计算机组成原理(唐朔飞)存储器2

计算机组成原理(唐朔飞)存储器2目录存储器概述主存储器辅助存储器Cache存储器虚拟存储器存储器的应用与发展01存储器概述定义存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。分类按存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器等；按存取方式可分为随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、顺序存取存储器（SAM）和直接存取存储器（DAM）等。存储器的定义与分类也称为内存，用于存放正在运行的程序和数据，直接与CPU交换信息。主存储器辅助存储器缓冲存储器也称为外存，用于长期保存信息，容量大、价格低、速度慢，需通过I/O接口与主存交换信息。位于主存和CPU之间，用于缓解主存和CPU速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。030201存储器的层次结构存储容量存取时间存储周期存储器带宽存储器的性能指标指存储器可以容纳的二进制信息量，通常用字节（Byte）或位（bit）来表示。指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间。指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间，通常略大于存取时间。指单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，或写入存储器的二进制数信息量，常用字节每秒（B/s）或位每秒（b/s）表示。02主存储器主存的核心部分，由存储单元组成，每个存储单元可存放一个字节或多个字节的二进制代码。存储体地址寄存器（MAR）数据寄存器（MDR）地址译码器存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码。将地址寄存器中的地址转换为对应的选择线信号。主存储器的基本组成将主存空间看作一维的线性空间，地址从0开始顺序编号。线性编址将主存空间划分为若干个段，每个段内独立编址，段间通过段基址和段内偏移进行访问。段式编址将主存空间划分为大小相等的页，每个页内独立编址，页间通过页号和页内偏移进行访问。页式编址主存储器的编址方式读操作01CPU通过地址总线将地址信息发送到主存，主存根据地址信息将对应存储单元中的数据通过数据总线发送到CPU。写操作02CPU通过地址总线将地址信息发送到主存，同时通过数据总线将要写入的数据发送到主存，主存根据地址信息将对应存储单元中的数据更新为写入的数据。读写时序03CPU对主存的读写操作需要遵循一定的时序，包括片选信号、读写信号、地址信号和数据信号的配合。主存储器的读写操作03辅助存储器磁盘存储器磁盘存储器的类型和特点：磁盘存储器根据盘片材料的不同可分为硬盘和软盘两种。硬盘采用金属或玻璃盘片，具有高存储容量、高数据传输率和较高的可靠性；而软盘则采用塑料盘片，存储容量较小，数据传输率较低，但价格便宜，易于携带。磁盘存储器的读写原理：磁盘存储器通过磁头在盘片表面的磁性材料上进行读写操作。写操作时，磁头将代表信息的磁场变化记录在盘片表面的磁性材料上；读操作时，磁头感应盘片表面磁性材料中的磁场变化，将其转换为电信号并输出。磁盘存储器的性能指标：磁盘存储器的性能指标主要包括存储容量、数据传输率、寻道时间、旋转延迟时间和误码率等。其中，存储容量指磁盘能够存储的总数据量；数据传输率指单位时间内从磁盘读出或写入的数据量；寻道时间指磁头从当前位置移动到指定磁道所需的时间；旋转延迟时间指盘片旋转到磁头下方所需的时间；误码率指读写过程中发生错误的概率。光盘存储器根据读写方式的不同可分为只读光盘（CD-ROM）、一次写入多次读出光盘（WORM）和可擦写光盘（CD-RW）等。只读光盘由厂家预先写入数据，用户只能读取不能写入；一次写入多次读出光盘允许用户写入一次数据，之后可以多次读出，但不能修改或删除；可擦写光盘则允许用户多次写入和擦除数据。光盘存储器通过激光束在盘片表面的光敏材料上进行读写操作。写操作时，激光束聚焦在盘片表面的光敏材料上，使其产生化学反应并记录数据；读操作时，激光束照射在盘片表面并反射回来，通过检测反射光的强弱变化来读取数据。光盘存储器的性能指标主要包括存储容量、数据传输率、访问时间和误码率等。其中，存储容量指光盘能够存储的总数据量；数据传输率指单位时间内从光盘读出或写入的数据量；访问时间指从发出读写命令到完成读写操作所需的时间；误码率指读写过程中发生错误的概率。光盘存储器的类型和特点光盘存储器的读写原理光盘存储器的性能指标光盘存储器固态盘（SSD）是一种基于闪存（FlashMemory）技术的非易失性存储器。与传统的机械硬盘相比，固态盘具有无机械运动部件、读写速度快、功耗低、抗震能力强等优点。同时，随着技术的不断发展，固态盘的存储容量和价格也在逐渐降低。固态盘通过控制芯片对闪存芯片进行读写操作。