《計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器》課件

計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器是用于存放數(shù)據(jù)的核心組件，它直接影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率和性能。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器的定義計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的設(shè)備，是計(jì)算機(jī)的重要組成部分。存儲(chǔ)器的作用存儲(chǔ)器用來(lái)保存程序和數(shù)據(jù)，并提供給中央處理器（CPU）使用，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的各種功能。存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器系統(tǒng)被組織成一個(gè)分層的結(jié)構(gòu)，每個(gè)層級(jí)都具有不同的速度、成本和容量。速度和成本速度越快的層級(jí)通常更昂貴，容量也更小。速度較慢的層級(jí)通常更便宜，容量也更大。數(shù)據(jù)流動(dòng)數(shù)據(jù)通常在層次結(jié)構(gòu)之間流動(dòng)，從速度更快、成本更高的層級(jí)移動(dòng)到速度更慢、成本更低的層級(jí)。主存儲(chǔ)器11.中央處理器直接與CPU交互，存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，供CPU讀取和寫(xiě)入。22.臨時(shí)存儲(chǔ)存儲(chǔ)CPU當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，內(nèi)存速度快，容量較小。33.存儲(chǔ)單元每個(gè)存儲(chǔ)單元都有唯一的地址，CPU通過(guò)地址訪問(wèn)數(shù)據(jù)。44.易失性電源關(guān)閉后，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)丟失，需要定期保存到硬盤。主存儲(chǔ)器分類隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，可以快速隨機(jī)訪問(wèn)任何位置。只讀存儲(chǔ)器(ROM)存儲(chǔ)系統(tǒng)啟動(dòng)所需程序和數(shù)據(jù)，內(nèi)容無(wú)法修改，只能讀取。高速緩存(Cache)作為主存儲(chǔ)器與CPU之間的緩沖，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取能夠直接訪問(wèn)任何一個(gè)存儲(chǔ)單元，存取時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)。易失性斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，需要定期保存到非易失性存儲(chǔ)器。主要用途存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，支持計(jì)算機(jī)快速運(yùn)行。關(guān)鍵技術(shù)主要分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器11.動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)RAM使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。22.刷新操作數(shù)據(jù)會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸消失，需要定期刷新。33.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低，功耗也相對(duì)較低。44.應(yīng)用廣泛由于價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于主存儲(chǔ)器。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器速度快SRAM訪問(wèn)速度快于DRAM，通常用于高速緩存(cache)中。成本高SRAM的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要更多的晶體管，因此成本更高。功耗低SRAM的功耗比DRAM低，在嵌入式系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備中廣泛使用。只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器（ROM）ROM的數(shù)據(jù)在制造時(shí)寫(xiě)入，無(wú)法更改。ROM數(shù)據(jù)保存到芯片上，即使斷電也不會(huì)丟失。用途ROM常用于存儲(chǔ)固件，例如啟動(dòng)程序，硬件配置參數(shù)。輔助存儲(chǔ)器磁盤存儲(chǔ)器磁盤存儲(chǔ)器使用磁性介質(zhì)記錄數(shù)據(jù)，它是一種常見(jiàn)的輔助存儲(chǔ)器。磁性介質(zhì)以磁盤的形式出現(xiàn)，例如硬盤和軟盤。光盤存儲(chǔ)器光盤存儲(chǔ)器利用激光在光盤表面刻錄數(shù)據(jù)，常用的光盤類型包括CD、DVD和藍(lán)光光盤。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（SSD）使用閃存芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，沒(méi)有機(jī)械部件，因此訪問(wèn)速度快，功耗低。磁盤存儲(chǔ)器磁盤存儲(chǔ)器是一種常用的輔助存儲(chǔ)器，主要由磁性材料制成的盤片組成。信息記錄在磁盤表面上的磁性材料上，通過(guò)磁頭讀寫(xiě)。