存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)課件

存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)課件REPORTING2023WORKSUMMARY目錄CATALOGUE存儲(chǔ)器基本概念與分類存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)解析主存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)剖析輔助存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)探討Cache存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)研究虛擬存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)探討PART01存儲(chǔ)器基本概念與分類用于存儲(chǔ)和訪問數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分。存儲(chǔ)器定義在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，以供CPU或其他設(shè)備訪問和使用。存儲(chǔ)器作用存儲(chǔ)器定義及作用可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)器等。按存儲(chǔ)介質(zhì)分類按存取方式分類按存儲(chǔ)內(nèi)容分類可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。可分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。030201存儲(chǔ)器分類方法常見存儲(chǔ)器類型介紹RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）可讀寫，掉電后數(shù)據(jù)丟失，常用于計(jì)算機(jī)內(nèi)存。ROM（只讀存儲(chǔ)器）只讀不可寫，數(shù)據(jù)在制造時(shí)就已經(jīng)寫入，常用于存儲(chǔ)固件等。FlashMemory（閃存）可讀寫，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，常用于U盤、存儲(chǔ)卡等。HardDiskDrive（機(jī)械硬盤）磁表面存儲(chǔ)器，可讀寫，容量大，常用于計(jì)算機(jī)外部存儲(chǔ)。PART02存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)解析程序在執(zhí)行時(shí)呈現(xiàn)出局部性規(guī)律，即在一段時(shí)間內(nèi)，程序的執(zhí)行僅限于某個(gè)部分。局部性原理利用局部性原理，將程序中頻繁訪問的數(shù)據(jù)存放在高速緩存中，以加快訪問速度。高速緩存原理根據(jù)存儲(chǔ)器的速度、容量和價(jià)格等因素，將存儲(chǔ)器劃分為多個(gè)層次，形成存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)原理隨著存儲(chǔ)器層次的升高，存儲(chǔ)容量逐漸增大，但訪問速度逐漸降低。容量與速度各層次之間需要保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性，以確保程序在不同層次的存儲(chǔ)器中訪問到正確的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)一致性數(shù)據(jù)在各層次之間傳輸時(shí)，需要考慮數(shù)據(jù)的傳輸方式、傳輸延遲和帶寬等因素。數(shù)據(jù)傳輸各層次之間關(guān)系與特點(diǎn)寄存器-高速緩存-主存-輔存在這種結(jié)構(gòu)中，寄存器位于CPU內(nèi)部，速度最快；高速緩存位于CPU與主存之間，用于存放頻繁訪問的數(shù)據(jù)；主存是計(jì)算機(jī)的主要存儲(chǔ)設(shè)備；輔存包括磁盤、光盤等外部存儲(chǔ)設(shè)備，容量大但訪問速度較慢。寄存器文件-高速緩存-主存在某些高性能計(jì)算機(jī)中，采用寄存器文件作為最高速的存儲(chǔ)層次，用于存放頻繁訪問的操作數(shù)和中間結(jié)果；高速緩存和主存的作用與上述結(jié)構(gòu)類似。多級高速緩存-主存為了提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能，一些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用多級高速緩存結(jié)構(gòu)，每一級高速緩存的容量和速度都有所不同，以更好地利用局部性原理。典型存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)案例PART03主存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)剖析03數(shù)據(jù)寄存器（MDR）用于存放從存儲(chǔ)體某單元取出的代碼或者準(zhǔn)備往某單元存入的數(shù)據(jù)。01存儲(chǔ)體由存儲(chǔ)單元組成，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令。02存儲(chǔ)單元地址寄存器（MAR）用于存放欲訪問的存儲(chǔ)單元的地址。主存儲(chǔ)器基本組成單元讀操作CPU將有效地址送至MAR，經(jīng)地址譯碼器譯碼后選中某一單元，同時(shí)發(fā)出讀命令，將數(shù)據(jù)從該單元讀至數(shù)據(jù)總線，再送到MDR。寫操作CPU將要寫入的數(shù)據(jù)送至MDR，經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入選中的存儲(chǔ)單元，同時(shí)發(fā)出寫命令。主存儲(chǔ)器工作原理及操作過程采用層次結(jié)構(gòu)Cache-主存層次和主存-輔存層次。采用高速器件采用存取周期短的芯片，提高主存速度。調(diào)整主存結(jié)構(gòu)如采用單體多字系統(tǒng)、多體并行系統(tǒng)。提高主存性能方法論述PART04輔助存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)探討

