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計算機組成原理是什么
計算機組成指的是系統結構的邏輯實(shí)現，包括機器機內的數據流和控制流的組成及邏輯設計等。計算機由什么組成的，有什么原理呢?下面小編為大家分析一下!
【計算機性能指標】
計算機的性能指標主要是CPU性能指標、存儲器性能指標和I/O吞吐率。
處理機字長(cháng)：是指處理機運算器中一次能夠完成二進(jìn)制運算的位數。
總線(xiàn)寬度：一般指CPU中運算器與存儲器之間進(jìn)行互連的內部總線(xiàn)二進(jìn)制位數。
存儲器帶寬：?jiǎn)挝粫r(shí)間內從存儲器讀出事物二進(jìn)制數信息量，一般用字節數/秒表示。
主頻/時(shí)鐘周期：CPU的工作節拍受主時(shí)鐘控制，主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘，主時(shí)鐘的頻率(f)叫CPU的主頻。主頻的倒數稱(chēng)為CPU的周期(T)。
CPI：表示每條指令周期數，即執行一般程序所占用的CPU時(shí)間，
CPU執行時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數xCPU時(shí)鐘周期
MIPS：表示平均每秒執行多少百萬(wàn)條定點(diǎn)指令數，
FLOPS:表示每秒執行浮點(diǎn)操作的次數，用來(lái)衡量機器浮點(diǎn)操作的性能。
FLOPS=程序中的浮點(diǎn)操作次數/程序執行時(shí)間(s)
【定點(diǎn)數的表示和運算】
一個(gè)定點(diǎn)數由符號位和數值域兩部分組成。按小數點(diǎn)位置不同，定點(diǎn)數有純小數和純整數兩種表示方法。在定點(diǎn)計算機中，兩個(gè)原碼表示的數相乘的運算規則是：乘積的符號位由兩數的符號位按異或運算得到，而乘積的數值部分則是兩個(gè)正數相乘之積。兩個(gè)原碼表示的數相除時(shí)，商的符號位由兩數的符號按位相加求得，商的數值部分由兩數的數值部分相除求得。
【算數邏輯單元ALU】
為運算器構造的簡(jiǎn)單性，運算方法中算數運算通常采用補碼加、減法，原碼乘除法或補碼乘除法。為了運算器的高速性和控制的簡(jiǎn)單性，采用了先行進(jìn)位、陣列乘除法、流水線(xiàn)等并行技術(shù)措施。ALU不僅具有多種算術(shù)運算和邏輯運算的功能，而且具有先行進(jìn)位邏輯，從而能實(shí)現高速運算。
【存儲器的分類(lèi)】
按存儲介質(zhì)，用半導體器件組成的存儲器稱(chēng)為半導體存儲器，用磁性材料做成的存儲器稱(chēng)為磁表面存儲器;作為存儲介質(zhì)的基本要求，必須有兩個(gè)明顯區別的物理狀態(tài)，分別用來(lái)表示二進(jìn)制的代碼0和1。另一方面，存儲器的存取速度又取決于這種物理狀態(tài)的改變速度。
按存取方式，存儲器中任何存儲單元的內容都能被隨機存取，且存取時(shí)間和存儲單元的位置無(wú)關(guān)的存儲器稱(chēng)為隨機存儲器，存儲器只能按某種順序來(lái)存取，即存取時(shí)間和存儲單元的物理位置有關(guān)的存儲器稱(chēng)為順序存儲器;半導體存儲器是隨機存儲器，RAM和ROM都是采用隨機存取的方式進(jìn)行信息訪(fǎng)問(wèn)，磁帶存儲器是順序存儲器。
按信息易失性，斷電后信息消失的存儲器稱(chēng)為易失性存儲器，斷電后仍能保存信息的存儲器稱(chēng)為非易失性存儲器;半導體讀寫(xiě)存儲器RAM是易失性存儲器，ROM是非易失性存儲器，磁性材料做成的存儲器是非易失性存儲器。
按存儲內容可變性，有些半導體存儲器存儲的內容是固定不變的，即只能讀出而不能寫(xiě)入，這種半導體存儲器稱(chēng)為只讀存儲器(ROM)，既能讀出又能寫(xiě)入的半導體存儲器稱(chēng)為隨機讀寫(xiě)存儲器(RAM);
