《微機的存儲器》課件

微機的存儲器存儲器是計算機系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它負責存儲數(shù)據(jù)和程序。微機中的存儲器主要分為兩種類型：主存儲器和輔助存儲器。什么是存儲器存儲數(shù)據(jù)和指令存儲器是計算機系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)和指令的部件，是計算機的重要組成部分。提供信息訪問存儲器可以提供對存儲數(shù)據(jù)的快速訪問，為CPU執(zhí)行指令和程序提供必要的信息。連接CPU和外設存儲器作為CPU和外部設備之間的橋梁，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。存儲器的分類1按存儲介質分類存儲器可分為半導體存儲器和磁存儲器。2按存取方式分類存儲器可分為隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。3按用途分類存儲器可分為主存儲器和輔助存儲器。4按存儲層次分類存儲器可分為高速緩存(Cache)、主存儲器和輔助存儲器。隨機存取內存(RAM)隨機存取RAM是一種可以隨機訪問的存儲器，這意味著可以快速訪問存儲器中的任何位置。易失性RAM是一種易失性存儲器，這意味著當電源關閉時，存儲在其中的數(shù)據(jù)會丟失。高速RAM是計算機中最快的存儲器類型，用于存儲正在運行的程序和數(shù)據(jù)。RAM的特點易失性RAM中的數(shù)據(jù)是易失的，即當電源關閉時，數(shù)據(jù)會丟失。速度快RAM是計算機系統(tǒng)中最快的存儲器，可以直接與CPU進行交互，用于存放當前正在運行的程序和數(shù)據(jù)。靜態(tài)RAM(SRAM)SRAM的特點SRAM使用晶體管和電容來存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能夠被長期保持。速度快，能夠快速存取數(shù)據(jù)，適合用作高速緩存。SRAM的結構SRAM由多個觸發(fā)器組成，每個觸發(fā)器存儲一個數(shù)據(jù)位。觸發(fā)器包含晶體管，構成穩(wěn)定狀態(tài)。SRAM的結構相對復雜。SRAM的應用SRAM主要用作高速緩存，因為它速度更快。由于價格昂貴，SRAM在主存儲器中使用較少。動態(tài)RAM(DRAM)動態(tài)RAMDRAM使用電容來存儲數(shù)據(jù)。電容會泄漏，需要定期刷新才能保持數(shù)據(jù)。DRAM模塊DRAM通常以模塊的形式出現(xiàn)，方便安裝到主板上。DRAM技術DRAM是目前最主要的內存類型，價格低廉，容量大。ROM的分類掩蔽ROM(MROM)在芯片制造過程中，ROM的內容就被永久寫入，不能修改?？删幊蘎OM(PROM)用戶可以一次性寫入數(shù)據(jù)，寫入后不能修改?？刹脸删幊蘎OM(EPROM)可以使用紫外線照射擦除內容，然后重新寫入。電可擦除可編程ROM(EEPROM)可以使用電信號擦除內容，可多次擦寫。掩蔽ROM(MROM)11.掩蔽ROM的概念掩蔽ROM是一種在芯片制造時就寫入數(shù)據(jù)的只讀存儲器，數(shù)據(jù)無法更改。22.掩蔽ROM的特點存儲容量大，價格低廉，但生產(chǎn)周期長，無法修改數(shù)據(jù)。33.掩蔽ROM的應用適用于大規(guī)模生產(chǎn)，需要固定數(shù)據(jù)的場合，例如嵌入式系統(tǒng)，游戲機等。44.掩蔽ROM的限制無法修改數(shù)據(jù)，生產(chǎn)周期長，不適合小批量生產(chǎn)?？删幊蘎OM(PROM)一次性編程PROM在出廠時是空白的，用戶可通過編程器寫入數(shù)據(jù)。不可擦除一旦數(shù)據(jù)寫入，就不能擦除或修改，只能用新的PROM來替換。