计算机结构与逻辑设计(10存储器)

计算机结构与逻辑设计10存储器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与CPU的交互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，通常用字节数表示。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。指存储器在正常工作条件下，能正确、完整地存储和读出信息的能力。指存储器的性能与成本之比，是评价存储器经济性的重要指标。存储容量存取时间可靠性性能价格比主存储器辅助存储器缓冲存储器控制存储器存储器的层次结构直接与CPU相连，存放当前正在运行的程序和数据，速度快但容量有限。位于主存储器和CPU之间，用于缓解主存储器与CPU之间速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。作为主存储器的后援设备，用于存放暂时不用的程序和数据，容量大但速度较慢。用于存放微程序或控制字等信息，控制计算机的操作。02主存储器主存储器由多个存储体组成，每个存储体包含大量的存储单元，用于存储数据和指令。存储体地址译码器负责将CPU发出的地址信号翻译成对应存储体的选择信号和存储单元的选择信号。地址译码器数据寄存器用于暂存从存储体中读出的数据或写入存储体的数据，以便与CPU进行数据交换。数据寄存器控制逻辑负责接收CPU发出的控制信号，并根据控制信号的要求控制主存储器的读写操作。控制逻辑主存储器的基本结构读操作当CPU需要从主存储器中读取数据时，它首先发出地址信号和控制信号。地址信号经过地址译码器译码后，选择对应的存储体和存储单元。然后，控制逻辑根据控制信号的要求，从选定的存储单元中读出数据，并将数据送到数据寄存器中暂存。最后，数据寄存器中的数据被送到CPU中。要点一要点二写操作当CPU需要将数据写入主存储器时，它同样发出地址信号和控制信号。地址信号经过地址译码器译码后，选择对应的存储体和存储单元。然后，控制逻辑根据控制信号的要求，将数据从CPU写入到选定的存储单元中。主存储器的读写操作高速缓存（Cache）高速缓存是一种位于CPU和主存储器之间的快速存储器，用于存放CPU最近访问过的数据和指令。通过高速缓存技术，可以缩短CPU访问主存储器的等待时间，提高系统的运行速度。虚拟存储器虚拟存储器是一种将主存储器和外存储器结合起来使用的技术，使得应用程序可以像访问主存储器一样访问外存储器中的数据。通过虚拟存储器技术，可以扩大主存储器的容量，提高系统的运行效率。多级存储体系多级存储体系是指将不同速度和容量的存储器按照层次结构组织起来，使得CPU可以高效地访问不同层次的存储器。通过多级存储体系技术，可以平衡存储器的速度和容量之间的矛盾，提高系统的整体性能。主存储器的优化技术03辅助存储器03光盘一种光存储设备，使用激光技术来读写数据，存储容量大、价格适中，但读写速度相对较慢。01磁带一种顺序存取设备，存储容量大、价格低廉，但存取速度较慢。02磁盘一种直接存取设备，存取速度较快、存储容量大，可分为硬盘和软盘两种。辅助存储器的类型与特点通过磁带机将数据以顺序的方式写入磁带，读取时也需要按照顺序进行读取。磁带的读写操作磁盘的读写操作光盘的读写操作通过磁盘驱动器将数据以扇区为单位写入磁盘，读取时可以直接定位到任意扇区进行读取。通过光盘驱动器将数据以光道为单位写入光盘，读取时需要使用激光技术来读取数据。030201辅助存储器的读写操作通过采用更先进的制造技术、使用更高密度的存储介质等方式来提高存储容量。提高存储容量通过采用更高速的接口技术、优化读写算法等方式来提高读写速度。提高读写速度通过采用更稳定的材料、加强错误检测和纠正能力等方式来提高可靠性。提高可靠性通过采用更低功耗的芯片设计、优化制造工艺等方式来降低功耗和成本。