計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(jì)(10存儲(chǔ)器)

計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(jì)10存儲(chǔ)器目錄存儲(chǔ)器概述主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器Cache存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器與CPU的交互01存儲(chǔ)器概述定義存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。分類按存儲(chǔ)介質(zhì)可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、光表面存儲(chǔ)器等；按存取方式可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、順序存取存儲(chǔ)器（SAM）和直接存取存儲(chǔ)器（DAM）等。存儲(chǔ)器的定義與分類存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)指存儲(chǔ)器可以容納的二進(jìn)制信息量，通常用字節(jié)數(shù)表示。指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間，分為讀出時(shí)間和寫入時(shí)間。指存儲(chǔ)器在正常工作條件下，能正確、完整地存儲(chǔ)和讀出信息的能力。指存儲(chǔ)器的性能與成本之比，是評價(jià)存儲(chǔ)器經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。存儲(chǔ)容量存取時(shí)間可靠性性能價(jià)格比主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器緩沖存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)直接與CPU相連，存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，速度快但容量有限。位于主存儲(chǔ)器和CPU之間，用于緩解主存儲(chǔ)器與CPU之間速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。作為主存儲(chǔ)器的后援設(shè)備，用于存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)，容量大但速度較慢。用于存放微程序或控制字等信息，控制計(jì)算機(jī)的操作。02主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器由多個(gè)存儲(chǔ)體組成，每個(gè)存儲(chǔ)體包含大量的存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令。存儲(chǔ)體地址譯碼器負(fù)責(zé)將CPU發(fā)出的地址信號翻譯成對應(yīng)存儲(chǔ)體的選擇信號和存儲(chǔ)單元的選擇信號。地址譯碼器數(shù)據(jù)寄存器用于暫存從存儲(chǔ)體中讀出的數(shù)據(jù)或?qū)懭氪鎯?chǔ)體的數(shù)據(jù)，以便與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)寄存器控制邏輯負(fù)責(zé)接收CPU發(fā)出的控制信號，并根據(jù)控制信號的要求控制主存儲(chǔ)器的讀寫操作。控制邏輯主存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)讀操作當(dāng)CPU需要從主存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它首先發(fā)出地址信號和控制信號。地址信號經(jīng)過地址譯碼器譯碼后，選擇對應(yīng)的存儲(chǔ)體和存儲(chǔ)單元。然后，控制邏輯根據(jù)控制信號的要求，從選定的存儲(chǔ)單元中讀出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)寄存器中暫存。最后，數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)被送到CPU中。要點(diǎn)一要點(diǎn)二寫操作當(dāng)CPU需要將數(shù)據(jù)寫入主存儲(chǔ)器時(shí)，它同樣發(fā)出地址信號和控制信號。地址信號經(jīng)過地址譯碼器譯碼后，選擇對應(yīng)的存儲(chǔ)體和存儲(chǔ)單元。