操作系統(tǒng)第四章課件-第四章存儲器

第四章存儲器本章將深入探討計算機系統(tǒng)的核心組件之一：存儲器。我們將了解存儲器的基本概念、類型、工作原理以及在計算機系統(tǒng)中的重要作用。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，您將能夠更好地理解計算機系統(tǒng)如何存儲和訪問數(shù)據(jù)。老魏by老師魏4.1存儲器的層次結(jié)構(gòu)寄存器寄存器是CPU內(nèi)部的高速存儲單元，用來保存正在執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)。它們速度最快，容量最小，通常用于存儲CPU的通用寄存器、程序計數(shù)器、狀態(tài)寄存器等。高速緩存高速緩存（Cache）是位于主存儲器與CPU之間的小容量高速存儲器。它的速度比主存儲器快，但容量比主存儲器小。緩存用于存放最近被訪問的內(nèi)存數(shù)據(jù)，以提高CPU的訪問速度。主存儲器主存儲器（RAM）是計算機系統(tǒng)中直接與CPU交換數(shù)據(jù)的存儲器。它比高速緩存容量更大，但速度比高速緩存慢。主存儲器用于存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)，供CPU隨時訪問。輔助存儲器輔助存儲器（SecondaryStorage）是容量大、速度慢的存儲器，用于長期保存數(shù)據(jù)。它包括硬盤、光盤、U盤等。輔助存儲器用于存儲系統(tǒng)文件、應(yīng)用程序、用戶數(shù)據(jù)等，當(dāng)CPU需要訪問時，需要先將其中的數(shù)據(jù)加載到主存儲器中。4.1.1寄存器寄存器是CPU內(nèi)部的高速存儲單元，用于保存CPU正在處理的數(shù)據(jù)和指令。寄存器速度最快，容量最小，直接與CPU相連，能夠直接被CPU訪問。寄存器數(shù)量有限，通常用于保存最常用的數(shù)據(jù)和指令，以加快CPU的運算速度。寄存器是CPU內(nèi)部最快的存儲器，也是最昂貴的存儲器。1寄存器CPU內(nèi)部2高速緩存CPU外部3主存儲器CPU外部4輔助存儲器CPU外部存儲器的層次結(jié)構(gòu)從速度、容量、成本三個方面進行劃分，寄存器位于最頂層，速度最快、容量最小、成本最高，而輔助存儲器位于最底層，速度最慢、容量最大、成本最低。4.1.2高速緩存1高速緩存的概念高速緩存，簡稱Cache，是位于CPU和主內(nèi)存之間的一種高速存儲器。它用來保存經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)，以提高CPU訪問數(shù)據(jù)的速度。當(dāng)CPU需要訪問數(shù)據(jù)時，首先會查看高速緩存，如果數(shù)據(jù)存在于高速緩存中，則直接從高速緩存中讀取，速度很快；如果數(shù)據(jù)不存在于高速緩存中，則需要從主內(nèi)存中讀取，速度較慢。2高速緩存的工作原理高速緩存的工作原理是基于局部性原理。局部性原理是指程序在執(zhí)行時，經(jīng)常會訪問到同一區(qū)域的數(shù)據(jù)或指令。高速緩存利用這一原理，將最近訪問的數(shù)據(jù)或指令存儲在高速緩存中，以便下次訪問時直接從高速緩存中讀取。3高速緩存的分類高速緩存可以分為一級緩存（L1Cache）、二級緩存（L2Cache）和三級緩存（L3Cache）。一級緩存是最靠近CPU的，速度最快，容量最??；二級緩存位于一級緩存和主內(nèi)存之間，速度較慢，容量較大；三級緩存位于二級緩存和主內(nèi)存之間，速度最慢，容量最大。