按系統中的作用，可分為內部存儲器、外部存儲器;又可分為主存儲器、高速緩沖存儲器、輔助存儲器、控制存儲器;半導體存儲器是內部存儲器，磁盤(pán)是外部存儲器，又是輔助存儲器。
【存儲器的層次化結構】
目前在計算機系統中，通常采用多級存儲器體系結構，即使用高級緩沖存儲器(cache)、主存儲器和外存儲器。CPU能直接訪(fǎng)問(wèn)的存儲器稱(chēng)為內存儲器，它包括cache和主存儲器。CPU不能直接訪(fǎng)問(wèn)外存儲器，外存儲器的信息必須調入內存儲器后才能為CPU進(jìn)行處理。cache是計算機系統中的一個(gè)高速小容量半導體存儲器，在計算機中利用cache來(lái)高速存取指令和數據。cache的工作原理基于程序運行中具有的空間局部性和時(shí)間局部性特征。cache能高速地向CPU提供指令和數據，從而加快了程序的執行速度。從功能上看，它是主存的緩沖存儲器，由高速的SRAM組成。為追求高速，包括管理在內的全部功能由硬件實(shí)現，因而對程序員是透明的。與主存容量相比。cache的容量很小，它保存的內容只是主存內容的一個(gè)子集，且cache與主存的數據交換是以塊為單位。主存儲器是計算機系統的主要存儲器，由MOS半導體存儲器組成，用來(lái)存放計算機運行期間的大量程序和數據，能和cache交換數據和指令。外存儲器是大容量輔助存儲器，通常用來(lái)存放系統程序和大型數據文件及數據庫。
存儲器的技術(shù)指標有存儲容量、存取時(shí)間、存儲周期、存儲器帶寬。存取時(shí)間、存儲周期、存儲器帶寬三個(gè)概念反映了主存的速度指標。
存取時(shí)間：指一次讀操作命令發(fā)出到該操作完成，將數據讀出到數據總線(xiàn)上所經(jīng)歷的時(shí)間。通常取寫(xiě)操作時(shí)間等于讀操作時(shí)間，故稱(chēng)為存儲器存取時(shí)間，存取時(shí)間又稱(chēng)存儲器訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間。
存儲周期：指連續兩次讀操作所需間隔的最小時(shí)間。通常，存儲周期略大于存取時(shí)間。
“位(bit)”是電子計算機中最小的數據單位，每一位的狀態(tài)只能是0或1。8個(gè)二進(jìn)制位構成一個(gè)“字節(Byte)”,字節是儲存空間的基本計量單位，一個(gè)字節可以?xún)Υ嬉粋�(gè)英文字母，2個(gè)字節可以?xún)Υ嬉粋�(gè)漢子�！白帧庇扇舾勺止潣嫵�，字的位數叫作字長(cháng)，不同檔次的機器有不同的字長(cháng)。存儲器的基本單位字節的長(cháng)度是8 bit。表示主存容量的常用單位字節B，是基本單位。此外還有KB、MB、GB、TB。一個(gè)雙穩態(tài)半導體電路或一個(gè)CMOS晶體管或磁性材料的存儲元，均可以存儲一位二進(jìn)制代碼。這個(gè)二進(jìn)制代碼位是存儲器中最小的存儲單位，稱(chēng)為存儲位元。
所有的SRAM的特征是用一個(gè)鎖存器(觸發(fā)器)作為存儲元，觸發(fā)器具有兩個(gè)穩定的狀態(tài)，只要直流供電電源一直加在這個(gè)記憶電路上，它就無(wú)限期地保持記憶的1或0狀態(tài);如果電源斷電，那么存儲的數據(1或0)就會(huì )丟失。SRAM是易失性存儲器。半導體靜態(tài)存儲器 SRAM 的存儲原理是依靠雙穩態(tài)電路。SRAM存儲器的存儲元是一個(gè)觸發(fā)器，它具有兩個(gè)穩定的狀態(tài)。SRAM的優(yōu)點(diǎn)是存取速度快，但存儲容量不如DRAM大。動(dòng)態(tài)MOS隨機讀寫(xiě)存儲器DRAM的存儲容量極大，通常用作計算機的主存儲器。主存也可以用SRAM實(shí)現，只是成本高。與SRAM相比，DRAM成本低、功耗低，但需要刷新。