《計算機內(nèi)部存儲器》課件

計算機內(nèi)部存儲器計算機的內(nèi)部存儲器是用于存放數(shù)據(jù)的核心組件，它直接影響計算機的運行效率和性能。計算機存儲器概述存儲器的定義計算機存儲器是計算機系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)和程序的設備，是計算機的重要組成部分。存儲器的作用存儲器用來保存程序和數(shù)據(jù)，并提供給中央處理器（CPU）使用，從而實現(xiàn)計算機的各種功能。存儲器的層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)存儲器系統(tǒng)被組織成一個分層的結(jié)構(gòu)，每個層級都具有不同的速度、成本和容量。速度和成本速度越快的層級通常更昂貴，容量也更小。速度較慢的層級通常更便宜，容量也更大。數(shù)據(jù)流動數(shù)據(jù)通常在層次結(jié)構(gòu)之間流動，從速度更快、成本更高的層級移動到速度更慢、成本更低的層級。主存儲器11.中央處理器直接與CPU交互，存儲指令和數(shù)據(jù)，供CPU讀取和寫入。22.臨時存儲存儲CPU當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，內(nèi)存速度快，容量較小。33.存儲單元每個存儲單元都有唯一的地址，CPU通過地址訪問數(shù)據(jù)。44.易失性電源關閉后，存儲的數(shù)據(jù)會丟失，需要定期保存到硬盤。主存儲器分類隨機存取存儲器(RAM)用于存儲正在運行的程序和數(shù)據(jù)，可以快速隨機訪問任何位置。只讀存儲器(ROM)存儲系統(tǒng)啟動所需程序和數(shù)據(jù)，內(nèi)容無法修改，只能讀取。高速緩存(Cache)作為主存儲器與CPU之間的緩沖，提高數(shù)據(jù)訪問速度。隨機存取存儲器隨機存取能夠直接訪問任何一個存儲單元，存取時間與存儲單元的物理位置無關。易失性斷電后數(shù)據(jù)會丟失，需要定期保存到非易失性存儲器。主要用途存放當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，支持計算機快速運行。關鍵技術主要分為動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）。動態(tài)隨機存取存儲器11.動態(tài)存儲動態(tài)RAM使用電容存儲數(shù)據(jù)。22.刷新操作數(shù)據(jù)會隨著時間的推移逐漸消失，需要定期刷新。33.結(jié)構(gòu)簡單成本較低，功耗也相對較低。44.應用廣泛由于價格低廉，廣泛應用于主存儲器。靜態(tài)隨機存取存儲器速度快SRAM訪問速度快于DRAM，通常用于高速緩存(cache)中。成本高SRAM的結(jié)構(gòu)復雜，需要更多的晶體管，因此成本更高。功耗低SRAM的功耗比DRAM低，在嵌入式系統(tǒng)和移動設備中廣泛使用。只讀存儲器只讀存儲器（ROM）ROM的數(shù)據(jù)在制造時寫入，無法更改。ROM數(shù)據(jù)保存到芯片上，即使斷電也不會丟失。用途ROM常用于存儲固件，例如啟動程序，硬件配置參數(shù)。輔助存儲器磁盤存儲器磁盤存儲器使用磁性介質(zhì)記錄數(shù)據(jù)，它是一種常見的輔助存儲器。磁性介質(zhì)以磁盤的形式出現(xiàn)，例如硬盤和軟盤。光盤存儲器光盤存儲器利用激光在光盤表面刻錄數(shù)據(jù)，常用的光盤類型包括CD、DVD和藍光光盤。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（SSD）使用閃存芯片存儲數(shù)據(jù)，沒有機械部件，因此訪問速度快，功耗低。磁盤存儲器磁盤存儲器是一種常用的輔助存儲器，主要由磁性材料制成的盤片組成。信息記錄在磁盤表面上的磁性材料上，通過磁頭讀寫。磁盤存儲器價格低廉，容量大，可靠性高，易于備份和恢復，廣泛應用于計算機系統(tǒng)中，用于保存各種數(shù)據(jù)和程序。光盤存儲器光盤存儲器利用激光束讀取和寫入數(shù)據(jù)。常見的類型包括CD-ROM、DVD-ROM和藍光光盤。