《chapter內(nèi)存儲(chǔ)器》課件

《章節(jié)內(nèi)存儲(chǔ)器》章節(jié)內(nèi)存儲(chǔ)器是一種特殊的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的程序代碼和數(shù)據(jù)。它位于計(jì)算機(jī)的主內(nèi)存中，與CPU緊密相連，提供快速訪問數(shù)據(jù)的通道。章節(jié)內(nèi)存儲(chǔ)器通常被稱為“工作區(qū)”，因?yàn)樗浅绦驁?zhí)行時(shí)的核心工作區(qū)域。課程大綱存儲(chǔ)器概述介紹存儲(chǔ)器的概念和分類，重點(diǎn)講解存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)和層次結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器深入探討主存儲(chǔ)器的類型、工作原理和特點(diǎn)，包括RAM和ROM高速緩存存儲(chǔ)器講解Cache的作用、分類和工作機(jī)制，重點(diǎn)分析Cache的替換算法和寫策略虛擬存儲(chǔ)器介紹虛擬存儲(chǔ)器的概念和工作原理，重點(diǎn)講解頁面置換算法和相關(guān)問題存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)主要包括：容量、訪問時(shí)間和帶寬。容量是指存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的信息量，通常以字節(jié)或位為單位。訪問時(shí)間是指存儲(chǔ)器從接收訪問請(qǐng)求到返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間，通常以納秒為單位。帶寬是指存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)男畔⒘?，通常以字?jié)每秒為單位。存儲(chǔ)器的容量存儲(chǔ)器的容量指存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的信息量。通常以字節(jié)(Byte)為單位，1字節(jié)等于8位。存儲(chǔ)器容量越大，能夠存儲(chǔ)的信息就越多。不同類型的存儲(chǔ)器容量差別很大。存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間是指從發(fā)出訪問指令到從存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)所需的時(shí)間。訪問時(shí)間是衡量存儲(chǔ)器速度的關(guān)鍵指標(biāo)，影響著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體的性能。10nsSRAM靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器50nsDRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器100ns硬盤機(jī)械存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的帶寬存儲(chǔ)器帶寬衡量的是單位時(shí)間內(nèi)CPU能夠訪問存儲(chǔ)器的總數(shù)據(jù)量。存儲(chǔ)器帶寬是衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。100GB/s現(xiàn)代PC現(xiàn)代PC的內(nèi)存帶寬通常在100GB/s以上。1TB/s高性能服務(wù)器高性能服務(wù)器可以達(dá)到1TB/s以上的帶寬。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)層次化存儲(chǔ)不同類型的存儲(chǔ)器以層次化方式組織，速度更快但成本更高的存儲(chǔ)器位于層次結(jié)構(gòu)的頂端。緩存高速緩存存儲(chǔ)器位于層次結(jié)構(gòu)的頂端，用于存儲(chǔ)最常訪問的數(shù)據(jù)，以加快訪問速度。主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器位于層次結(jié)構(gòu)的中間，用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器位于層次結(jié)構(gòu)的底部，用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，但訪問速度較慢。主存儲(chǔ)器定義主存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存放程序和數(shù)據(jù)的核心部件。它是一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，可以快速讀取和寫入數(shù)據(jù)。特點(diǎn)主存儲(chǔ)器具有速度快、容量大、價(jià)格低的特點(diǎn)，它是CPU直接訪問數(shù)據(jù)的區(qū)域，對(duì)于計(jì)算機(jī)的性能至關(guān)重要。只讀存儲(chǔ)器(ROM)定義只讀存儲(chǔ)器(ROM)是一種非易失性存儲(chǔ)器，這意味著即使在斷電后，它也能保存數(shù)據(jù)。ROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在制造過程中被寫入，通常無法更改。用途ROM常用于存儲(chǔ)固件、啟動(dòng)代碼和系統(tǒng)參數(shù)等重要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)訪問。類型ROM的類型包括掩模ROM(MROM)、可編程ROM(PROM)、可擦除可編程ROM(EPROM)和電可擦除可編程ROM(EEPROM)。優(yōu)點(diǎn)ROM的優(yōu)點(diǎn)包括非易失性、可靠性和低功耗。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)可讀寫RAM允許CPU快速讀取和寫入數(shù)據(jù)。易失性RAM在斷電后會(huì)丟失所有存儲(chǔ)信息。主要存儲(chǔ)器RAM是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要工作內(nèi)存，用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。RAM的分類RAM主要分為兩種類型：靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)。1RAM2SRAM速度快，功耗高，價(jià)格貴3DRAM速度慢，功耗低，價(jià)格便宜SRAM和DRAM的主要區(qū)別在于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式不同。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)存儲(chǔ)單元SRAM使用觸發(fā)器作為存儲(chǔ)單元，每個(gè)觸發(fā)器存儲(chǔ)一個(gè)位信息。結(jié)構(gòu)SRAM的結(jié)構(gòu)比DRAM復(fù)雜，但速度更快，功耗更低。訪問速度SRAM的訪問速度比DRAM快得多，因?yàn)椴恍枰⑿虏僮?。?dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)11.