4.1.3主存儲器1定義主存儲器是計算機系統(tǒng)中直接與CPU交換數(shù)據(jù)的存儲器。2特點速度快、成本高、容量小，用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。3類型包括DRAM和SRAM兩種類型，分別對應(yīng)不同的存儲技術(shù)。主存儲器是計算機系統(tǒng)中最為重要的部件之一，它直接影響著計算機的運行速度和效率。主存儲器作為CPU的直接工作空間，其速度和容量直接決定著計算機的性能。4.1.4輔助存儲器輔助存儲器也稱為外存儲器或次級存儲器。它用于存儲大量數(shù)據(jù)，而且可以長期保存。輔助存儲器通常比主存儲器速度慢，但成本更低，容量更大。1磁性存儲器磁性存儲器使用磁性材料來存儲數(shù)據(jù)，例如硬盤驅(qū)動器和磁帶驅(qū)動器。2光學(xué)存儲器光學(xué)存儲器使用光束來讀取和寫入數(shù)據(jù)，例如光盤和藍光光盤。3固態(tài)存儲器固態(tài)存儲器使用閃存芯片來存儲數(shù)據(jù)，例如固態(tài)硬盤（SSD）和USB閃存盤。輔助存儲器是計算機系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它允許用戶存儲大量數(shù)據(jù)，并提供長期保存的功能。4.2主存儲器主存儲器的作用主存儲器是計算機系統(tǒng)中存放程序和數(shù)據(jù)的核心部件。程序執(zhí)行前需要先加載到主存儲器中，CPU才能直接訪問并執(zhí)行程序。主存儲器也是CPU與外設(shè)之間進行數(shù)據(jù)交換的橋梁。主存儲器的分類主存儲器主要分為RAM（隨機存取存儲器）和ROM（只讀存儲器）。RAM是可讀寫的，通常用于存放程序和數(shù)據(jù)。ROM是只讀的，通常用于存放系統(tǒng)引導(dǎo)程序或BIOS，在系統(tǒng)啟動時發(fā)揮重要作用。主存儲器的性能指標(biāo)衡量主存儲器性能的主要指標(biāo)包括存儲容量、訪問速度、數(shù)據(jù)帶寬等。存儲容量是指主存儲器所能存放數(shù)據(jù)的總量。訪問速度是指CPU從主存儲器中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)所需的時間。數(shù)據(jù)帶寬是指單位時間內(nèi)主存儲器能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。4.2.1主存儲器的作用主存儲器是計算機系統(tǒng)中最重要的存儲器，它直接與CPU交互，用于存放當(dāng)前正在運行的程序和數(shù)據(jù)。1程序執(zhí)行程序指令和數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)處理運算、邏輯操作3數(shù)據(jù)存儲臨時存儲中間結(jié)果主存儲器的速度和容量直接影響著計算機系統(tǒng)的性能，它是計算機正常運行的基礎(chǔ)。4.2.2主存儲器的分類1隨機存取存儲器(RAM)RAM是最常用的主存儲器類型。它是一種易失性存儲器，這意味著當(dāng)電源關(guān)閉時，數(shù)據(jù)將丟失。RAM通常由DRAM或SRAM構(gòu)成。2只讀存儲器(ROM)ROM是一種非易失性存儲器，這意味著數(shù)據(jù)即使在電源關(guān)閉后也能保留。ROM通常用于存儲引導(dǎo)程序和其他系統(tǒng)軟件。3閃存(FlashMemory)閃存是一種非易失性存儲器，它結(jié)合了RAM和ROM的優(yōu)點。它比ROM更快，比RAM更持久。