光盤存儲器具有容量大、成本低等優(yōu)點，但存取速度相對較慢。光盤存儲器可用于存儲大量數(shù)據(jù)，例如電影、音樂和軟件。它也是備份數(shù)據(jù)的理想選擇，因為光盤對環(huán)境變化具有較強的抵抗力。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤(SSD)是一種基于閃存的存儲設備，它使用閃存芯片來存儲數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器(HDD)相比，SSD具有更高的讀寫速度、更低的功耗和更高的耐用性。SSD通常被用作系統(tǒng)驅(qū)動器，因為它可以顯著提高計算機的啟動速度、應用程序加載速度和整體性能。存儲器的性能指標存儲器性能指標反映了存儲器性能的優(yōu)劣。存取時間是指CPU從存儲器中讀取或?qū)懭胍粋€數(shù)據(jù)所需的時間。帶寬是指存儲器每秒所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。容量是指存儲器所能存儲的數(shù)據(jù)量。功耗是指存儲器工作時消耗的能量。存儲器存取方式單字節(jié)存取一次訪問一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，是常見的存儲器存取方式。雙字存取一次訪問兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，用于提高數(shù)據(jù)傳輸效率。突發(fā)存取連續(xù)訪問多個字節(jié)的數(shù)據(jù)，例如一次讀取一個數(shù)據(jù)塊。分頁存取將內(nèi)存劃分為大小相同的頁面，每次訪問一個頁面。單字節(jié)存取1定義單字節(jié)存取是指計算機系統(tǒng)一次只能訪問一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，每次操作必須單獨進行。2特點簡單易實現(xiàn)，但效率較低，對于大數(shù)據(jù)量訪問不利，通常用于小型嵌入式系統(tǒng)或?qū)?shù)據(jù)訪問速度要求不高的應用。3舉例例如，讀取一個字符或一個8位整數(shù)需要進行一次獨立的存取操作。雙字存取1定義一次讀寫兩個連續(xù)字2優(yōu)勢提高數(shù)據(jù)傳輸效率3應用適用于數(shù)據(jù)密集型應用雙字存取是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，它允許計算機一次性讀取或?qū)懭雰蓚€連續(xù)的字。這顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，特別適用于處理大量數(shù)據(jù)的應用場景。例如，在處理圖像、音頻或視頻數(shù)據(jù)時，雙字存取可以大幅提升數(shù)據(jù)傳輸速度。突發(fā)存取突發(fā)存取是一種高效的內(nèi)存訪問方式，可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。1連續(xù)讀取CPU一次性發(fā)出多個連續(xù)地址的讀請求。2數(shù)據(jù)塊傳輸內(nèi)存控制器一次性將數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)紺PU。3減少請求次數(shù)降低了內(nèi)存訪問延遲。4提高效率整體提高了內(nèi)存訪問速度。這種方式適合讀取連續(xù)存儲的數(shù)據(jù)，例如數(shù)組或圖像。分頁存取頁面大小將主存空間劃分為大小相同的頁面，并用頁號進行標識。頁面映射建立頁表，記錄頁面在主存中的物理地址，將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。頁面置換當需要訪問的頁面不在內(nèi)存時，需從磁盤中調(diào)入內(nèi)存，并選擇一個頁面進行置換。優(yōu)點提高了內(nèi)存利用率，簡化了內(nèi)存管理，支持多用戶并發(fā)訪問。