應用場景適合用于存儲固定的程序和數(shù)據(jù)，例如在嵌入式系統(tǒng)中存儲引導程序。可擦除可編程ROM(EPROM)特點EPROM是一種可擦除可編程只讀存儲器。它可以通過紫外線照射來擦除信息。擦除后可以使用專門的編程器寫入新的數(shù)據(jù)。優(yōu)點EPROM具有可擦除的特點，方便更新程序。它在工業(yè)控制、儀器儀表等領域得到了廣泛應用。缺點EPROM的擦除過程需要使用紫外線照射，時間較長。并且只能擦除整個芯片，無法擦除單個字節(jié)。電可擦除可編程ROM(EEPROM)電可擦除可編程只讀存儲器EEPROM是一種可以反復擦除和編程的非易失性存儲器。它比EPROM更容易擦除，可以在電路板上直接擦除，不需要特殊設備。數(shù)據(jù)存儲芯片EEPROM通常用于存儲系統(tǒng)配置參數(shù)、固件代碼和用戶數(shù)據(jù)。它具有較高的耐用性，可以承受反復的讀寫操作。電路板應用EEPROM廣泛應用于計算機、手機、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)設備等領域。它提供了一種可靠的非易失性存儲解決方案。閃存(FlashMemory)非易失性存儲器閃存是一種非易失性存儲器，這意味著即使斷電，數(shù)據(jù)也不會丟失。閃存是一種固態(tài)存儲器，它基于浮柵晶體管，并具有電可擦除可編程特性。閃存的讀寫速度比傳統(tǒng)的硬盤快得多，并且更加耐用和輕便。存儲器的容量單位表示比特(bit)一個二進制位，可以表示0或1字節(jié)(Byte)8個比特，表示一個字符千字節(jié)(KB)1024個字節(jié)兆字節(jié)(MB)1024個千字節(jié)吉字節(jié)(GB)1024個兆字節(jié)太字節(jié)(TB)1024個吉字節(jié)存儲器的訪問時間存儲器的訪問時間是指從發(fā)出讀寫命令到完成讀寫操作所需要的時間。訪問時間是衡量存儲器性能的重要指標之一，它反映了存儲器響應速度的快慢。50-100nsRAM隨機存取存儲器(RAM)10-100μs硬盤硬盤驅動器(HDD)1-10μs固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤(SSD)1-10ms磁帶磁帶驅動器(Tape)存儲器的數(shù)據(jù)傳輸速率存儲器的數(shù)據(jù)傳輸速率是指存儲器在單位時間內所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常以每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)（B/s）或每秒傳輸?shù)奈粩?shù)（b/s）來表示。存儲器的數(shù)據(jù)傳輸速率越高，數(shù)據(jù)傳輸速度越快，計算機的性能就越好。例如，一塊內存的帶寬為1600MT/s，這表示它每秒可以傳輸1600兆位數(shù)據(jù)。存儲器的存儲層次層次結構存儲器系統(tǒng)通常按照速度和成本進行分層。緩存是最快且最昂貴的，而輔助存儲器是最慢且最便宜的。數(shù)據(jù)流動數(shù)據(jù)在不同層次之間流動，從速度較快的層次到速度較慢的層次。存儲位置每個層次存儲著不同類型的數(shù)據(jù)，例如緩存存儲著最常訪問的數(shù)據(jù)，而硬盤存儲著大量數(shù)據(jù)。主存儲器和輔助存儲器主存儲器速度快，成本高，容量小，用于存放當前正在運行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲器速度慢，成本低，容量大，用于長期保存數(shù)據(jù)和程序。兩者關系主存儲器作為CPU直接訪問的存儲器，輔助存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)，并定期地與主存儲器交換信息。