然后，控制邏輯根據(jù)控制信號的要求，將數(shù)據(jù)從CPU寫入到選定的存儲(chǔ)單元中。主存儲(chǔ)器的讀寫操作高速緩存（Cache）高速緩存是一種位于CPU和主存儲(chǔ)器之間的快速存儲(chǔ)器，用于存放CPU最近訪問過的數(shù)據(jù)和指令。通過高速緩存技術(shù)，可以縮短CPU訪問主存儲(chǔ)器的等待時(shí)間，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器是一種將主存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器結(jié)合起來使用的技術(shù)，使得應(yīng)用程序可以像訪問主存儲(chǔ)器一樣訪問外存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。通過虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)，可以擴(kuò)大主存儲(chǔ)器的容量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。多級存儲(chǔ)體系多級存儲(chǔ)體系是指將不同速度和容量的存儲(chǔ)器按照層次結(jié)構(gòu)組織起來，使得CPU可以高效地訪問不同層次的存儲(chǔ)器。通過多級存儲(chǔ)體系技術(shù)，可以平衡存儲(chǔ)器的速度和容量之間的矛盾，提高系統(tǒng)的整體性能。主存儲(chǔ)器的優(yōu)化技術(shù)03輔助存儲(chǔ)器03光盤一種光存儲(chǔ)設(shè)備，使用激光技術(shù)來讀寫數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)容量大、價(jià)格適中，但讀寫速度相對較慢。01磁帶一種順序存取設(shè)備，存儲(chǔ)容量大、價(jià)格低廉，但存取速度較慢。02磁盤一種直接存取設(shè)備，存取速度較快、存儲(chǔ)容量大，可分為硬盤和軟盤兩種。輔助存儲(chǔ)器的類型與特點(diǎn)通過磁帶機(jī)將數(shù)據(jù)以順序的方式寫入磁帶，讀取時(shí)也需要按照順序進(jìn)行讀取。磁帶的讀寫操作磁盤的讀寫操作光盤的讀寫操作通過磁盤驅(qū)動(dòng)器將數(shù)據(jù)以扇區(qū)為單位寫入磁盤，讀取時(shí)可以直接定位到任意扇區(qū)進(jìn)行讀取。通過光盤驅(qū)動(dòng)器將數(shù)據(jù)以光道為單位寫入光盤，讀取時(shí)需要使用激光技術(shù)來讀取數(shù)據(jù)。030201輔助存儲(chǔ)器的讀寫操作通過采用更先進(jìn)的制造技術(shù)、使用更高密度的存儲(chǔ)介質(zhì)等方式來提高存儲(chǔ)容量。提高存儲(chǔ)容量通過采用更高速的接口技術(shù)、優(yōu)化讀寫算法等方式來提高讀寫速度。提高讀寫速度通過采用更穩(wěn)定的材料、加強(qiáng)錯(cuò)誤檢測和糾正能力等方式來提高可靠性。提高可靠性通過采用更低功耗的芯片設(shè)計(jì)、優(yōu)化制造工藝等方式來降低功耗和成本。降低功耗和成本輔助存儲(chǔ)器的性能提升04Cache存儲(chǔ)器原理Cache存儲(chǔ)器位于CPU與主存之間，利用局部性原理，存放CPU近期可能用到的少量數(shù)據(jù)和指令，減少CPU對主存的直接訪問，從而提高程序的執(zhí)行速度。結(jié)構(gòu)Cache通常由高速的SRAM組成，其容量遠(yuǎn)小于主存，但速度接近CPU。Cache被劃分為多個(gè)塊（或稱為行），每個(gè)塊包含數(shù)據(jù)部分和標(biāo)記部分。標(biāo)記部分用于存儲(chǔ)該塊數(shù)據(jù)的地址信息，以便CPU能夠準(zhǔn)確找到所需數(shù)據(jù)。Cache存儲(chǔ)器的原理與結(jié)構(gòu)寫回法（Write-Back）當(dāng)CPU對Cache中的某個(gè)塊進(jìn)行寫操作時(shí)，只修改Cache中的內(nèi)容，而不立即寫入主存。只有當(dāng)該塊被替換出Cache時(shí)，才將其寫回主存。這種方法減少了不必要的寫主存操作，提高了效率。寫直達(dá)法（Write-Through）當(dāng)CPU對Cache中的某個(gè)塊進(jìn)行寫操作時(shí)，不僅修改Cache中的內(nèi)容，同時(shí)也將該數(shù)據(jù)寫入主存。這種方法保證了主存中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，但增加了寫主存的次數(shù)。寫一次法（Write-Once）結(jié)合寫回法和寫直達(dá)法的特點(diǎn)，第一次寫操作時(shí)使用寫直達(dá)法，后續(xù)寫操作使用寫回法。