動(dòng)態(tài)RAM存儲信息依靠的是電容。DRAM存儲器的存儲元是由一個(gè)MOS晶體管和電容器組成的記憶電路，其中MOS晶體管作為開(kāi)關(guān)使用，而所存儲的信息1或0則是由電容器上的電荷量來(lái)體現--當電容器充滿(mǎn)電荷時(shí)，代表儲存了1，當電容器放電沒(méi)有電荷時(shí)，代表存儲了0。讀出過(guò)程也是刷新過(guò)程。輸入緩沖期與輸出緩沖器總是互鎖的。這是因為讀操作和寫(xiě)操作是互斥的，不會(huì )同時(shí)發(fā)生。與SRAM不同的是：DRAM增加了行地址鎖存器和列地址鎖存器，增加了刷新計數器和相應的控制電路。DRAM比SRAM集成度更高。DRAM讀出后必須刷新，而未讀寫(xiě)的存儲元也要定期刷新，而且要按行刷新，所以刷新計數器的長(cháng)度等于行地址鎖存器。DRAM存儲位元是基于電容器上的電荷量存儲，這個(gè)電荷量隨著(zhù)時(shí)間和溫度而減少，因此必須定期地刷新，以保持它們原來(lái)記憶的信息。DRAM是易失性存儲器。一次讀操作會(huì )自動(dòng)地刷新選中行中的所有存儲位元。然而通常情況下，人們不能準確地預知讀操作出現的頻率，因此無(wú)法阻止數據丟失。在這種情況下，必須對DRAM進(jìn)行定期刷新。DRAM使用電容存儲，所以必須隔一段時(shí)間刷新(refresh)一次，如果存儲單元沒(méi)有被刷新，存儲的信息就會(huì )丟失。DRAM存儲器有讀周期、寫(xiě)周期和刷新周期，刷新周期比讀/寫(xiě)周期有更高的優(yōu)先權。DRAM存儲器需要逐行進(jìn)行定時(shí)刷新，以使不因存儲信息的電容漏電而造成信息丟失。另外，DRAM芯片的讀出是一種破壞性讀出，因此在讀取之后要立即按讀出信息予以充電再生。動(dòng)態(tài)MOS隨機讀寫(xiě)存儲器DRAM的存儲容量極大，通常用作計算機的主存儲器。SRAM和DRAM都是隨機讀寫(xiě)存儲器，它們的特點(diǎn)是數據可讀可寫(xiě)。ROM叫作只讀存儲器，在它工作時(shí)只能讀出，不能寫(xiě)入，其中存儲的原始數據必須在它工作以前寫(xiě)入。FLASH叫作閃存存儲器，是高密度非易失性的讀/寫(xiě)存儲器，高密度意味著(zhù)它具有巨大比特數目的存儲容量，非易失性意味著(zhù)存放的數據在沒(méi)有電源的情況下可以長(cháng)期保存。FLASH存儲元是在EPROM存儲元基礎上發(fā)展起來(lái)的。閃存存儲器有三個(gè)主要的基本操作，它們是編程操作、讀取操作和擦除操作�？删幊蘎OM有PROM、EPROM、EEPROM。其中，PROM是一次性編程。EPROM叫作光擦除可編程只讀存儲器，它的存儲內容可以根據需要寫(xiě)入，當需要更新時(shí)將原存儲內容抹去，再寫(xiě)入新的內容。EEPROM叫作電擦除可編程只讀存儲器，其儲存元是一個(gè)具有兩個(gè)柵極的NMOS管，這種存儲器在出廠(chǎng)時(shí)，存儲器內容為全“1”狀態(tài)。使用時(shí)，可根據要求把某些存儲元寫(xiě)“0”。EPROM是可改寫(xiě)的，但它不能用作為隨機存儲器用。
【主存儲器與CPU的連接】
主儲存器和CPU之間增加cache的目的是解決CPU和主存之間的速度匹配問(wèn)題。程序和數據存儲在主存中，主存通常采用多體交叉存儲器，以提高訪(fǎng)問(wèn)速度。cache是一個(gè)高速緩沖存儲器，用以彌補主存和CPU速度上的差異。指令部件本身又構成一個(gè)流水線(xiàn)，它由取指令、指令譯碼、計算操作數地址、取操作數等幾個(gè)過(guò)程段組成。指令隊伍是一個(gè)先進(jìn)先出(FIFO)的寄存器棧，用于存放經(jīng)過(guò)譯碼的指令和取來(lái)的操作數。它也是由若干個(gè)過(guò)程段組成的流水線(xiàn)。