《存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng)》課件

存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一,它用于暫時(shí)或永久地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。了解存儲(chǔ)器的工作原理和性能特征,對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)至關(guān)重要。存儲(chǔ)器概述內(nèi)存結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器由電路元件組成,用于存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的存儲(chǔ)器包括ROM、RAM、硬盤(pán)等。存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)器的容量決定了系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量,大容量存儲(chǔ)器可以滿足對(duì)大數(shù)據(jù)的需求。存取速度存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)速度決定了系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的效率,高速存儲(chǔ)器有利于提升系統(tǒng)性能。存儲(chǔ)器的分類按工作原理分類存儲(chǔ)器可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和磁性存儲(chǔ)器，前者利用半導(dǎo)體器件存儲(chǔ)信息，后者利用磁性材料存儲(chǔ)信息。按存儲(chǔ)方式分類存儲(chǔ)器可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)，前者數(shù)據(jù)可讀寫(xiě)，后者數(shù)據(jù)只可讀取不可寫(xiě)入。按存儲(chǔ)內(nèi)容分類存儲(chǔ)器可分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，前者存儲(chǔ)程序指令，后者存儲(chǔ)運(yùn)算數(shù)據(jù)。按存儲(chǔ)容量分類存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，前者容量較小但訪問(wèn)速度快，后者容量較大但訪問(wèn)速度慢。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器1特點(diǎn)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器具有體積小、功耗低、訪問(wèn)速度快等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和各類電子設(shè)備。2分類根據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容的可讀寫(xiě)性分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)兩大類。3工作原理通過(guò)半導(dǎo)體器件如晶體管和電容實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作,是目前最主流的存儲(chǔ)技術(shù)。4應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電子設(shè)備等,是現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。ROM的分類只讀存儲(chǔ)器(ROM)ROM是一種出廠時(shí)就被預(yù)先編程好的存儲(chǔ)器,內(nèi)容不可更改。它提供了穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？删幊蘎OM(PROM)PROM是一種可由用戶編程的只讀存儲(chǔ)器,用戶可以使用特殊的編程設(shè)備進(jìn)行一次性編程。可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)EPROM可通過(guò)紫外光擦除原有內(nèi)容,然后重新編程。它提供了更大的靈活性和可修改性。電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)EEPROM可通過(guò)電子方式擦除和重新編程,無(wú)需使用紫外線。它比EPROM更便捷和靈活。PROM和EPROM1PROM-可編程只讀存儲(chǔ)器PROM是由半導(dǎo)體制造商事先制造好的只讀存儲(chǔ)器。用戶可以通過(guò)特殊的編程設(shè)備對(duì)PROM進(jìn)行一次性編程,之后就無(wú)法再次修改內(nèi)部數(shù)據(jù)。2EPROM-可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM具有可擦除功能,使用紫外光照射可以擦除內(nèi)部數(shù)據(jù),之后再次進(jìn)行編程。但需要專用的設(shè)備進(jìn)行擦寫(xiě)操作。3EPROM的應(yīng)用EPROM廣泛應(yīng)用于需要靈活修改內(nèi)部程序的領(lǐng)域,如計(jì)算機(jī)、工控設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)等?？梢苑磸?fù)進(jìn)行編程和修改。EEPROM和Flash1擦除變化靈活EEPROM和Flash可以多次擦除和重寫(xiě)數(shù)據(jù)2不需外部電源內(nèi)部電路可自行完成擦寫(xiě)操作3集成度較高能集成更多的存儲(chǔ)單元提高存儲(chǔ)密度EEPROM和Flash是兩種非易失性存儲(chǔ)器,它們可以在掉電時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。與普通ROM不同,EEPROM和Flash可以多次進(jìn)行擦除和重寫(xiě)操作,并且無(wú)需外部電源即可完成自動(dòng)擦寫(xiě)。這些特性使得它們廣泛應(yīng)用于需要頻繁更新的電子設(shè)備中。