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Shine wOng
2019-11-22 08:43:22 +08:00
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计算机组成原理第一章知识脉络
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本章讨论的主要内容是数据通路(data path)的设计,关键在于如实现一个ALU。
本章讨论的主要内容是数据通路(data path)的设计,关键在于如实现一个ALU。
为了实现一个计算机(computing machine),首要的当然是要能够实现基本的计算功能。而为了实现计算功能,首先需要将数据在计算机中表示,这包括字符型数据,定点数(整数)以及浮点数,这里主要讨论定点数的表示。将定点数在计算机中表示,最简单直白的方法就是直接将它的二进制形式存储在计算机中,新增一位符号位来表示它的正负,这就是原码表示法。然而原码表示法具有一些致命性的缺陷,比如原码的计算不服从加法性质;为了构造一种复合加法性质的表示法,就产生了反码。反码的确是可以进行加法和减法运算的,但是在反码表示法下,`0`将具有两种反码表示,可以将反码简单加`1`来规避这种情况,这就是补码表示法。现代计算机中数据的存储几乎都是采用补码。

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栈式页面置换算法不会出现belady现象的证明
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## LRU算法
对于`最近最久未使用算法(LRU, Least Recently Used)`,是不会出现`belady`异常(belady anomaly)的,证明如下:
设分配给当前进程的页面数量为`n`,令$S_n$为当前时刻`t`,某个进程驻留在内存中的所有页面的集合。要证明`LRU`不会出现`belady`异常,即证对于任意的`k > 0`,给进程分配的页面数量为`n + k`时,对于同一个页面访问序列,$S_n$总是$S_{n+k}$的一个子集。不妨简单地令`k = 1``k > 1`的情况同理。以下归纳地证明该结论。
- . `t = 1`时,$S_n$和$S_{n+1}$都只包含同一个页面,结论成立。
- . 假设$t < t_{k - 1}$时,该结论成立。
- . 当$t = t_k$时,设此时访问的页面为$c_k$。以下分为三种情况讨论:
+ $c_k \in S_n$,则显然$c_k \in S_{n+1}$,访问$c_k$不会引发缺页异常,因此访问$c_k$后假设显然成立。
+ $c_k \in S_{n+1}$但是$c_k \notin S_n$,此时对于序列$S_n$会引发一次缺页异常,导致其中一个页面被换出以及$c_k$被换入,此时仍然保持$S_n \subset S_{n+1}$,假设成立。
+ $c_k \notin S_n$并且$c_k \notin S_{n+1}$,此时两个集合都会产生缺页异常。假设此时$S_n$中被换出的页面为$x_1$,若$S_{n+1}$被换出的页面也是$x_1$,则假设仍然成立;否则,设$S_{n+1}$中被换出的页面为$x_2, x_2 \neq x_1$,由于是采用`LRU`算法,则$x_2$必然是比$x_1$`更久未被使用`的页面,倘若$x_2 \in S_n$,则$S_n$中被换出的页面也应该是$x_2$,而不是使用相对频繁的$x_1$,这与假设矛盾,故$x_2 \notin S_n$,缺页异常处理完毕后原假设仍然成立。
证毕。
实际上,对于`最优置换算法`(OPT),以及`恢复计数``最不常用算法`(LFU, Least Frequently Used),都可以类似地证明不会出现`belady`异常。然而,其他的页面置换算法,包括`FIFO``时钟置换算法`(clock)以及`改进的时钟置换算法``不恢复计数``最不常用算法`,则都可以构造出出现`belady`异常的实例。

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EAT = 访存时间 * (1-p) + 缺页异常处理时间 * 缺页率p
```
这里的缺页异常处理时间,其实主要就是考虑访的开销。考虑到如果在内存中的页面被修改过则还需要将该页面写回到外存中就比一般的缺页异常处理多了一次访存设页修改的概率为q
这里的缺页异常处理时间,其实主要就是考虑访问外部存储器的开销。考虑到如果在内存中的页面被修改过则还需要将该页面写回到外存中就比一般的缺页异常处理多了一次访存设页修改的概率为q
```
EAT = 访存时间(1p) + 磁盘访问时间p(1+q)

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发生`belady`现象的原因,是页面置换算法的置换特征与进程访问内存的动态特征矛盾了,例如前面提到的每次刚被换出的页面,恰好是下一次访存会访问的页面。即被置换出去的页面,并不一定是进程近期不会再访问的。
以后可能会写一个证明,对于栈式的页面置换算法,例如最优页面置换算法,是不会出现`belady`现象的。像是`FIFO`这样的队列式的算法,就比较够呛。
对于栈式的页面置换算法,例如最优页面置换算法,是不会出现`belady`现象的,证明放在了[这里](belady.md)。像是`FIFO`这样的队列式的算法,就比较够呛。
### 最近最久未使用算法(LRU)