執行部件可以具有多個(gè)算數邏輯運算部件，這些部件本身又用流水線(xiàn)方式構成。為了使存儲器的存取時(shí)間能與流水線(xiàn)的其他各過(guò)程段的速度匹配，一般采用多體交叉存儲器。執行段的速度匹配問(wèn)題，通常采用并行的運算部件以及部件流水線(xiàn)的工作方式來(lái)解決。一般采用的方法包括：將執行部件分為定點(diǎn)執行部件和浮點(diǎn)執行部件兩個(gè)可并行執行的部分，分別處理定點(diǎn)運算指令和浮點(diǎn)運算指令;在浮點(diǎn)執行部件中，又有浮點(diǎn)加法部件和浮點(diǎn)乘/除部件，它們也可以同時(shí)執行不同的指令;浮點(diǎn)運算部件都以流水線(xiàn)方式工作。所謂資源相關(guān)，是指多條指令進(jìn)入流水線(xiàn)后在同一機器時(shí)鐘周期內爭用同一個(gè)功能部件所發(fā)生的沖突。在一個(gè)程序中，如果必須等前一條指令 執行完畢后，才能執行后一條指令，那么這兩條指令就是數據相關(guān)的。為了解決數據相關(guān)沖突，流水CPU的運算器中特意設置若干運算結果緩沖寄存器，暫時(shí)保留運算結果，以便于后繼指令直接使用，這稱(chēng)為“向前”或定向傳送技術(shù)�？刂葡嚓P(guān)沖突是由轉移指令引起的。當執行轉移指令時(shí)，依據轉移條件的產(chǎn)生結果，可能為順序取下條指令;也可能轉移到新的目標地址取指令，從而使流水線(xiàn)發(fā)生斷流。為了減小轉移指令對流水線(xiàn)性能的影響，常采用以下兩種轉移處理技術(shù)：由編譯程序重排指令序列來(lái)實(shí)現的延遲轉移法、硬件方法來(lái)實(shí)現的轉移預測法。
【雙口RAM和多模塊存儲器】
雙端口存儲器采用空間并行技術(shù)，能進(jìn)行高速讀/寫(xiě)操作。雙端口存儲器提供了兩個(gè)相互獨立的讀寫(xiě)電路，可以對存儲器中任意位置上的數據進(jìn)行獨立的存取操作。事實(shí)上雙端口存儲器也可以由DRAM構成。當兩個(gè)端口的地址不相同時(shí)，在兩個(gè)端口上進(jìn)行讀寫(xiě)操作，一定不會(huì )發(fā)生沖突。當兩個(gè)端口同時(shí)存取存儲器同一存儲單元時(shí)，便發(fā)生沖突�？傊�，當兩個(gè)端口均為開(kāi)放狀態(tài)且存取地址相同時(shí)，發(fā)生讀寫(xiě)沖突。
一個(gè)由若干模塊組成的主存儲器是線(xiàn)性編址的，這些地址在各模塊中的安排方式有兩種：一種是順序方式，一種是交叉方式。從定性分析，對連續字的成塊傳送，交叉方式的存儲器可以實(shí)現多模塊流水式并行存取，大大提高存儲器的帶寬，由于CPU的速度比主存快，假如能同時(shí)從主存取出n條指令，這必然會(huì )提高機器的運行速度。多模塊交叉存儲器是一種并行存儲器結構。
【高速緩沖存儲器(cache)】
cache是一種高速緩沖存儲器，是為了解決CPU和主存之間速度不匹配而采用的一項重要技術(shù)。其原理基于程序運行中具有的空間局部性和時(shí)間局部性特征。cache能高速地向CPU提供指令和數據，從而加快了程序的執行速度。從功能上看，它是主存的緩沖存儲器，由高速的SRAM組成。為追求高速，包括管理在內的全部功能由硬件實(shí)現，因而對程序員是透明的。當前隨著(zhù)半導體器件集成度的進(jìn)一步提高，cache已放入到CPU中，其工作速度接近于CPU的速度，從而能組成兩級以上的cache系統。cache除包含SRAM外，還要有控制邏輯。若cache在CPU芯片外，它的控制邏輯一般與主存控制邏輯合成在一起，成為主存/cache控制器;若cache在CPU內，則由CPU提供它的控制邏輯。CPU與cache之間的數據交換是以字為單位，而cache與主存之間的數據交換是以塊為單位。一個(gè)塊由若干字組成，是定長(cháng)的。