《計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)》課件

計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的核心部件之一，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。存儲(chǔ)系統(tǒng)可以分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成中央處理器(CPU)CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行指令，是計(jì)算機(jī)的大腦，控制整個(gè)系統(tǒng)。主存儲(chǔ)器(RAM)RAM是計(jì)算機(jī)工作時(shí)用于臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的空間，就像計(jì)算機(jī)的記憶，速度很快，但數(shù)據(jù)丟失。輔助存儲(chǔ)器硬盤等存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)長期保存數(shù)據(jù)，速度較慢，但數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。輸入/輸出設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等設(shè)備，負(fù)責(zé)與用戶交互和接收外部數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分類存儲(chǔ)系統(tǒng)可分為兩類：主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器主要用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，而輔助存儲(chǔ)器用于存放大量的程序和數(shù)據(jù)。按存儲(chǔ)方式分類存儲(chǔ)系統(tǒng)可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和順序存取存儲(chǔ)器（例如磁帶）。RAM可以隨機(jī)訪問任何存儲(chǔ)單元，而順序存取存儲(chǔ)器需要按順序訪問存儲(chǔ)單元。按讀寫方式分類存儲(chǔ)系統(tǒng)可分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）和讀寫存儲(chǔ)器（RAM）。ROM中的數(shù)據(jù)只能讀取不能寫入，而RAM可以讀寫數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)的基本單元：存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)單元是最基本的組成部分。它是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基本單位，可以存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位（bit）信息。地址每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)唯一的地址，以便計(jì)算機(jī)能夠快速地訪問和操作。存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)單元的容量通常以字節(jié)（byte）為單位，每個(gè)字節(jié)包含8個(gè)二進(jìn)制位。常見的存儲(chǔ)單元技術(shù)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)SRAM使用晶體管和電容器來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。SRAM速度快，但成本高，存儲(chǔ)容量有限。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)DRAM使用電容器來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。DRAM比SRAM速度慢，但成本低，存儲(chǔ)容量大。ROM：只讀存儲(chǔ)器11.永久存儲(chǔ)ROM中的信息在出廠后就固定下來了，無法輕易修改。22.存儲(chǔ)內(nèi)容ROM通常存儲(chǔ)一些固定的程序或數(shù)據(jù)，例如引導(dǎo)程序、系統(tǒng)參數(shù)等。33.常用類型常見的ROM類型包括PROM、EPROM和EEPROM。RAM：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器快速訪問RAM允許計(jì)算機(jī)直接訪問和修改數(shù)據(jù)，速度比磁盤快得多。臨時(shí)存儲(chǔ)RAM用作計(jì)算機(jī)的“工作區(qū)”，用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)算機(jī)關(guān)閉時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。多種類型RAM有多種類型，例如DDR4和DDR5，它們在速度和容量方面有所不同。主存儲(chǔ)器11.核心組件主存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。22.高速訪問主存儲(chǔ)器與CPU直接交互，提供快速的數(shù)據(jù)訪問速度，支持程序的高效運(yùn)行。33.易失性存儲(chǔ)主存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)在斷電后會(huì)丟失，因此需要輔助存儲(chǔ)器來保存持久數(shù)據(jù)。44.不同類型主存儲(chǔ)器主要包括RAM和ROM，它們在功能和特性上有所區(qū)別。緩存存儲(chǔ)器速度快緩存存儲(chǔ)器比主存儲(chǔ)器速度快得多，可以更快地訪問數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)性能。容量小由于速度快，緩存存儲(chǔ)器通常比主存儲(chǔ)器容量小，因?yàn)樗嘿F。層次結(jié)構(gòu)緩存存儲(chǔ)器通常被組織成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，包括L1、L2和L3緩存，每個(gè)級(jí)別都有不同的速度和容量。命中率緩存命中率是指數(shù)據(jù)在緩存中被找到的概率，它直接影響系統(tǒng)性能。