SRAM的工作原理1數(shù)據(jù)儲(chǔ)存基于觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)2讀取數(shù)據(jù)通過(guò)位選信號(hào)和字選信號(hào)訪問(wèn)3數(shù)據(jù)保持不需要刷新,只要保持供電SRAM(StaticRandomAccessMemory)是一種靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,其工作原理是基于觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)而成。SRAM可以通過(guò)位選信號(hào)和字選信號(hào)快速訪問(wèn)數(shù)據(jù),不需要定期刷新就可以保持?jǐn)?shù)據(jù),只要保持供電就不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。這種工作原理使SRAM具備訪問(wèn)速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于CPU高速緩存等場(chǎng)合。DRAM的工作原理存儲(chǔ)單元DRAM由由單個(gè)電容和晶體管組成的存儲(chǔ)單元構(gòu)成,能夠存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)"0"或"1"。刷新操作由于電容會(huì)不斷放電,DRAM需要周期性地進(jìn)行刷新操作以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。尋址和讀寫(xiě)通過(guò)行地址和列地址選擇特定的存儲(chǔ)單元,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入。電路結(jié)構(gòu)DRAM采用矩陣式的電路結(jié)構(gòu),行地址和列地址供給DRAM控制邏輯電路進(jìn)行尋址。高速緩存存儲(chǔ)器快速讀寫(xiě)高速緩存可提供比主存更快的讀寫(xiě)速度,大幅提升系統(tǒng)性能。容量有限高速緩存容量較小,一般只有幾KB到幾MB,無(wú)法完全取代主存。數(shù)據(jù)調(diào)度高速緩存通過(guò)預(yù)讀和替換策略,有效管理數(shù)據(jù)的流向和存儲(chǔ)。緩存的工作原理1數(shù)據(jù)加載當(dāng)CPU需要從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時(shí),首先檢查緩存中是否有相應(yīng)的數(shù)據(jù)拷貝。如果找到,則直接從緩存中讀取,避免了訪問(wèn)主存的延遲。2數(shù)據(jù)更新當(dāng)CPU需要修改數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)先在緩存中更新數(shù)據(jù)。在合適的時(shí)機(jī),再把修改同步到主存中,提高了系統(tǒng)性能。3緩存管理緩存管理策略決定了數(shù)據(jù)如何在緩存和主存之間移動(dòng),包括替換算法、寫(xiě)策略等,確保緩存中始終保留最重要的數(shù)據(jù)。緩存的命中與未命中命中當(dāng)CPU需要訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí),如果該數(shù)據(jù)已經(jīng)存在于緩存中,就稱為緩存命中。命中可以快速返回?cái)?shù)據(jù),提高系統(tǒng)性能。未命中當(dāng)CPU需要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)不在緩存中時(shí),就會(huì)發(fā)生緩存未命中。此時(shí)需要從主存或者更高級(jí)別的緩存中讀取數(shù)據(jù),延遲會(huì)增加。性能影響緩存命中率的高低直接決定了系統(tǒng)的整體性能。提高命中率是緩存設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一。緩存的設(shè)計(jì)策略緩存置換策略通過(guò)分析程序的訪問(wèn)模式來(lái)選用合適的緩存置換算法，如LRU、FIFO、LFU等，以提高緩存命中率。緩存關(guān)聯(lián)性直接映射、組相聯(lián)或全關(guān)聯(lián)等不同的緩存關(guān)聯(lián)性會(huì)影響緩存性能，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。緩存寫(xiě)策略采用寫(xiě)直達(dá)或?qū)懟夭呗詠?lái)平衡緩存寫(xiě)操作的性能和復(fù)雜度，滿足不同應(yīng)用需求。緩存塊大小合理選擇緩存塊大小可以提高空間利用率和命中率，需要權(quán)衡緩存容量與訪問(wèn)延遲。磁性存儲(chǔ)器磁鐵存儲(chǔ)原理磁性存儲(chǔ)器利用磁鐵的磁性特性來(lái)記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲(chǔ)單元都是一個(gè)微小的磁鐵，它的磁化方向代表不同的二進(jìn)制狀態(tài)。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器是最常見(jiàn)的磁性存儲(chǔ)設(shè)備，利用一個(gè)或多個(gè)圓盤(pán)表面記錄數(shù)據(jù)。磁頭在快速旋轉(zhuǎn)的磁盤(pán)表面上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。磁帶存儲(chǔ)器磁帶存儲(chǔ)器利用磁性磁帶進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)被順序地記錄在磁帶上，可以快速檢索和存取數(shù)據(jù)。適用于大容量備份和歸檔。磁性存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)磁性存儲(chǔ)容量大、速度快、壽命長(zhǎng)、抗干擾性強(qiáng)。廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器和音頻視頻存儲(chǔ)。