這種方法試圖在減少寫主存次數(shù)和保證數(shù)據(jù)一致性之間找到平衡。Cache存儲(chǔ)器的讀寫策略Cache存儲(chǔ)器的性能優(yōu)化替換算法優(yōu)化：采用更合理的替換算法，如最近最少使用（LRU）算法、最不經(jīng)常使用（LFU）算法等，以提高Cache的命中率。多級Cache設(shè)計(jì)：通過設(shè)置多級Cache，使得不同級別的Cache分別處理不同粒度和訪問頻率的數(shù)據(jù)和指令，進(jìn)一步提高Cache的效率。預(yù)取技術(shù)：通過分析程序的訪問模式，預(yù)測CPU未來可能訪問的數(shù)據(jù)和指令，并提前將其加載到Cache中，從而提高Cache的命中率。容量和速度權(quán)衡：在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)Cache時(shí)，需要權(quán)衡其容量和速度的關(guān)系。過大的Cache容量可能導(dǎo)致訪問延遲增加，而過小的容量則可能降低命中率。因此，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景和需求選擇合適的Cache容量和速度。05虛擬存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)方式虛擬存儲(chǔ)器通過內(nèi)存管理單元（MMU）和頁表或段表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)地址映射，將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。關(guān)鍵技術(shù)包括分頁、分段、段頁式管理等，以及請求調(diào)頁、頁面置換等策略。虛擬存儲(chǔ)器的定義虛擬存儲(chǔ)器是一種抽象層，使得應(yīng)用程序認(rèn)為它們擁有連續(xù)可用的內(nèi)存空間，而實(shí)際上物理內(nèi)存可能是分散且不連續(xù)的。虛擬存儲(chǔ)器的概念與實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配策略01根據(jù)進(jìn)程大小、優(yōu)先級等因素為進(jìn)程分配內(nèi)存空間，如固定分區(qū)、動(dòng)態(tài)分區(qū)、伙伴系統(tǒng)等。頁面置換算法02當(dāng)內(nèi)存空間不足時(shí)，需要選擇某些頁面進(jìn)行置換，常見的置換算法有先進(jìn)先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）、最佳（OPT）等。請求調(diào)頁策略03根據(jù)頁面訪問情況，預(yù)測未來可能訪問的頁面，提前將其調(diào)入內(nèi)存，以減少頁面置換的開銷。虛擬存儲(chǔ)器的管理策略命中率表示訪問頁面時(shí)，所需頁面已在內(nèi)存中的比例；缺頁率則表示需要訪問的頁面不在內(nèi)存中，需要進(jìn)行頁面置換的比例。命中率與缺頁率頁面置換涉及到磁盤I/O操作，因此會(huì)帶來一定的時(shí)間開銷。減少頁面置換次數(shù)和提高磁盤I/O效率是提高虛擬存儲(chǔ)器性能的關(guān)鍵。頁面置換開銷工作集是指進(jìn)程在一段時(shí)間內(nèi)訪問的頁面集合。通過合理調(diào)整工作集大小，可以平衡內(nèi)存使用率和缺頁率，提高系統(tǒng)性能。工作集模型虛擬存儲(chǔ)器的性能分析06存儲(chǔ)器與CPU的交互總線連接通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接CPU和存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行。直接連接將存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)端口直接與CPU的數(shù)據(jù)端口相連，通過讀寫信號控制數(shù)據(jù)傳輸。間接連接通過I/O接口芯片連接CPU和存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作。存儲(chǔ)器與CPU的連接方式123數(shù)據(jù)在多個(gè)并行通道上同時(shí)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。并行傳輸數(shù)據(jù)在單個(gè)通道上按位順序傳輸，適用于遠(yuǎn)距離通信。串行傳輸直接內(nèi)存訪問（DMA）控制器接管總線控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與CPU之間的直接數(shù)據(jù)傳輸，降低CPU負(fù)擔(dān)。DMA傳輸存儲(chǔ)器與CPU的數(shù)據(jù)傳輸方式指令預(yù)取