存儲器的管理1地址分配操作系統(tǒng)負責管理系統(tǒng)中的內存，并為每個進程分配其所需內存空間。2內存保護防止一個進程訪問其他進程的內存空間，確保每個進程的運行安全和穩(wěn)定。3內存分配策略管理內存分配給各個進程的方式，例如，先進先出、最佳適應算法等。4內存碎片當分配和釋放內存時，會導致內存空間分散，形成碎片，影響內存利用率。虛擬內存技術虛擬內存概念虛擬內存是一種技術，通過將部分硬盤空間用作內存來擴展物理內存容量，為程序提供更大的可用內存空間。分頁管理將虛擬內存劃分為固定大小的頁面，并將其映射到物理內存中的頁框中。分段管理將虛擬內存劃分為邏輯上連續(xù)的段，每個段對應一個物理內存區(qū)域。緩存存儲器(Cache)高速緩存緩存存儲器，簡稱Cache，是介于CPU和主存儲器之間的高速緩沖存儲器，其速度遠高于主存儲器。它保存著主存儲器中經(jīng)常被訪問的數(shù)據(jù)，使得CPU能夠更快地訪問數(shù)據(jù)。Cache的工作原理1CPU請求數(shù)據(jù)CPU需要訪問數(shù)據(jù)時，先檢查Cache2Cache命中如果數(shù)據(jù)在Cache中，直接讀取3Cache未命中如果數(shù)據(jù)不在Cache中，從主存儲器讀取4寫入Cache將數(shù)據(jù)寫入Cache，以備下次使用Cache的工作原理基于局部性原理，即CPU訪問的數(shù)據(jù)通常具有空間局部性和時間局部性?？臻g局部性是指CPU在訪問某個數(shù)據(jù)后，很可能訪問其附近的其他數(shù)據(jù)。時間局部性是指CPU在訪問某個數(shù)據(jù)后，很可能在不久后再次訪問該數(shù)據(jù)。Cache的性能指標緩存的性能指標直接影響CPU的效率，是衡量緩存效果的關鍵因素。1命中率緩存命中率是指CPU訪問數(shù)據(jù)時在緩存中找到的概率。2缺失率緩存缺失率是指CPU訪問數(shù)據(jù)時在緩存中沒有找到的概率，是命中率的補集。3平均訪問時間緩存平均訪問時間是指CPU訪問數(shù)據(jù)時平均需要的時間。4訪問速度緩存訪問速度是指CPU訪問緩存數(shù)據(jù)的速度。Cache的分類11.直接映射Cache每個主存塊只能映射到一個特定的緩存塊。22.組相聯(lián)Cache每個主存塊可以映射到多個緩存塊，但每個緩存塊只映射到一個組。33.全相聯(lián)Cache每個主存塊可以映射到任何緩存塊，提高了緩存命中率。直接映射Cache簡單映射直接映射Cache是最簡單的一種Cache映射方式。每個主存塊只能映射到一個特定的Cache塊。地址計算主存地址被分成兩個部分:塊號和塊內偏移量，塊號決定映射到哪個Cache塊，偏移量用于訪問Cache塊內的特定數(shù)據(jù)。沖突問題如果多個主存塊映射到同一個Cache塊，就會發(fā)生沖突，導致性能下降。實現(xiàn)簡單直接映射Cache的實現(xiàn)成本較低，易于理解和設計。組相聯(lián)Cache組將主存分成多個組，每個組包含多個緩存行，每個組對應一個緩存塊。映射根據(jù)主存地址的特定位確定緩存中的組號，并根據(jù)地址中的其他位確定緩存行號。比較每個緩存塊包含多個緩存行，每個緩存行都有一個標記，用于判斷是否命中，命中后就從緩存中讀取數(shù)據(jù)。全相聯(lián)Cache靈活的匹配每個主存塊可以映射到任何一個Cache行。最佳性能全相聯(lián)Cache的命中率最高，因為任何主存塊都可以被緩存。復雜實現(xiàn)全相聯(lián)Cache需要更復雜的硬件實現(xiàn)，因為它需要進行全面的比較和匹配。成本高昂由于需要大量的比較電路和存儲器，全相聯(lián)Cache的成本非常高。存儲器的發(fā)展趨勢容量不斷增大存儲密度