輔助存儲(chǔ)器定義輔助存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于長期保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備。它通常與主存儲(chǔ)器相比容量更大、速度更慢、成本更低。輔助存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，以便在需要時(shí)加載到主存儲(chǔ)器中。類型常見的輔助存儲(chǔ)器類型包括硬盤、光盤、固態(tài)硬盤和磁帶。硬盤是最常用的輔助存儲(chǔ)器，它提供高容量和可靠性。光盤通常用于存儲(chǔ)備份數(shù)據(jù)或多媒體文件。固態(tài)硬盤速度更快、更輕便，但成本更高。磁帶則主要用于備份和存檔。磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中重要的組成部分，用于長期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。磁盤存儲(chǔ)設(shè)備通常由一個(gè)或多個(gè)磁盤組成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤的表面上。旋轉(zhuǎn)磁盤大多數(shù)磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)磁盤，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤的磁性表面上，通過磁頭讀取和寫入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)使用尋道機(jī)制和旋轉(zhuǎn)機(jī)制訪問數(shù)據(jù)。尋道機(jī)制用于將磁頭移動(dòng)到正確的磁道，旋轉(zhuǎn)機(jī)制用于將數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方。光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)CD-ROM緊湊型光盤只讀存儲(chǔ)器，讀取速度較慢，但成本低廉，適用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，如音樂、電影和軟件.DVD數(shù)字視頻光盤，存儲(chǔ)容量更大，讀取速度更快，廣泛應(yīng)用于視頻存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)備份.藍(lán)光光盤藍(lán)光光盤擁有更高的存儲(chǔ)密度和更快的讀取速度，適用于高清晰度視頻和大型游戲.可刻錄光盤CD-R和DVD-R允許用戶一次寫入數(shù)據(jù)，無法擦除或重寫，而CD-RW和DVD-RW則可以反復(fù)寫入和擦除數(shù)據(jù).固態(tài)硬盤閃存芯片使用閃存芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，沒有機(jī)械部件?？焖僮x寫讀寫速度比傳統(tǒng)硬盤快很多，提高系統(tǒng)性能。耐用性強(qiáng)抗震、抗沖擊，沒有移動(dòng)部件，壽命更長。低能耗功耗比傳統(tǒng)硬盤更低，減少設(shè)備發(fā)熱。存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能指標(biāo)指標(biāo)描述容量存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量速度存儲(chǔ)系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)的快慢可靠性存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠可靠地存儲(chǔ)和訪問數(shù)據(jù)成本存儲(chǔ)系統(tǒng)的購買和維護(hù)成本存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量、速度和可靠性容量存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量指的是它可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。容量大小通常以字節(jié)（Byte）為單位，常見的容量單位包括KB、MB、GB、TB等。存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量決定了它可以存儲(chǔ)多少數(shù)據(jù)，容量越大，可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)越多。容量是衡量存儲(chǔ)系統(tǒng)大小的重要指標(biāo)。速度存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度指的是它讀寫數(shù)據(jù)的速度。速度通常以數(shù)據(jù)傳輸率（DataTransferRate）來衡量，例如MB/s或GB/s。存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度決定了它可以多快地讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。速度越快，數(shù)據(jù)訪問速度越快，系統(tǒng)的性能越好?？煽啃源鎯?chǔ)系統(tǒng)的可靠性指的是它長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的能力?？煽啃酝ǔＳ肕TBF（MeanTimeBetweenFailures）來衡量，表示兩次故障之間的平均時(shí)間?？煽啃允谴鎯?chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)閿?shù)據(jù)丟失會(huì)導(dǎo)致巨大的損失。高可靠性的存儲(chǔ)系統(tǒng)可以保障數(shù)據(jù)安全，并減少系統(tǒng)維護(hù)成本。存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)層次化存儲(chǔ)將不同速度、成本和容量的存儲(chǔ)設(shè)備組合在一起，形成一個(gè)多級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。速度-成本權(quán)衡速度較快的存儲(chǔ)器成本較高，容量較小，反之亦然。數(shù)據(jù)訪問效率頻繁訪問的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在速度較快的存儲(chǔ)器中，以提高系統(tǒng)整體性能。