磁盤(pán)存儲(chǔ)器磁盤(pán)介質(zhì)磁盤(pán)存儲(chǔ)器使用金屬或塑料基板涂有磁性材料的磁盤(pán)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器用于讀取和寫(xiě)入磁盤(pán)上的數(shù)據(jù),并提供對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的隨機(jī)訪問(wèn)。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)磁頭在磁盤(pán)表面滑動(dòng),利用電磁感應(yīng)的原理完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入。存儲(chǔ)容量隨著技術(shù)的發(fā)展,單片磁盤(pán)的存儲(chǔ)容量不斷提高,從幾兆字節(jié)到幾千兆字節(jié)。光學(xué)存儲(chǔ)器光盤(pán)存儲(chǔ)器光盤(pán)存儲(chǔ)器利用激光來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù),具有容量大、訪問(wèn)速度快、耐用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦、音樂(lè)播放器等設(shè)備。光驅(qū)構(gòu)造光驅(qū)由激光頭、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伺服系統(tǒng)等部件組成,能夠準(zhǔn)確地定位并讀寫(xiě)光盤(pán)上的數(shù)據(jù)。光盤(pán)種類常見(jiàn)的光盤(pán)類型包括CD、DVD以及藍(lán)光光盤(pán),它們?cè)诖鎯?chǔ)容量、讀寫(xiě)速度等方面各有特點(diǎn)。光盤(pán)存儲(chǔ)器工作原理1激光聚焦激光束被聚焦到極細(xì)的光斑上2數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)編碼成微小的凹坑或焦斑3讀取機(jī)制反射光被檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)4信號(hào)處理信號(hào)被放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)光盤(pán)存儲(chǔ)器工作原理基于激光束的聚焦和反射。激光束被聚焦到極細(xì)的光斑上,照射在光盤(pán)表面。當(dāng)光斑照射到光盤(pán)上的微小凹坑或焦斑時(shí),反射光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。這種變化被檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電子信號(hào),最終被處理為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。光驅(qū)的分類1CD-ROM驅(qū)動(dòng)器最早的光驅(qū)類型,可讀取CD-ROM光碟,包括音樂(lè)CD和數(shù)據(jù)CD。讀取速度較慢。2DVD驅(qū)動(dòng)器可讀取DVD光碟,采用更高密度的光學(xué)系統(tǒng),讀取速度更快,支持高清影像和大容量數(shù)據(jù)。3藍(lán)光驅(qū)動(dòng)器使用藍(lán)紫色激光,比DVD驅(qū)動(dòng)器具有更高的存儲(chǔ)密度和讀取速度,適用于高清影像存儲(chǔ)。4外置光驅(qū)可以方便地連接到筆記本電腦或其他設(shè)備,提高便攜性和靈活性。存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作過(guò)程1輸入輸出系統(tǒng)從外部設(shè)備接收數(shù)據(jù)輸入2存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)調(diào)度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)3數(shù)據(jù)處理CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和運(yùn)算處理4輸出呈現(xiàn)處理結(jié)果輸出至外部設(shè)備存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作過(guò)程包括:從外部設(shè)備接收輸入數(shù)據(jù),由存儲(chǔ)管理系統(tǒng)調(diào)度存儲(chǔ)和訪問(wèn),CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最終將結(jié)果輸出到外部設(shè)備。這一過(guò)程體現(xiàn)了存儲(chǔ)系統(tǒng)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的重要作用,確保數(shù)據(jù)能夠被高效地存儲(chǔ)和處理。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)層次化結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì),從最快但容量小的高速緩存,到容量大但讀寫(xiě)速度較慢的硬盤(pán)等輔助存儲(chǔ)器,形成一個(gè)存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)。性能與成本權(quán)衡層次結(jié)構(gòu)平衡了存儲(chǔ)性能和成本。容量大但速度慢的存儲(chǔ)介質(zhì)用作主存儲(chǔ)器,容量小但速度快的存儲(chǔ)介質(zhì)用作緩存。數(shù)據(jù)訪問(wèn)策略存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)需要合理調(diào)度數(shù)據(jù)在各層之間的交換,以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展了存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu),將硬盤(pán)等輔助存儲(chǔ)器集成到內(nèi)存地址空間中。主存和輔存的交換訪問(wèn)主存CPU需要執(zhí)行某個(gè)程序或訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí),首先會(huì)在主存中尋找所需的信息。