當CPU讀取內存中一個(gè)字時(shí)，便發(fā)出此字的內存地址到cache和主存。此時(shí)cache控制邏輯依據地址判斷此字是否在cache中：若是，此字立即傳送給CPU;若非，則用主存讀周期把此字從主存讀出送到CPU，與此同時(shí)，把含有這個(gè)字的整個(gè)數據塊從主存讀出送到cache中。從CPU看，增加一個(gè)cache的目的，就是在性能上使主存的平均讀出時(shí)間盡可能接近c(diǎn)ache的讀出時(shí)間。為了達到這個(gè)目的，在所有的存儲器訪(fǎng)問(wèn)中由cache滿(mǎn)足CPU需要的部分應占很高的比例，即cache的命中率應接近于1.由于程序訪(fǎng)問(wèn)的局部性，實(shí)現這個(gè)目標是可能的。運算器由算數邏輯單元(ALU)、通用寄存器、數據緩沖寄存器DR和狀態(tài)條件寄存器PSW組成，它是數據加工處理部件。運算器接受控制器的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運算器所進(jìn)行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來(lái)指揮的，所以它是執行部件。運算器有兩個(gè)主要功能：
(1)執行所有的算數運算;
(2)執行所有的邏輯運算，并進(jìn)行邏輯測試，如零值測試或兩個(gè)值的比較。
通常，一個(gè)算數操作產(chǎn)生一個(gè)運算結果，而一個(gè)邏輯操作則產(chǎn)生一個(gè)判決。
與主存容量相比，cache的容量很小，它保存的內容只是主存內容的一個(gè)子集，且cache與主存的數據交換是以塊為單位。為了把主存塊放到cache中，必須應用某種方法把主存地址定為到cache中，稱(chēng)做地址映射�！坝成洹钡奈锢砗x是確定位置的對應關(guān)系，并用硬件來(lái)實(shí)現。這樣當CPU訪(fǎng)問(wèn)存儲器時(shí)，它所給出的一個(gè)字的內存地址會(huì )自動(dòng)變換成cache的地址。由于采用硬件，這個(gè)地址變換過(guò)程很快，軟件人員絲毫感覺(jué)不到cache的存在，這種特性成為cache的透明性。地址映射方式有全相聯(lián)方式、直接方式和組相聯(lián)方式三種。在全相聯(lián)映射中，將主存中一個(gè)塊的地址(塊號)與塊的內容(字)一起存于cache的行中，其中塊地址存于cache行的標記部分中。這種帶全部塊地址一起保存的方法，可使主存的一個(gè)塊直接拷貝到cache中的任意一行上。全相聯(lián)映射方式的檢索過(guò)程：CPU訪(fǎng)存指令指定了一個(gè)內存地址(包括主存和cache),為了快速檢,指令中的塊號與cache中所有行的標記同時(shí)在比較器中進(jìn)行比較。如果塊號命中，則按字地址從cache中讀取一個(gè)字;如果塊號未命中，則按內存地址從主存中讀取這個(gè)字。在全相聯(lián)cache中，全部標記用一個(gè)相聯(lián)存儲器來(lái)實(shí)現，全部數據用一個(gè)普通RAM來(lái)實(shí)現。全相聯(lián)方式的主要缺點(diǎn)是比較器電路難于設計和實(shí)現，因此只適合于小容量cache采用。直接映射方式也是一種多對一的映射關(guān)系，但一個(gè)主存塊只能拷貝到cache的一個(gè)特定行位置上去。直接映射方式的優(yōu)點(diǎn)是硬件簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是每個(gè)主存塊只有一個(gè)固定的行位置可存放，如果塊號相距m整數倍的兩個(gè)塊存于同一cache行時(shí)，就要發(fā)生沖突。發(fā)生沖突時(shí)就要將原先存入的行換出去，但很可能過(guò)一段時(shí)間又要換入。