磁盤存儲(chǔ)器價(jià)格低廉，容量大，可靠性高，易于備份和恢復(fù)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，用于保存各種數(shù)據(jù)和程序。光盤存儲(chǔ)器光盤存儲(chǔ)器利用激光束讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的類型包括CD-ROM、DVD-ROM和藍(lán)光光盤。光盤存儲(chǔ)器具有容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存取速度相對(duì)較慢。光盤存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，例如電影、音樂(lè)和軟件。它也是備份數(shù)據(jù)的理想選擇，因?yàn)楣獗P對(duì)環(huán)境變化具有較強(qiáng)的抵抗力。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤(SSD)是一種基于閃存的存儲(chǔ)設(shè)備，它使用閃存芯片來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)相比，SSD具有更高的讀寫(xiě)速度、更低的功耗和更高的耐用性。SSD通常被用作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)樗梢燥@著提高計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)速度、應(yīng)用程序加載速度和整體性能。存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)存儲(chǔ)器性能指標(biāo)反映了存儲(chǔ)器性能的優(yōu)劣。存取時(shí)間是指CPU從存儲(chǔ)器中讀取或?qū)懭胍粋€(gè)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。帶寬是指存儲(chǔ)器每秒所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。容量是指存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。功耗是指存儲(chǔ)器工作時(shí)消耗的能量。存儲(chǔ)器存取方式單字節(jié)存取一次訪問(wèn)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，是常見(jiàn)的存儲(chǔ)器存取方式。雙字存取一次訪問(wèn)兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，用于提高數(shù)據(jù)傳輸效率。突發(fā)存取連續(xù)訪問(wèn)多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，例如一次讀取一個(gè)數(shù)據(jù)塊。分頁(yè)存取將內(nèi)存劃分為大小相同的頁(yè)面，每次訪問(wèn)一個(gè)頁(yè)面。單字節(jié)存取1定義單字節(jié)存取是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一次只能訪問(wèn)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，每次操作必須單獨(dú)進(jìn)行。2特點(diǎn)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但效率較低，對(duì)于大數(shù)據(jù)量訪問(wèn)不利，通常用于小型嵌入式系統(tǒng)或?qū)?shù)據(jù)訪問(wèn)速度要求不高的應(yīng)用。3舉例例如，讀取一個(gè)字符或一個(gè)8位整數(shù)需要進(jìn)行一次獨(dú)立的存取操作。雙字存取1定義一次讀寫(xiě)兩個(gè)連續(xù)字2優(yōu)勢(shì)提高數(shù)據(jù)傳輸效率3應(yīng)用適用于數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用雙字存取是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，它允許計(jì)算機(jī)一次性讀取或?qū)懭雰蓚€(gè)連續(xù)的字。這顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，特別適用于處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，在處理圖像、音頻或視頻數(shù)據(jù)時(shí)，雙字存取可以大幅提升數(shù)據(jù)傳輸速度。突發(fā)存取突發(fā)存取是一種高效的內(nèi)存訪問(wèn)方式，可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。1連續(xù)讀取CPU一次性發(fā)出多個(gè)連續(xù)地址的讀請(qǐng)求。2數(shù)據(jù)塊傳輸內(nèi)存控制器一次性將數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)紺PU。3減少請(qǐng)求次數(shù)降低了內(nèi)存訪問(wèn)延遲。4提高效率整體提高了內(nèi)存訪問(wèn)速度。這種方式適合讀取連續(xù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，例如數(shù)組或圖像。分頁(yè)存取頁(yè)面大小將主存空間劃分為大小相同的頁(yè)面，并用頁(yè)號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。頁(yè)面映射建立頁(yè)表，記錄頁(yè)面在主存中的物理地址，將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。頁(yè)面置換當(dāng)需要訪問(wèn)的頁(yè)面不在內(nèi)存時(shí)，需從磁盤中調(diào)入內(nèi)存，并選擇一個(gè)頁(yè)面進(jìn)行置換。優(yōu)點(diǎn)提高了內(nèi)存利用率，簡(jiǎn)化了內(nèi)存管理，支持多用戶并發(fā)訪問(wèn)。