內(nèi)存管理內(nèi)存管理高效利用內(nèi)存資源，分配和回收內(nèi)存空間，避免內(nèi)存泄漏和內(nèi)存碎片。地址空間管理將邏輯地址映射到物理地址，實現(xiàn)程序代碼的加載和執(zhí)行。虛擬內(nèi)存使用硬盤作為擴展內(nèi)存，擴大可用內(nèi)存空間，提升程序運行效率。地址空間管理邏輯地址程序員使用的地址，獨立于物理地址，方便編程。物理地址存儲器單元在內(nèi)存中的實際地址，由硬件控制。虛擬內(nèi)存11.地址空間擴展虛擬內(nèi)存允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。22.多任務處理多個程序可以同時運行，共享物理內(nèi)存。33.內(nèi)存保護防止程序訪問其他程序的內(nèi)存區(qū)域。44.頁面調(diào)入和調(diào)出將程序代碼和數(shù)據(jù)分塊加載到內(nèi)存，并根據(jù)需要進行調(diào)入和調(diào)出。置換算法最佳置換算法選擇未來最長時間不會被訪問的頁面進行置換。無法實現(xiàn)，理論參考。先進先出算法先進入內(nèi)存的頁面先被置換。簡單易懂，但效率較低。最近最少使用算法選擇最近最少使用的頁面進行置換。性能較好，但實現(xiàn)復雜。時鐘算法模擬一個時鐘，記錄頁面最近被訪問時間，選擇最久未被訪問的頁面置換。綜合考慮效率和復雜度。緩存存儲器緩存存儲器是一種高速、小型、昂貴的存儲器。通常作為主存儲器與CPU之間的橋梁。CPU緩存直接與CPU相連，存儲最近被CPU訪問過的指令和數(shù)據(jù)，速度非常快，但容量較小。數(shù)據(jù)緩存存儲從主存儲器讀取的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)訪問時間，提高系統(tǒng)性能。緩存工作原理當CPU訪問數(shù)據(jù)時，首先檢查緩存，如果命中則直接讀取；否則從主存儲器讀取并放入緩存。緩存基本工作原理檢查緩存當CPU需要訪問數(shù)據(jù)時，它首先檢查緩存。如果數(shù)據(jù)在緩存中，稱為緩存命中。緩存命中CPU從緩存中快速讀取數(shù)據(jù)，繼續(xù)執(zhí)行操作。緩存未命中如果數(shù)據(jù)不在緩存中，稱為緩存未命中。訪問主內(nèi)存CPU從主內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)并將其加載到緩存中。更新緩存數(shù)據(jù)同時存儲在緩存和主內(nèi)存中，以便下次訪問時可以直接從緩存中獲取。緩存性能指標緩存性能指標是評估緩存系統(tǒng)效率的關鍵參數(shù)，它們反映了緩存命中率、緩存延遲和緩存容量對系統(tǒng)性能的影響。99%命中率指緩存中找到所需數(shù)據(jù)的概率，越高表示緩存效率越高。10-100ns延遲指從緩存中獲取數(shù)據(jù)所需的時間，越短表示緩存速度越快。KB-MB容量指緩存能夠存儲的數(shù)據(jù)量，越大表示緩存可以容納更多數(shù)據(jù)。緩存設計與優(yōu)化策略緩存大小緩存大小直接影響緩存命中率，過小會導致頻繁訪問主存儲器，過大則會浪費內(nèi)存空間。替換算法選擇合適的替換算法，例如LRU、FIFO等，可以有效提高緩存效率。緩存一致性保證數(shù)據(jù)一致性是緩存設計的重要問題，可以使用各種方法來確保數(shù)據(jù)一致性。緩存管理緩存管理策略包括緩存的分配、釋放、替換、一致性維護等，需要根據(jù)具體場景選擇合適的策略。存儲器層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化層次化設計通過合理設計存儲器層次結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能，降低成本。容量和速度平衡更高層級的存儲器容量較小，速度更快，但價格更貴。緩存策略利用緩存技術，提高數(shù)據(jù)訪問速度，減少主存儲器訪問次數(shù)。算法優(yōu)化采用先進的頁面置換算法，有效管理虛擬內(nèi)存，提高系統(tǒng)效率。存儲器發(fā)展趨勢1容量不斷提升存儲器容量大幅度提升，滿足日益增長的數(shù)據(jù)存儲需求。