頻繁的置換會(huì )使cache的效率下降。因此直接映射方式適合于需要大容量cache的場(chǎng)合，更多的行數可以減小沖突的機會(huì )。采用直接映射時(shí)，cache無(wú)需考慮替換問(wèn)題。從存放位置的靈活性和命中率來(lái)看，全相聯(lián)映射方式為優(yōu);從比較器電路簡(jiǎn)單及硬件投資來(lái)說(shuō)，直接映射方式為佳。組相聯(lián)映射方式將cache分成u組，每組v行，主存塊存放到哪個(gè)組是固定的，至于存到該組哪一行是靈活的。組相聯(lián)映射方式的比較器電路容易設計和實(shí)現，而塊在組中的排放又有一定的靈活性，使沖突減少。全相聯(lián)映射方式和組相聯(lián)映射方式速度較低，通常適合于小容量cache。
cache工作原理要求它盡量保存最新數據。當一個(gè)新的主存塊需要拷貝到cache，而允許存放此塊的行位置都被其他主存塊占滿(mǎn)時(shí)，就要產(chǎn)生替換。對直接映射方式來(lái)說(shuō)，因一個(gè)主存塊只有一個(gè)特定的行位置可存放，所以只要把此特定位置上的原主存塊換出cache即可。對全相聯(lián)和組相聯(lián)cache來(lái)說(shuō)，就要允許存放新主存塊的若干特定行中選取一行換出。cache的替換全部靠硬件實(shí)現。
如何選取就涉及替換策略，又稱(chēng)替換算法，硬件實(shí)現的常用算法主要有以下三種：
1)近期最少使用(LRU)算法：將近期內長(cháng)久未被訪(fǎng)問(wèn)的行換出;
2)最不經(jīng)常使用(LFU)算法:將一段時(shí)間內被訪(fǎng)問(wèn)次數最少的那行數據換出;
3)隨機替換：實(shí)際上是不要什么算法，從特定的行位置中隨機地選出一行換出即可。
在Cache替換算法中，近期最少使用法比較正確地利用了程序訪(fǎng)存局部性原理，替換出近期用得最少的存儲塊，命中率較高，是一種比較好的替換算法;隨機法是隨機地確定替換的存儲單元，先進(jìn)先出法是替換最早調入的存儲單元，它們都沒(méi)有根據程序訪(fǎng)存局部性原理，命中率較低;而后進(jìn)先出法不是cache所使用的替換算法，此法在堆棧存儲結構中使用。
【虛擬存儲器】
常用的虛擬存儲系統由主存-輔存兩級存儲器組成，其中輔存是大容量的磁表面存儲器。在虛擬存儲器中，主存的內容只是輔存的一部分內容。虛擬存儲系統是為了提高存儲系統的性能價(jià)格比而構造的分層存儲體系，力圖使存儲系統的性能接近高速存儲器，而價(jià)格和容量接近低速存儲器。虛擬存儲利用了程序運行時(shí)的局部性原理把最近常用的信息塊從相對慢速而大容量的存儲器調入相對高速而小容量的存儲器。虛擬存儲主要是解決存儲容量問(wèn)題，另外還包括存儲管理、主存分配和存儲保護等方面。虛存所依賴(lài)的輔存與CPU之間不存在直接的數據通路，當主存不命中時(shí)只能通過(guò)調頁(yè)解決，CPU最終還是要訪(fǎng)問(wèn)主存。虛存管理由軟件(操作系統)和硬件共同完成，由于軟件的介入，虛存對實(shí)現存儲管理的系統程序員不透明，而只對應用程序員透明(段式和段頁(yè)式管理對應用程序員“半透明”)。主存未命中時(shí)系統的性能損失要遠大于cache未命中時(shí)的損失。
【虛擬內存管理】
虛存機制也要解決一些關(guān)鍵問(wèn)題：
(1)調度問(wèn)題：決定哪些程序和數據應被調入主存;
(2)地址映射問(wèn)題：在訪(fǎng)問(wèn)主存時(shí)把虛地址變?yōu)橹鞔嫖锢淼刂�，在訪(fǎng)問(wèn)輔存時(shí)把虛地址變?yōu)檩o存的物理地址，以便換頁(yè);
(3)替換問(wèn)題：解決哪些程序和數據應被調出主存;虛擬存儲器的替換算法與cache的替換算法類(lèi)似，有FIFO算法、LRU算法、LFU算法，虛擬存儲器的替換有操作系統的支持.
