不同页面。

平均时间：先区分“额外损失”和“总耗时”

若命中耗时 2 ns，缺失后额外花 50 ns，缺失率 10%，则平均时间为 2+0.1×50=7 ns。若题目说缺失访问从开始到完成共 50 ns，则应算 0.9×2+0.1×50=6.8 ns。

TLB 与 Cache 组合题也先列各分支实际经过的部件，再加权。只有题设允许并行的步骤才能取重叠时间，串行步骤需要相加。

历年题索引

框架和流程是通用的，下面这张表用于比较地址翻译、数据访问和状态变化的组合方式，练完一年再回上面对一遍流程。

易错清单

• 组数忘了除路数。八路组相联的组数是「容量 ÷ 路数 ÷ 块大小」，少除一次路数，后面所有位数都错。
• 按字编址和按字节编址混用。这只决定主存单元宽度，不能由它推寄存器宽度。
• 不检查条件就用虚拟地址索引 Cache。见上面那一句不等式。
• 把“首次装入”当成所有缺页题的规则。无置换时缺页次数才等于首次访问页数；出现 FIFO、LRU、CLOCK 或明确的置换后，必须逐次模拟，缺页次数可能超过数据占用页数。
• 漏掉 TLB / Cache 初始为空造成的强制缺失。
• 二级页表只做了一次乘加。定位页表项和拼物理地址是两步，不能合并。

上一页：数的表示与运算；下一页：CPU 与指令系统。