常見層次結(jié)構(gòu)高速緩存主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器主存和輔助存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（RAM）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中速度最快、價(jià)格最貴的存儲(chǔ)器，用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，直接與CPU交互。輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器（例如硬盤）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中速度較慢、價(jià)格較低的存儲(chǔ)器，用于長期保存數(shù)據(jù)和程序，容量較大，可保存大量信息。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)11.擴(kuò)展主存虛擬存儲(chǔ)技術(shù)是一種擴(kuò)展主存容量的技術(shù)，可以訪問比物理內(nèi)存更大的地址空間。22.地址轉(zhuǎn)換虛擬存儲(chǔ)技術(shù)使用內(nèi)存管理單元（MMU）將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。33.頁面調(diào)入調(diào)出虛擬存儲(chǔ)技術(shù)將程序和數(shù)據(jù)分塊，在需要時(shí)將頁面從輔助存儲(chǔ)器加載到主內(nèi)存。44.提高程序執(zhí)行效率虛擬存儲(chǔ)技術(shù)允許運(yùn)行比物理內(nèi)存更大的程序，提高系統(tǒng)效率。頁式虛擬存儲(chǔ)11.頁式虛擬存儲(chǔ)將邏輯地址空間劃分成固定大小的頁，物理地址空間也劃分成同樣大小的頁框。程序運(yùn)行時(shí)，將需要的頁裝入內(nèi)存，不用的頁放在磁盤上，通過頁表進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。22.頁面大小頁面大小是固定值，通常為4KB或8KB，可以根據(jù)程序的大小和內(nèi)存容量進(jìn)行調(diào)整。33.頁表頁表存儲(chǔ)了邏輯地址到物理地址的映射關(guān)系，每個(gè)條目代表一個(gè)頁面。44.優(yōu)點(diǎn)提高了內(nèi)存利用率，允許運(yùn)行比物理內(nèi)存更大的程序，并減少了內(nèi)存碎片。段式虛擬存儲(chǔ)段式存儲(chǔ)管理將程序地址空間劃分為多個(gè)邏輯段。每個(gè)段可以是不同的長度。段表每個(gè)段在內(nèi)存中都有一個(gè)唯一的段號(hào)。段表中包含每個(gè)段的起始地址和長度。頁面置換算法1FIFO先進(jìn)入內(nèi)存的頁面先被換出2LRU最近最少使用頁面先被換出3OPT最優(yōu)頁面置換算法4CLOCK時(shí)鐘頁面置換算法頁面置換算法是虛擬存儲(chǔ)器中不可或缺的部分，它決定了哪些頁面要被換出內(nèi)存以騰出空間供新頁面進(jìn)入。常見的頁面置換算法有FIFO、LRU、OPT和CLOCK等，每種算法都有其特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體情況選擇合適的算法。頁面置換算法FIFO先進(jìn)先出算法，最簡單的置換算法LRU最近最少使用算法，根據(jù)頁面使用時(shí)間判斷OPT最佳置換算法，完美理論，實(shí)際無法實(shí)現(xiàn)磁盤存儲(chǔ)管理磁盤存儲(chǔ)管理系統(tǒng)磁盤存儲(chǔ)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理磁盤空間，并為用戶提供訪問磁盤數(shù)據(jù)的功能。文件分配表文件分配表(FAT)記錄每個(gè)文件占用磁盤塊的信息。索引分配方式索引分配方式使用索引塊來記錄每個(gè)文件占用磁盤塊的信息。文件分配表FAT文件系統(tǒng)文件分配表是磁盤上的一種文件系統(tǒng)，用于管理文件存儲(chǔ)位置。分配表它記錄著磁盤中每個(gè)存儲(chǔ)塊的使用情況，可以是已分配給文件，還是空閑的。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)FAT通常是一個(gè)線性表，每個(gè)條目代表一個(gè)存儲(chǔ)塊，記錄其狀態(tài)和所屬文件。文件訪問操作系統(tǒng)通過FAT查找文件存儲(chǔ)塊，從而訪問文件內(nèi)容。索引分配方式索引分配方式索引分配方式使用索引表記錄文件在磁盤上的存儲(chǔ)位置。每個(gè)文件都有一個(gè)索引表，記錄每個(gè)文件塊在磁盤上的地址。索引表可以存儲(chǔ)在主存中，也可以存儲(chǔ)在磁盤上，方便快速訪問。日志文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)寫入和更新日志文件系統(tǒng)將所有數(shù)據(jù)變更記錄在日志文件中，即使操作失敗也能恢復(fù)?；謴?fù)操作通過回滾日志文件，系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)恢復(fù)到任何一個(gè)操作點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)一致性和完整性。提高性能日志文件系統(tǒng)可以并行處理多個(gè)操作，提升系統(tǒng)性能。RAID技術(shù)1冗余陣列RAID，即獨(dú)立磁盤冗余陣列，通過將多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器組合成一個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)器來提高可靠性和性能。2數(shù)據(jù)冗余RAID使用各種數(shù)據(jù)冗余技術(shù)來保護(hù)數(shù)據(jù)，即使一個(gè)磁盤發(fā)生故障，也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。3性能提升通過數(shù)據(jù)條帶化和并行訪問，RAID可以顯著提高磁盤子系統(tǒng)的吞吐量和讀寫速度。4類型不同的RAID級(jí)別提供了不同的數(shù)據(jù)冗余和性能權(quán)衡，根據(jù)具體需求選擇合適的RAID級(jí)別。磁盤陣列系統(tǒng)提高存儲(chǔ)性能通過數(shù)據(jù)并行訪問和負(fù)載均衡，磁盤陣列提高了數(shù)據(jù)讀取和寫入速度。增強(qiáng)數(shù)據(jù)可靠性冗余技術(shù)保證即使部分磁盤失效，數(shù)據(jù)也能