写操作时，控制芯片将待写入的数据转换为适合闪存芯片存储的格式，并将其写入到指定的地址中；读操作时，控制芯片从指定的地址中读取数据，并将其转换为适合主机系统使用的格式输出。固态盘的性能指标主要包括存储容量、数据传输率、IOPS（每秒输入输出操作次数）、访问时间和功耗等。其中，存储容量指固态盘能够存储的总数据量；数据传输率指单位时间内从固态盘读出或写入的数据量；IOPS反映了固态盘处理随机读写请求的能力；访问时间指从发出读写命令到完成读写操作所需的时间；功耗则反映了固态盘的能耗情况。固态盘存储器的类型和特点固态盘存储器的读写原理固态盘存储器的性能指标固态盘存储器04Cache存储器局部性原理程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，CPU往往集中地访问某些数据或指令，这些被频繁访问的数据或指令被存放在Cache中，以提高访问速度。Cache与主存的映射关系Cache中的块与主存中的块存在映射关系，通过一定的映射方式，如直接映射、全相联映射或组相联映射，将主存块调入Cache中。Cache的命中与未命中当CPU需要访问的数据或指令在Cache中时，称为Cache命中，此时可直接从Cache中读取数据，提高了访问速度；若未在Cache中，则称为Cache未命中，此时需要从主存中读取数据并调入Cache。Cache的基本工作原理Cache的读写操作读操作当CPU发出读请求时，首先判断所需数据是否在Cache中。若在Cache中（命中），则直接从Cache中读取数据；若不在Cache中（未命中），则需要从主存中读取数据，并将其所在的块调入Cache。写操作当CPU发出写请求时，若写命中Cache，则可采用写直达法或写回法更新Cache中的数据；若写未命中Cache，则需要将主存中的相应块调入Cache，并更新该块中的数据。Cache的替换算法先进先出（FIFO）算法按照数据块进入Cache的先后顺序进行替换，即最先进入Cache的数据块最先被替换出去。最近最少使用（LRU）算法根据数据块被访问的时间顺序进行替换，最近一段时间内被访问次数最少的数据块将被替换出去。最不经常使用（LFU）算法根据数据块被访问的频率进行替换，访问频率最低的数据块将被替换出去。随机替换算法随机选择一个数据块进行替换，这种方法简单但效率较低。05虚拟存储器虚拟存储器的定义虚拟存储器是一种基于程序局部性原理，通过软硬件技术相结合，为用户提供比实际物理内存更大容量的存储器系统。虚拟存储器的实现方式虚拟存储器通过内存管理单元（MMU）和操作系统的内存管理模块共同实现。其中，MMU负责地址转换和页面保护，而操作系统则提供页面置换算法、内存分配和回收等机制。虚拟存储器的优点虚拟存储器可以扩大程序的寻址空间，提高内存的利用率，同时实现程序的模块化设计和动态链接等功能。010203虚拟存储器的概念与实现请求分页存储管理的基本概念请求分页存储管理是在分页存储管理的基础上，增加了请求调页和页面置换功能。当程序要访问的页面不在内存中时，会产生缺页中断，操作系统会将所需的页面从外存调入内存。请求分页存储管理的硬件支持请求分页存储管理需要MMU的支持，以实现地址转换和页面保护。同时，还需要页表寄存器、缺页中断机构等硬件支持。请求分页存储管理的页面置换算法当内存空间不足时，需要采用页面置换算法将某些页面调出内存。常见的页面置换算法有先进先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）、最不经常使用（LFU）等。请求分页存储管理方式010203请求分段存储管理的基本概念请求分段存储管理是在分段存储管理的基础上，增加了请求调段和段置换功能。程序被划分为多个逻辑段，每个段可以独立地调入和调出内存。请求分段存储管理的硬件支持请求分段存储管理同样需要MMU的支持，以实现地址转换和段保护。此外，还需要段表寄存器、缺段中断机构等硬件支持。请求分段存储管理的段置换算法当内存空间不足时，需要采用段置换算法将某些段调出内存。常见的段置换算法有先进先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）等。与页面置换算法类似，段置换算法也需要考虑程序的局部性原理和内存利用率等因素。请求分段存储管理方式06存储器的应用与发展存储器用于保存计算机系统中的数据和指令，以便处理器随时访问和执行。保存数据和指令存储器保存了程序计数器（PC）的值，用于控制程序的执行流程。实现程序控制存储器还可用作缓冲区和暂存区，用于暂存输入输出数据、中间计算结果等。提供缓冲和暂存存储器在计算机系统中的作用高性能存储器如静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）等，具有高速度、低功耗等优点，被广泛应用于计算机主存、高速缓存等场合。非易失性存储器如闪存（FlashMemory）和铁电存储器（FeRAM）等，具有掉电后数据不丢失的特点，广泛应用于移动设备、数码相机等领域。光存储技术利用激光在介质上刻录和读取信息，具有存储密度高、保存时间长等优点，常用于大容量数据存储和备份。新型存储器的应用与发展趋势