4.2.3主存儲器的性能指標(biāo)1容量存儲器中能夠容納的信息量2速度存儲器存取信息的快慢程度3價格存儲器成本與容量之間的比值主存儲器的性能指標(biāo)主要包括容量、速度和價格。容量是指存儲器中能夠容納的信息量，通常用字節(jié)數(shù)表示。速度是指存儲器存取信息的快慢程度，通常用存取時間表示。價格是指存儲器成本與容量之間的比值，通常用每字節(jié)的成本表示。這三個指標(biāo)之間存在著相互制約的關(guān)系。例如，容量越大，速度越慢，價格越貴；速度越快，容量越小，價格越貴。因此，在選擇主存儲器時，需要根據(jù)實際應(yīng)用需求，綜合考慮這三個指標(biāo)。4.3輔助存儲器輔助存儲器，也稱為外存，是指計算機系統(tǒng)中用來存儲大量數(shù)據(jù)的設(shè)備。1磁性存儲設(shè)備磁盤、磁帶2光學(xué)存儲設(shè)備光盤、藍光盤3固態(tài)存儲設(shè)備閃存、SSD輔助存儲器的特點是容量大、價格低，但存取速度慢。與主存儲器相比，它更適合用于長期保存數(shù)據(jù)，而不是頻繁訪問的數(shù)據(jù)。輔助存儲器通常與主存儲器配合使用，將主存儲器中暫時不需要的數(shù)據(jù)存放到輔助存儲器中，以便騰出主存儲器的空間。4.3.1磁性存儲設(shè)備磁帶磁帶是一種線性存儲設(shè)備。數(shù)據(jù)存儲在磁帶上的磁性材料中。它通常用于備份和歸檔。磁帶存儲成本低廉，容量大，但訪問速度慢。磁盤磁盤是一種圓形存儲設(shè)備。數(shù)據(jù)存儲在磁盤上的磁性材料中。它通常用于操作系統(tǒng)、程序和數(shù)據(jù)存儲。磁盤存儲速度快，容量大，但成本比磁帶高。軟盤軟盤是一種小型可移動存儲設(shè)備。它最初用于數(shù)據(jù)存儲和程序分發(fā)，但現(xiàn)在已經(jīng)被閃存驅(qū)動器取代。4.3.2光學(xué)存儲設(shè)備1CD-ROMCD-ROM是只讀光盤，只能讀取數(shù)據(jù)，不能寫入數(shù)據(jù)。CD-ROM的存儲容量較大，價格較低，通常用于存儲軟件、游戲、音樂等。2CD-RCD-R是可記錄光盤，只能寫入數(shù)據(jù)一次，然后就可以多次讀取數(shù)據(jù)。CD-R的存儲容量較大，價格較低，通常用于備份數(shù)據(jù)、存儲照片、音樂等。3CD-RWCD-RW是可擦寫光盤，可以多次寫入數(shù)據(jù)和擦除數(shù)據(jù)。CD-RW的存儲容量較大，價格較低，通常用于存儲數(shù)據(jù)、備份數(shù)據(jù)、制作光盤等。4DVD-ROMDVD-ROM是只讀光盤，只能讀取數(shù)據(jù)，不能寫入數(shù)據(jù)。DVD-ROM的存儲容量更大，價格較低，通常用于存儲電影、游戲、軟件等。5DVD-R/DVD-RWDVD-R/DVD-RW是可記錄/可擦寫光盤，與CD-R/CD-RW的功能類似，但存儲容量更大。6藍光光盤藍光光盤的存儲容量更大，數(shù)據(jù)傳輸速度更快，通常用于存儲高清晰度電影、游戲、軟件等。4.3.3固態(tài)存儲設(shè)備固態(tài)存儲設(shè)備（SSD）是現(xiàn)代計算機中使用最廣泛的存儲器之一。與傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器（HDD）相比，SSD具有更高的速度、更低的功耗以及更長的使用壽命。SSD的核心部件是閃存芯片，這種芯片能以電子方式存儲數(shù)據(jù)，而不是使用機械部件來存儲。