(4)更新問(wèn)題：確保主存和輔存的一致性。虛擬存儲器分為頁(yè)式、段式、段頁(yè)式三種。
頁(yè)式虛擬存儲系統中，虛地址空間被分成等長(cháng)大小的頁(yè)，稱(chēng)為邏輯頁(yè);主存空間也被分成同樣大小的頁(yè)，稱(chēng)為物理頁(yè)。相應地，虛地址分為兩個(gè)字段：高字段為邏輯頁(yè)號，低字段為頁(yè)內地址(偏移量);實(shí)存地址也分為兩個(gè)字段：高字段為物理頁(yè)號，低字段為頁(yè)內地址。通過(guò)頁(yè)表可以把虛地址(邏輯地址)轉換成物理地址。在大多數系統中，每個(gè)進(jìn)程對應一個(gè)頁(yè)表�，F代的中央處理機通常有專(zhuān)門(mén)的硬件支持地址變換。每個(gè)進(jìn)程所需的頁(yè)數并不固定，所以頁(yè)表的長(cháng)度是可變的，因此通常的實(shí)現方法是把頁(yè)表的基地址保存在寄存器中，而頁(yè)表本身則放在主存中。由于虛地址空間可以很大，因而每個(gè)進(jìn)程的頁(yè)表有可能非常長(cháng)。由于頁(yè)表通常在主存中，因而即使邏輯頁(yè)已經(jīng)在主存中，也要至少訪(fǎng)問(wèn)兩次物理存儲器才能實(shí)現一次訪(fǎng)存，這將使虛擬存儲器的存取時(shí)間加倍。為了避免對主存訪(fǎng)問(wèn)次數的增多，可以對頁(yè)表本身實(shí)行二級緩存，把頁(yè)表中的最活躍部分存放在高速存儲器中。這個(gè)專(zhuān)用于頁(yè)表緩存的高速存儲部件通常稱(chēng)為轉換后援緩沖器(TLB)，又稱(chēng)快表。而保存在主存中的完整頁(yè)表則稱(chēng)為慢表�？毂淼淖饔檬羌涌斓刂忿D換。TLB的作用和與主存與CPU之間的cache作用相似，通常由相聯(lián)存儲器實(shí)現，容量比慢表小得多，存儲慢表中部分信息的副本，可以完成硬件高速檢索操作。地址轉換時(shí)，根據邏輯頁(yè)號同時(shí)查快表和慢表，當在快表中有此邏輯號時(shí)，就能很快地找到對應的物理頁(yè)號。根據程序的局部性原理，多數虛擬存儲器訪(fǎng)問(wèn)都將通過(guò)TLB進(jìn)行，從而有效降低訪(fǎng)存的時(shí)間延遲。由于TLB的緩沖過(guò)程與cache的緩沖過(guò)程是獨立的，所以在每次存儲器訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程中有可能要經(jīng)歷多次變換。
計算機硬件組成
一、電源
電源是電腦最重要的部件，相當于人體的心臟，向所有的零部件輸送血液，是電腦各部分的正常工作的基本保證。沒(méi)有了“電”，所有其它的硬件都無(wú)法發(fā)揮出一絲作用。許多故障往往就是由電源引起的，所以，給電腦配備一臺有足夠功率、精工細作、高品質(zhì)的電源是微機正常運行的前提。
二、CPU
CPU是電腦硬件系統的核心，是Central Processing Unit的縮寫(xiě)，譯為中央處理器。是采用具有運算器和控制器功能的大規模集成電路工藝制成的芯片的微處理器。微處理器在微機中起著(zhù)最重要的作用，是微機的“大腦”、“司令部”，神經(jīng)中樞，構成了整個(gè)系統的控制中心，對各部件進(jìn)行統一協(xié)調和控制。CPU安裝在主板上，但上面壓有很大的散熱器和專(zhuān)用風(fēng)扇，所以平時(shí)是看不到的。
三、主板
主板是電腦中最重要的部件之一，是整個(gè)電腦工作的基礎，也可以說(shuō)是微機的主體。也許可以作這樣的比喻：主板是猶如人的缺損的軀體，必須把“心臟”電源接上，它才能血液流通，把“腦”CPU裝進(jìn)顱殼，它才能思維和指揮，主機箱所有的重要硬件如同人的各部分器官，都要直接插上主板或同主板連接，才能發(fā)揮作用。直接插在主板上的硬件有：CPU、內存條、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等等。直接同主板連接的硬件有：機箱電源、硬盤(pán)、光驅、軟驅和外設件鍵盤(pán)、鼠標等等。顯示器是通過(guò)顯卡與主板相連的。由于提高微機的集成化，設計人員可以把顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等融入主板，如果采用集成顯卡，顯示器直接同主板連接。