輔助存儲(chǔ)器類型和特點(diǎn)磁帶存儲(chǔ)器順序存取、容量大、價(jià)格低、速度慢。磁盤存儲(chǔ)器直接存取、容量大、價(jià)格適中、速度較快。光盤存儲(chǔ)器激光讀寫、容量巨大、價(jià)格低廉、速度較慢。通過磁頭對磁帶進(jìn)行讀寫操作，數(shù)據(jù)以磁信號形式存儲(chǔ)在磁帶上，通過磁帶機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的順序存取。磁帶存儲(chǔ)器工作原理通過磁頭對磁盤進(jìn)行讀寫操作，數(shù)據(jù)以磁信號形式存儲(chǔ)在磁盤上，通過磁盤的高速旋轉(zhuǎn)和磁頭的徑向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接存取。磁盤存儲(chǔ)器工作原理通過激光束對光盤進(jìn)行讀寫操作，數(shù)據(jù)以微小的凹凸形式存儲(chǔ)在光盤上，通過光盤的旋轉(zhuǎn)和激光頭的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。光盤存儲(chǔ)器工作原理輔助存儲(chǔ)器工作原理及操作過程輔助存儲(chǔ)器作為主存的擴(kuò)展當(dāng)主存容量不足時(shí)，可以通過輔助存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展，將部分不常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到輔助存儲(chǔ)器中，需要時(shí)再調(diào)入主存。輔助存儲(chǔ)器與主存的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，主存與輔助存儲(chǔ)器之間形成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，主存位于頂層，直接與CPU交換信息，輔助存儲(chǔ)器位于底層，通過I/O系統(tǒng)與主存交換信息。輔助存儲(chǔ)器與主存之間關(guān)系PART05Cache存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)研究Cache存儲(chǔ)器是一種高速緩沖存儲(chǔ)器，位于主存和CPU之間，用于存儲(chǔ)CPU頻繁訪問的數(shù)據(jù)和指令，以加快CPU的訪問速度。原理Cache存儲(chǔ)器通過局部性原理，將CPU近期可能訪問的數(shù)據(jù)和指令預(yù)先從主存中取出，存放在Cache中，當(dāng)CPU需要訪問這些數(shù)據(jù)和指令時(shí)，可以直接從Cache中讀取，避免了訪問主存的延遲，提高了系統(tǒng)的性能。作用Cache存儲(chǔ)器原理和作用直接映射01每個(gè)主存塊只能映射到Cache中的一個(gè)特定位置。實(shí)現(xiàn)簡單，但沖突率較高，可能導(dǎo)致Cache利用率降低。全相聯(lián)映射02主存中的任意一塊可以映射到Cache中的任意位置。這種方式?jīng)_突率較低，Cache利用率較高，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要較大的標(biāo)簽存儲(chǔ)空間和較長的查找時(shí)間。組相聯(lián)映射03將Cache分成若干組，每組內(nèi)采用全相聯(lián)映射，組間采用直接映射。這種方式在沖突率、Cache利用率和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間取得了折中。Cache映射方式分析比較通過增加Cache的容量，可以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)和指令，降低失效率，提高性能。但需要注意的是，增加Cache容量也會(huì)增加成本和功耗。增加Cache容量當(dāng)Cache已滿時(shí)，需要選擇一個(gè)塊進(jìn)行替換。常見的替換算法有LRU、FIFO等。通過改進(jìn)替換算法，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測哪些塊將被再次訪問，從而降低失效率。改進(jìn)替換算法通過預(yù)取和預(yù)測技術(shù)，可以提前將CPU可能訪問的數(shù)據(jù)和指令加載到Cache中，進(jìn)一步提高Cache的命中率。例如，分支預(yù)測技術(shù)可以預(yù)測程序的分支走向，提前加載相應(yīng)的指令；數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)可以根據(jù)程序的訪存模式，提前加載相應(yīng)的數(shù)據(jù)。預(yù)取和預(yù)測技術(shù)通過采用多級Cache結(jié)構(gòu)，可以在不同級別上存儲(chǔ)不同訪問頻率的數(shù)據(jù)和指令，進(jìn)一步提高Cache的性能。例如，L1Cache用于存儲(chǔ)CPU最頻繁訪問的數(shù)據(jù)和指令；L2Cache用于存儲(chǔ)次頻繁訪問的數(shù)據(jù)和指令；L3Cache用于存儲(chǔ)更大范圍內(nèi)的共享數(shù)據(jù)和指令。多級Cache結(jié)構(gòu)優(yōu)化Cache性能策略分享PART06虛擬存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)探討虛擬存儲(chǔ)器是一種將內(nèi)存與外存統(tǒng)一管理的存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過硬件和軟件的結(jié)合，為用戶提供一個(gè)比實(shí)際物理內(nèi)存大得多的邏輯地址空間。虛擬存儲(chǔ)器可以解決內(nèi)存空間不足的問題，提高內(nèi)存利用率，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享和保護(hù)，以及簡化內(nèi)存管理等。虛擬存儲(chǔ)器概念及優(yōu)勢介紹虛擬存儲(chǔ)器優(yōu)勢虛擬存儲(chǔ)器定義虛擬地址空間劃分虛擬地址空間通常被劃分為用戶空間和內(nèi)核空間兩部分，其中用戶空間用于存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)，內(nèi)核空間用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)代碼和數(shù)據(jù)。虛擬地址映射虛擬地址通過頁表映射到物理地址，頁表由操作系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。內(nèi)存管理策略操作系統(tǒng)采用分段、分頁等內(nèi)存管理策略，實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器的有效管理。虛擬地址空間劃分和管理方法當(dāng)物理內(nèi)存空間不足時(shí)，操作系統(tǒng)需要將部分頁面置換到外存中，頁面置換算法決定了哪些頁面被置換出內(nèi)存。頁面置換算法