1速度更快讀取和寫入速度比傳統(tǒng)硬盤快得多2功耗更低由于沒有機械部件，SSD的功耗比硬盤低3壽命更長閃存芯片具有更高的耐用性4更輕更小體積更小，便于攜帶SSD的優(yōu)勢使其成為各種設(shè)備的理想選擇，包括筆記本電腦、臺式機、服務(wù)器以及移動設(shè)備。4.4存儲器的層次管理1存儲器層次結(jié)構(gòu)存儲器層次結(jié)構(gòu)是為了提高系統(tǒng)性能而設(shè)計的。它將速度、成本和容量不同的存儲器組合在一起，形成一個分層結(jié)構(gòu)，使速度快的存儲器用于存放經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，而速度慢、容量大的存儲器用于存放不常訪問的數(shù)據(jù)。2存儲器管理策略存儲器管理策略是用于管理存儲器層次結(jié)構(gòu)的策略，例如緩存替換策略和頁面置換算法，目的是優(yōu)化數(shù)據(jù)在不同層次存儲器之間的移動，提高系統(tǒng)性能。3高速緩存一致性高速緩存一致性是指在多處理器系統(tǒng)中，多個處理器可能同時訪問同一塊數(shù)據(jù)，因此需要確保每個處理器所看到的都是一致的數(shù)據(jù)，這需要通過一些硬件和軟件機制來實現(xiàn)。4.4.1存儲器層次結(jié)構(gòu)1寄存器CPU內(nèi)部，速度最快2高速緩存介于寄存器和主存之間3主存儲器直接與CPU交換數(shù)據(jù)4輔助存儲器容量大、速度慢，長期保存存儲器層次結(jié)構(gòu)是一種分層存儲系統(tǒng)，將不同速度、容量和成本的存儲設(shè)備組合在一起，以提高整體系統(tǒng)性能。層次結(jié)構(gòu)的每個級別都比上一級速度快、成本高、容量小。數(shù)據(jù)通常從最底層的輔助存儲器移動到最頂層的寄存器，以便CPU訪問。4.4.2存儲器管理策略最佳適應(yīng)算法最佳適應(yīng)算法選擇最小的可用分區(qū)來滿足內(nèi)存請求。這種算法可以最大限度地利用內(nèi)存空間，但可能會導(dǎo)致內(nèi)存碎片問題。最差適應(yīng)算法最差適應(yīng)算法選擇最大的可用分區(qū)來滿足內(nèi)存請求。這種算法可以減少內(nèi)存碎片，但可能會導(dǎo)致內(nèi)存浪費。首次適應(yīng)算法首次適應(yīng)算法選擇第一個能夠滿足內(nèi)存請求的可用分區(qū)。這種算法簡單易行，但可能會導(dǎo)致內(nèi)存碎片問題?；锇橄到y(tǒng)伙伴系統(tǒng)將內(nèi)存劃分為大小為2的冪的塊。這種算法可以有效地管理內(nèi)存空間，但需要一定的內(nèi)存開銷。4.5虛擬存儲器虛擬存儲器是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它使用硬盤空間作為額外的存儲空間，以擴展主存儲器的容量。虛擬存儲器允許程序使用比實際物理內(nèi)存更多的內(nèi)存，并且可以運行比物理內(nèi)存容量更大的程序。1概念將主存儲器與輔存儲器結(jié)合起來，擴展主存儲器的容量，并對用戶提供更大的存儲空間。2地址轉(zhuǎn)換將程序邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，允許程序訪問超出主存儲器實際容量的空間。3頁面置換當(dāng)需要使用新的頁面時，會選擇一個舊的頁面進行替換，以確保有效利用主存儲器空間。虛擬存儲器技術(shù)提高了系統(tǒng)效率，并允許運行更大型、更復(fù)雜的應(yīng)用程序。然而，虛擬存儲器也會帶來一些性能開銷，例如地址轉(zhuǎn)換和頁面置換操作。4.5.1虛擬存儲器的概念內(nèi)存空間不足當(dāng)程序運行所需內(nèi)存大于物理內(nèi)存時，就會出現(xiàn)內(nèi)存空間不足的問題，導(dǎo)致程序無法正常運行。