降低功耗和成本辅助存储器的性能提升04Cache存储器原理Cache存储器位于CPU与主存之间，利用局部性原理，存放CPU近期可能用到的少量数据和指令，减少CPU对主存的直接访问，从而提高程序的执行速度。结构Cache通常由高速的SRAM组成，其容量远小于主存，但速度接近CPU。Cache被划分为多个块（或称为行），每个块包含数据部分和标记部分。标记部分用于存储该块数据的地址信息，以便CPU能够准确找到所需数据。Cache存储器的原理与结构写回法（Write-Back）当CPU对Cache中的某个块进行写操作时，只修改Cache中的内容，而不立即写入主存。只有当该块被替换出Cache时，才将其写回主存。这种方法减少了不必要的写主存操作，提高了效率。写直达法（Write-Through）当CPU对Cache中的某个块进行写操作时，不仅修改Cache中的内容，同时也将该数据写入主存。这种方法保证了主存中数据的实时更新，但增加了写主存的次数。写一次法（Write-Once）结合写回法和写直达法的特点，第一次写操作时使用写直达法，后续写操作使用写回法。这种方法试图在减少写主存次数和保证数据一致性之间找到平衡。Cache存储器的读写策略Cache存储器的性能优化替换算法优化：采用更合理的替换算法，如最近最少使用（LRU）算法、最不经常使用（LFU）算法等，以提高Cache的命中率。多级Cache设计：通过设置多级Cache，使得不同级别的Cache分别处理不同粒度和访问频率的数据和指令，进一步提高Cache的效率。预取技术：通过分析程序的访问模式，预测CPU未来可能访问的数据和指令，并提前将其加载到Cache中，从而提高Cache的命中率。容量和速度权衡：在设计和实现Cache时，需要权衡其容量和速度的关系。过大的Cache容量可能导致访问延迟增加，而过小的容量则可能降低命中率。因此，需要根据具体应用场景和需求选择合适的Cache容量和速度。05虚拟存储器实现方式虚拟存储器通过内存管理单元（MMU）和页表或段表等数据结构实现地址映射，将虚拟地址转换为物理地址。关键技术包括分页、分段、段页式管理等，以及请求调页、页面置换等策略。虚拟存储器的定义虚拟存储器是一种抽象层，使得应用程序认为它们拥有连续可用的内存空间，而实际上物理内存可能是分散且不连续的。虚拟存储器的概念与实现内存分配策略01根据进程大小、优先级等因素为进程分配内存空间，如固定分区、动态分区、伙伴系统等。页面置换算法02当内存空间不足时，需要选择某些页面进行置换，常见的置换算法有先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）、最佳（OPT）等。请求调页策略03根据页面访问情况，预测未来可能访问的页面，提前将其调入内存，以减少页面置换的开销。虚拟存储器的管理策略命中率表示访问页面时，所需页面已在内存中的比例；缺页率则表示需要访问的页面不在内存中，需要进行页面置换的比例。命中率与缺页率页面置换涉及到磁盘I/O操作，因此会带来一定的时间开销。减少页面置换次数和提高磁盘I/O效率是提高虚拟存储器性能的关键。页面置换开销工作集是指进程在一段时间内访问的页面集合。通过合理调整工作集大小，可以平衡内存使用率和缺页率，提高系统性能。工作集模型虚拟存储器的性能分析06存储器与CPU的交互总线连接通过数据总线、地址总线和控制总线连接CPU和存储器，实现数据传输和指令执行。直接连接将存储器的数据端口直接与CPU的数据端口相连，通过读写信号控制数据传输。间接连接通过I/O接口芯片连接CPU和存储器，实现数据的输入/输出操作。存储器与CPU的连接方式123数据在多个并行通道上同时传输，提高数据传输速率。并行传输数据在单个通道上按位顺序传输，适用于远距离通信。串行传输直接内存访问（DMA）控制器接管总线控制权，实现存储器与CPU之间的直接数据传输，降低CPU负担。DMA传输存储器与CPU的数据传输方式指令预取