四、內存
內存是主板上的存儲部件。在電腦里，CPU直接與內存溝通，用來(lái)存儲數據，存放當前正在使用的(即執行中)的數據和程序。它的物理實(shí)質(zhì)就是一組或多組具備數據輸入輸出和數據存儲功能的集成電路。內存只用于暫時(shí)存放程序和數據，一旦關(guān)閉電源或發(fā)生斷電，其中的程序和數據就會(huì )丟失。應當指出，外存通常是指磁性介質(zhì)或光盤(pán)，像硬盤(pán)，軟盤(pán)，磁帶，CD等硬件，它們能長(cháng)期保存信息，并且不依賴(lài)于電來(lái)保存信息。
五、硬盤(pán)
硬盤(pán)是電腦最重要的外存儲器，與其他記錄介質(zhì)相比，它的速度快、容量大，成為計算機中最重要的存儲設備。分機械硬盤(pán)和固態(tài)硬盤(pán)(SSD)。
六、顯卡
顯卡全稱(chēng)是顯示器適配卡，現在的顯卡都是3D圖形加速卡，它是連接主機與顯示器的接口卡。
顯卡的作用是將主機的輸出信息轉換成字符、圖形和顏色等信息，傳送到顯示器上顯示。
七、聲卡
聲卡是多媒體電腦的主要部件之一，它包含記錄和播放聲音所需的硬件。
八、網(wǎng)卡
網(wǎng)絡(luò )接口卡，又稱(chēng)網(wǎng)絡(luò )適配器，簡(jiǎn)稱(chēng)網(wǎng)卡。網(wǎng)卡用于實(shí)現聯(lián)網(wǎng)計算機和網(wǎng)絡(luò )電纜之間的物理連接，為計算機之間相互通信提供一條物理通道，并通過(guò)這條通道進(jìn)行高速數據傳輸。分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種。
九、軟驅和軟盤(pán)
軟盤(pán)驅動(dòng)器是電腦早期一個(gè)不可缺少的部件，在必要的時(shí)候，它可以為我們啟動(dòng)計算機，還能用它來(lái)傳遞和備份一些比較小的文件。由于軟盤(pán)容量小，容易出錯，可靠性差，所以現在基本已經(jīng)淘汰。
十、光驅和光盤(pán)
光盤(pán)驅動(dòng)器，是一個(gè)結合光學(xué)、機械及電子技術(shù)的產(chǎn)品。不同類(lèi)型的光驅有不同的作用，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，所有的光驅都有讀取外部數據(光盤(pán))的功能，只不過(guò)讀取的格式和附加的功能不一樣而已。目前，光驅可分為CD-ROM驅動(dòng)器、DVD光驅(DVD-ROM)、康寶(COMBO)和刻錄機等。
十一、機箱
機箱作為電腦配件中的一部分，它起的主要作用是放置和固定各電腦配件，起到一個(gè)承托和保護作用。此外，電腦機箱具有屏蔽電磁輻射的重要作用。
十二、鍵盤(pán)
鍵盤(pán)是最常用也是最主要的輸入設備，通過(guò)鍵盤(pán)，可以將英文字母、數字、標點(diǎn)符號等輸入到計算機中，從而向計算機發(fā)出命令、輸入數據等。
十三、鼠標
鼠標的標準稱(chēng)呼應該是“鼠標器”，英文名“Mouse”，鼠標的使用是為了使計算機的操作更加簡(jiǎn)便，來(lái)代替鍵盤(pán)繁瑣的指令。鼠標按其工作原理的不同可以分為機械鼠標和光電鼠標。
十四、顯示器
顯示器(display)通常也被稱(chēng)為監視器。顯示器是屬于電腦的I/O設備，即輸入輸出設備。它是一種將一定的電子文件通過(guò)特定的傳輸設備顯示到屏幕上再反射到人眼的顯示工具。
將上面所有的硬件設備通過(guò)各種連接線(xiàn)連接到一起，一臺電腦就呈現在你面前了。當然了有些設備并不是電腦組成的必須品，例如光驅、軟驅等可以不安裝;還有一些設備可以選主板集成的，例如：顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等。另外還有一些設備幾乎都用的到，例如音響、麥克風(fēng)、攝像頭等，可以根據自己實(shí)際需要有所增減。
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