數(shù)據(jù)不在主存如果所需的程序或數(shù)據(jù)不在主存中,則需要從輔存讀取到主存中。數(shù)據(jù)交換過(guò)程系統(tǒng)會(huì)把輔存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊調(diào)入主存,CPU可以直接訪問(wèn)并使用這些數(shù)據(jù)。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)可以自動(dòng)管理主存和輔存之間的數(shù)據(jù)交換,提高存儲(chǔ)利用率。虛擬存儲(chǔ)器磁盤(pán)擴(kuò)充主存虛擬存儲(chǔ)器使用磁盤(pán)空間來(lái)擴(kuò)充有限的物理主存,通過(guò)頁(yè)面交換提供更大的地址空間供程序使用。按需加載頁(yè)面只有需要使用的程序頁(yè)面才會(huì)被加載到物理主存,而不使用的頁(yè)面則保留在磁盤(pán)上。管理復(fù)雜性虛擬存儲(chǔ)器管理需要操作系統(tǒng)提供頁(yè)面調(diào)度、置換等功能,增加了系統(tǒng)管理的復(fù)雜性。虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)1尋址機(jī)制虛擬存儲(chǔ)器采用虛擬地址和物理地址的映射機(jī)制，通過(guò)頁(yè)表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。2頁(yè)面置換算法當(dāng)需要調(diào)入的頁(yè)面不在內(nèi)存時(shí)，需要采用頁(yè)面置換算法選擇淘汰某些頁(yè)面以騰出空間。3硬件支持虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)需要CPU、內(nèi)存管理單元(MMU)等硬件提供支持和配合。存儲(chǔ)器控制方式存儲(chǔ)器控制單元管理存儲(chǔ)器的訪問(wèn)和操作,確保數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器和CPU之間正確傳輸。存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制控制CPU和存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳輸,包括讀寫(xiě)操作和地址分配等。存儲(chǔ)器刷新機(jī)制定期更新動(dòng)態(tài)RAM中的數(shù)據(jù),防止數(shù)據(jù)丟失。確保DRAM的可靠存儲(chǔ)。DMA工作原理1初始化CPU設(shè)置DMA控制器的寄存器2數(shù)據(jù)傳輸DMA控制器直接訪問(wèn)內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸3傳輸完成DMA控制器通知CPU任務(wù)完成DMA（DirectMemoryAccess）工作原理包括三個(gè)主要步驟:首先,CPU設(shè)置DMA控制器的寄存器,指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂泛烷L(zhǎng)度;然后,DMA控制器直接訪問(wèn)內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,無(wú)需CPU參與;最后,DMA控制器通知CPU任務(wù)完成。這種直接內(nèi)存訪問(wèn)方式可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率。總線仲裁算法1公平性總線仲裁算法確保每個(gè)設(shè)備都有公平的訪問(wèn)機(jī)會(huì),防止任何設(shè)備獨(dú)占總線。2優(yōu)先權(quán)算法可以根據(jù)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度,保證關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)先獲取總線使用權(quán)。3響應(yīng)時(shí)間算法應(yīng)盡量縮短設(shè)備等待總線的響應(yīng)時(shí)間,減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。4效率最大化算法應(yīng)協(xié)調(diào)各設(shè)備合理使用總線帶寬,提高整體系統(tǒng)的傳輸效率。存儲(chǔ)器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)10ns訪問(wèn)時(shí)間存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取所需的時(shí)間500MB/s帶寬存儲(chǔ)器單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量5可靠性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保存的穩(wěn)定性20K耐久性存儲(chǔ)器可重復(fù)寫(xiě)入的次數(shù)存儲(chǔ)器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括訪問(wèn)時(shí)間、帶寬、可靠性和耐久性。這些指標(biāo)反映了存儲(chǔ)器的工作效率、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和使用壽命。合理選擇滿足應(yīng)用需求的存儲(chǔ)器非常重要。存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)云存儲(chǔ)云存儲(chǔ)技術(shù)不斷進(jìn)步,為用戶提供更大容量、更快速度和更靈活的存儲(chǔ)方案。固態(tài)存儲(chǔ)固態(tài)硬盤(pán)的價(jià)格下降和容量增加,令其逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械硬盤(pán)成為主流。智能存儲(chǔ)人工智能技術(shù)的應(yīng)用,使存儲(chǔ)系統(tǒng)具備自動(dòng)化管理和智能化服務(wù)的新能力。高速互聯(lián)5G等高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,讓存儲(chǔ)和計(jì)算