存儲(chǔ)單元DRAM使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù),每位數(shù)據(jù)用一個(gè)電容表示。22.刷新操作電容會(huì)隨著時(shí)間推移而泄漏,DRAM需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)。33.速度DRAM比SRAM速度慢，但成本更低，容量更大。44.應(yīng)用DRAM是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。DRAM的工作原理1存儲(chǔ)單元DRAM的存儲(chǔ)單元是電容器，每個(gè)電容器代表一個(gè)比特信息。2數(shù)據(jù)讀寫數(shù)據(jù)讀寫通過對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行充放電操作來實(shí)現(xiàn)。3刷新操作由于電容會(huì)泄漏電荷，因此需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)。DRAM的特點(diǎn)成本低廉DRAM的制作工藝相對(duì)簡單，成本較低，適合用于大容量存儲(chǔ)器的構(gòu)建。存儲(chǔ)容量大DRAM可以實(shí)現(xiàn)高密度集成，從而提供更大的存儲(chǔ)容量，滿足現(xiàn)代計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)空間的需求。讀寫速度快DRAM的讀寫速度比其他類型的存儲(chǔ)器，如硬盤或閃存，要快得多。功耗低DRAM的功耗相對(duì)較低，尤其是在待機(jī)狀態(tài)下。高速緩存存儲(chǔ)器(Cache)速度快比主存儲(chǔ)器速度快得多，可以更快地訪問數(shù)據(jù)。容量小由于成本和技術(shù)限制，高速緩存的容量遠(yuǎn)小于主存儲(chǔ)器。位于CPU附近靠近CPU，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高訪問效率。Cache的作用減少內(nèi)存訪問時(shí)間Cache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)最常訪問的數(shù)據(jù)，這樣CPU可以更快地訪問這些數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)性能。提高數(shù)據(jù)訪問效率Cache可以將經(jīng)常使用的指令和數(shù)據(jù)緩存在其中，減少CPU訪問主存儲(chǔ)器的次數(shù)，從而提高數(shù)據(jù)訪問效率。Cache的分類直接映射Cache直接映射Cache是最簡單的Cache組織方式，每個(gè)主存塊只能映射到Cache中的一個(gè)特定位置。組相聯(lián)Cache組相聯(lián)Cache是介于直接映射和全相聯(lián)之間的一種折衷方案，它將Cache分成若干組，每個(gè)組包含多個(gè)Cache行。全相聯(lián)Cache全相聯(lián)Cache是最靈活的Cache組織方式，主存中的任何一個(gè)塊都可以映射到Cache中的任何一個(gè)位置。直接映射Cache映射方式每個(gè)主存塊只能映射到一個(gè)特定的Cache塊。地址標(biāo)記主存地址的一部分用作Cache塊的標(biāo)記。沖突多個(gè)主存塊映射到同一個(gè)Cache塊會(huì)導(dǎo)致沖突。組相聯(lián)Cache1分組劃分將主存分成若干個(gè)大小相等的組，每個(gè)組包含若干個(gè)塊。2Cache索引將Cache也分成相同數(shù)量的組，每個(gè)組包含若干個(gè)塊。3地址映射主存塊的組號(hào)與Cache組號(hào)對(duì)應(yīng)，塊號(hào)則與Cache組內(nèi)塊號(hào)對(duì)應(yīng)。4沖突概率降低沖突概率，提高Cache命中率，但實(shí)現(xiàn)比直接映射復(fù)雜。全相聯(lián)Cache靈活映射每個(gè)主存塊可以映射到任何一個(gè)Cache行，沒有地址限制。高速命中率提高了Cache命中率，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在任何位置，減少了沖突。復(fù)雜實(shí)現(xiàn)需要比較所有Cache行，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，成本較高。Cache的替換算法1FIFO先入先出算法2LRU最近最少使用算法3LFU最不常使用算法4OPT最佳置換算法Cache替換算法決定哪個(gè)塊被替換，以便為新的塊騰出空間。FIFO算法按照塊進(jìn)入Cache的順序進(jìn)行替換，LRU算法替換最近最少使用的塊，LFU算法替換最不常使用的塊，OPT算法替換未來最長時(shí)間不會(huì)被訪問的塊。Cache的寫策略1寫直通數(shù)據(jù)直接寫入主存2寫回?cái)?shù)據(jù)先寫入Cache3寫分配數(shù)據(jù)寫入Cache和主存寫直通性能最高，但會(huì)造成主存帶寬壓力。寫回性能較好，但可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。寫分配兼顧性能和數(shù)據(jù)一致性，但更復(fù)雜。虛擬存儲(chǔ)器擴(kuò)展主存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器是一種利用磁盤空間來擴(kuò)展主存儲(chǔ)器的技術(shù)，為應(yīng)用程序提供更大的地址空間。提高內(nèi)存利用率虛擬存儲(chǔ)器通過將程序和數(shù)據(jù)的一部分加載到內(nèi)存中，而將其他部分存儲(chǔ)在磁盤上，提高內(nèi)存利用率，允許運(yùn)行更大的程序。虛擬地址空間虛擬存儲(chǔ)器使用虛擬地址空間，它與物理地址空間不同，允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址范圍。提高系統(tǒng)性能虛擬存儲(chǔ)器可以提高系統(tǒng)性能，因?yàn)樗试S多個(gè)程序共享內(nèi)存資源，并且可以減少程序之間的內(nèi)存沖突。頁式虛擬存儲(chǔ)器頁式虛擬存儲(chǔ)器頁式虛擬存儲(chǔ)器將邏輯地址空間劃分為固定大小的頁面，物理地址空間劃分為相同大小的頁框。程序運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)將頁表用于將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。頁面置換算法1最佳頁面置換算法(OPT)該算法選擇未來最長時(shí)間不會(huì)被訪問的頁面進(jìn)行替換，但無法在實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。2先進(jìn)先出(FIFO)最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面被優(yōu)先替換，簡單易實(shí)現(xiàn)，但效率較低。3最近最少使用(LRU)選擇最近最少使用的頁面進(jìn)行替換，實(shí)際應(yīng)用廣泛，效率較高。抖動(dòng)與工作集抖動(dòng)頁面頻繁地進(jìn)出內(nèi)存，導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降，這種現(xiàn)象稱為抖動(dòng)。抖動(dòng)