虛擬存儲器虛擬存儲器是一種技術(shù)，它將一部分硬盤空間虛擬為內(nèi)存空間，從而擴大可用內(nèi)存，解決內(nèi)存不足的問題。虛擬地址虛擬存儲器使用虛擬地址來訪問內(nèi)存，這些地址對應(yīng)于實際物理內(nèi)存的地址。地址映射虛擬地址需要通過地址映射機制轉(zhuǎn)換為物理地址，才能訪問實際物理內(nèi)存。4.5.2頁式虛擬存儲器1頁式虛擬存儲器的工作原理頁式虛擬存儲器將邏輯地址空間劃分為固定大小的頁，物理地址空間也劃分為同樣大小的頁框。程序執(zhí)行時，將頁裝入內(nèi)存的頁框中，并建立頁表以記錄頁與頁框的對應(yīng)關(guān)系。2頁表的建立與使用頁表用于映射邏輯地址到物理地址，并記錄頁的訪問權(quán)限等信息。操作系統(tǒng)負責(zé)管理頁表，并在程序執(zhí)行過程中根據(jù)需要進行頁表更新。3頁式虛擬存儲器的優(yōu)點頁式虛擬存儲器具有以下優(yōu)點：內(nèi)存利用率高、地址轉(zhuǎn)換速度快、程序可移植性強、內(nèi)存保護功能強。4.5.3段式虛擬存儲器段式虛擬存儲器是一種將程序地址空間劃分為多個固定大小的段，每個段有獨立的地址空間，并分配給不同的物理內(nèi)存區(qū)域的虛擬存儲器管理方式。段式虛擬存儲器使得程序可以跨越多個物理內(nèi)存區(qū)域，并通過頁表進行地址轉(zhuǎn)換，將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。4.5.4段頁式虛擬存儲器段頁式虛擬存儲器是一種將虛擬地址空間劃分為段和頁面的內(nèi)存管理方案。1段邏輯地址空間被劃分成邏輯上連續(xù)的段。2頁每個段被進一步劃分為固定大小的頁。3物理地址頁被映射到物理內(nèi)存中的連續(xù)頁面。段頁式存儲器結(jié)合了段式存儲器的邏輯地址空間組織方式和頁式存儲器的高效內(nèi)存管理方法，提供了更靈活的內(nèi)存管理方式。4.5.5頁面置換算法頁面置換算法是虛擬存儲器中重要的組成部分，用于決定哪一頁從內(nèi)存中被換出。常用的頁面置換算法有:1最佳置換算法(OPT)理想算法，但無法實現(xiàn)2先進先出算法(FIFO)最早進入內(nèi)存的頁面被換出3最近最少使用算法(LRU)最長時間未被訪問的頁面被換出4時鐘算法結(jié)合了FIFO和LRU的優(yōu)點不同的頁面置換算法具有不同的性能特點，影響著內(nèi)存利用率和程序運行速度。選擇合適的頁面置換算法可以提高系統(tǒng)性能。4.6存儲器管理內(nèi)存分配操作系統(tǒng)將內(nèi)存分配給不同的進程和線程。分配策略包括固定分區(qū)、可變分區(qū)和分頁。內(nèi)存回收當(dāng)進程結(jié)束時，操作系統(tǒng)需要回收它使用的內(nèi)存?；厥詹呗园ㄊ状芜m應(yīng)、最佳適應(yīng)和最差適應(yīng)。內(nèi)存保護操作系統(tǒng)需要保護每個進程的內(nèi)存空間。內(nèi)存保護機制包括硬件和軟件兩種。內(nèi)存共享操作系統(tǒng)允許不同的進程共享內(nèi)存空間。共享機制包括共享內(nèi)存和消息傳遞。4.6.1內(nèi)存分配1固定分區(qū)分配將內(nèi)存空間劃分為固定大小的區(qū)域，每個程序占用一個分區(qū)。簡單易實現(xiàn)，但容易造成內(nèi)存碎片。2可變分區(qū)分配根據(jù)程序大小動態(tài)分配內(nèi)存空間，充分利用內(nèi)存，但會增加內(nèi)存管理開銷。3伙伴系統(tǒng)將內(nèi)存空間劃分為不同大小的塊，并使用二叉樹來