內(nèi)存管理內(nèi)存管理高效利用內(nèi)存資源，分配和回收內(nèi)存空間，避免內(nèi)存泄漏和內(nèi)存碎片。地址空間管理將邏輯地址映射到物理地址，實(shí)現(xiàn)程序代碼的加載和執(zhí)行。虛擬內(nèi)存使用硬盤作為擴(kuò)展內(nèi)存，擴(kuò)大可用內(nèi)存空間，提升程序運(yùn)行效率。地址空間管理邏輯地址程序員使用的地址，獨(dú)立于物理地址，方便編程。物理地址存儲(chǔ)器單元在內(nèi)存中的實(shí)際地址，由硬件控制。虛擬內(nèi)存11.地址空間擴(kuò)展虛擬內(nèi)存允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。22.多任務(wù)處理多個(gè)程序可以同時(shí)運(yùn)行，共享物理內(nèi)存。33.內(nèi)存保護(hù)防止程序訪問(wèn)其他程序的內(nèi)存區(qū)域。44.頁(yè)面調(diào)入和調(diào)出將程序代碼和數(shù)據(jù)分塊加載到內(nèi)存，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)入和調(diào)出。置換算法最佳置換算法選擇未來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行置換。無(wú)法實(shí)現(xiàn)，理論參考。先進(jìn)先出算法先進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面先被置換。簡(jiǎn)單易懂，但效率較低。最近最少使用算法選擇最近最少使用的頁(yè)面進(jìn)行置換。性能較好，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。時(shí)鐘算法模擬一個(gè)時(shí)鐘，記錄頁(yè)面最近被訪問(wèn)時(shí)間，選擇最久未被訪問(wèn)的頁(yè)面置換。綜合考慮效率和復(fù)雜度。緩存存儲(chǔ)器緩存存儲(chǔ)器是一種高速、小型、昂貴的存儲(chǔ)器。通常作為主存儲(chǔ)器與CPU之間的橋梁。CPU緩存直接與CPU相連，存儲(chǔ)最近被CPU訪問(wèn)過(guò)的指令和數(shù)據(jù)，速度非?？?，但容量較小。數(shù)據(jù)緩存存儲(chǔ)從主存儲(chǔ)器讀取的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間，提高系統(tǒng)性能。緩存工作原理當(dāng)CPU訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查緩存，如果命中則直接讀取；否則從主存儲(chǔ)器讀取并放入緩存。緩存基本工作原理檢查緩存當(dāng)CPU需要訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，它首先檢查緩存。如果數(shù)據(jù)在緩存中，稱為緩存命中。緩存命中CPU從緩存中快速讀取數(shù)據(jù)，繼續(xù)執(zhí)行操作。緩存未命中如果數(shù)據(jù)不在緩存中，稱為緩存未命中。訪問(wèn)主內(nèi)存CPU從主內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)并將其加載到緩存中。更新緩存數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)在緩存和主內(nèi)存中，以便下次訪問(wèn)時(shí)可以直接從緩存中獲取。緩存性能指標(biāo)緩存性能指標(biāo)是評(píng)估緩存系統(tǒng)效率的關(guān)鍵參數(shù)，它們反映了緩存命中率、緩存延遲和緩存容量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。99%命中率指緩存中找到所需數(shù)據(jù)的概率，越高表示緩存效率越高。10-100ns延遲指從緩存中獲取數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，越短表示緩存速度越快。KB-MB容量指緩存能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，越大表示緩存可以容納更多數(shù)據(jù)。緩存設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略緩存大小緩存大小直接影響緩存命中率，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致頻繁訪問(wèn)主存儲(chǔ)器，過(guò)大則會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存空間。替換算法選擇合適的替換算法，例如LRU、FIFO等，可以有效提高緩存效率。緩存一致性保證數(shù)據(jù)一致性是緩存設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題，可以使用各種方法來(lái)確保數(shù)據(jù)一致性。緩存管理緩存管理策略包括緩存的分配、釋放、替換、一致性維護(hù)等，需要根據(jù)具體場(chǎng)景選擇合適的策略。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化層次化設(shè)計(jì)通過(guò)合理設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能，降低成本。容量和速度平衡更高層級(jí)的存儲(chǔ)器容量較小，速度更快，但價(jià)格更貴。緩存策略利用緩存技術(shù)，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度，減少主存儲(chǔ)器訪問(wèn)次數(shù)。算法優(yōu)化采用先進(jìn)的頁(yè)面置換算法，有效管理虛擬內(nèi)存，提高系統(tǒng)效率。存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢(shì)1容量不斷提升存儲(chǔ)器容量大幅度提升，滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。