《內(nèi)部存儲(chǔ)器》課件2

內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)部存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中直接與CPU交互的核心部件。它是用于臨時(shí)存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，并允許CPU快速訪問信息。什么是內(nèi)部存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心組件內(nèi)部存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)空間用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。直接訪問數(shù)據(jù)CPU可以直接訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。內(nèi)部存儲(chǔ)器的特點(diǎn)速度快內(nèi)部存儲(chǔ)器是直接與CPU交互的存儲(chǔ)器，速度極快，可以滿足CPU高速處理數(shù)據(jù)的需求。容量小內(nèi)部存儲(chǔ)器的容量通常比外部存儲(chǔ)器小，因?yàn)槌杀据^高，但可以滿足CPU處理數(shù)據(jù)的需求。內(nèi)部存儲(chǔ)器的分類11.主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器直接與CPU交互，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最主要的存儲(chǔ)器，用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。22.輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器用于存放長期保存的數(shù)據(jù)，例如硬盤、U盤、光盤等，容量大，速度慢，價(jià)格便宜。33.緩存存儲(chǔ)器緩存存儲(chǔ)器介于主存儲(chǔ)器和CPU之間，用于存放CPU經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，速度快，容量小，價(jià)格昂貴。主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器概述主存儲(chǔ)器，也稱為內(nèi)存，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的核心組件。它用于存放程序指令、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果以及系統(tǒng)操作所需信息。內(nèi)存條的形狀現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常使用插槽形式的內(nèi)存條，每個(gè)內(nèi)存條包含多個(gè)存儲(chǔ)芯片。內(nèi)存條是主存儲(chǔ)器的物理形式，可以方便地安裝和更換。內(nèi)存條的功能內(nèi)存條負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和讀取CPU訪問的程序指令和數(shù)據(jù)。內(nèi)存速度直接影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率，因此選擇性能更高的內(nèi)存條至關(guān)重要。主存儲(chǔ)器的工作原理1CPU的訪問CPU通過地址總線發(fā)送地址請求，獲取數(shù)據(jù)或指令。2地址譯碼主存儲(chǔ)器控制器根據(jù)地址，找到存儲(chǔ)單元。3數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)或指令通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紺PU或從CPU傳輸?shù)街鞔鎯?chǔ)器。主存儲(chǔ)器的種類靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)SRAM速度快，價(jià)格貴，常用于高速緩存。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)DRAM速度慢，價(jià)格便宜，常用于主內(nèi)存。閃存(FlashMemory)閃存速度介于SRAM和DRAM之間，價(jià)格便宜，常用于固態(tài)硬盤和USB閃存盤。磁芯存儲(chǔ)器磁芯存儲(chǔ)器體積大，功耗高，速度慢，已經(jīng)逐漸被淘汰。只讀存儲(chǔ)器(ROM)定義只讀存儲(chǔ)器(ROM)是一種非易失性存儲(chǔ)器，這意味著即使斷電后，它也能保存數(shù)據(jù)。ROM中的數(shù)據(jù)在制造過程中被寫入，并不能被用戶修改。特點(diǎn)ROM具有永久性、高可靠性和成本低等特點(diǎn)，通常用于存放固定的程序或數(shù)據(jù)，例如操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序、BIOS信息或設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用ROM廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，例如電腦、手機(jī)、電視機(jī)、洗衣機(jī)等。它確保了設(shè)備的基本功能正常運(yùn)行，并保存了一些重要的配置信息。ROM的特點(diǎn)與作用1非易失性ROM的內(nèi)容在斷電后不會(huì)丟失,即使關(guān)閉電源,數(shù)據(jù)也能保留。2讀出速度快ROM的數(shù)據(jù)讀取速度比RAM快,能夠快速訪問數(shù)據(jù)。3固定的存儲(chǔ)內(nèi)容ROM存儲(chǔ)的內(nèi)容在出廠后不能被修改,通常用來存儲(chǔ)系統(tǒng)引導(dǎo)程序,操作系統(tǒng)內(nèi)核等。只讀存儲(chǔ)器的分類掩膜式ROM在芯片制造過程中，數(shù)據(jù)被永久寫入。容量大，成本低，適合大批量生產(chǎn)?？删幊蘎OM用戶可以一次性寫入數(shù)據(jù)?？删幊蘎OM只能寫入一次，價(jià)格相對較低?？刹脸删幊蘎OM用戶可以多次擦除并重新寫入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以多次擦除，但速度慢。電可擦除可編程ROM用戶可以使用電信號(hào)進(jìn)行擦除和寫入。速度快，成本高，適合小規(guī)模應(yīng)用。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)易于訪問RAM中的每個(gè)存儲(chǔ)單元都可以直接訪問，無需按順序讀取。易失性斷電后，存儲(chǔ)在RAM中的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。速度快RAM是CPU可以直接訪問的存儲(chǔ)器，讀取速度快。容量大RAM的容量通常比其他類型的存儲(chǔ)器更大。RAM的特點(diǎn)與作用隨機(jī)存取RAM可以隨機(jī)訪問任何存儲(chǔ)位置，無需按照順序訪問，提高了數(shù)據(jù)訪問速度，使計(jì)算機(jī)運(yùn)行更加高效。易失性RAM是一種易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失，需要重新加載。RAM的分類按功能劃分RAM可以分為靜態(tài)RAM(SRAM)和動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)兩種。SRAM速度快，但價(jià)格高，一般用于緩存存儲(chǔ)器。DRAM速度相對慢，但成本低，一般用于主存儲(chǔ)器。按數(shù)據(jù)寬度劃分根據(jù)一次可以讀寫的數(shù)據(jù)位數(shù)，RAM可以分為8位、16位、32位、64位等。數(shù)據(jù)寬度越大，數(shù)據(jù)傳輸速度越快。按工作方式劃分RAM可以分為單通道和多通道兩種。多通道RAM可以同時(shí)訪問多個(gè)存儲(chǔ)器模塊，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度。按存儲(chǔ)技術(shù)劃分RAM還可以分為SDRAM、DDRSDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM、DDR4SDRAM等。這些類型的RAM主要在工作頻率和功耗方面有所區(qū)別。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)工作原理DRAM使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)。電容會(huì)逐漸放電，因此需要定期為其充電，以防止數(shù)據(jù)丟失。刷新周期刷新周期是指DRAM芯片需要進(jìn)行一次刷新操作的時(shí)間間隔。刷新周期通常為幾十毫秒到幾百毫秒。優(yōu)勢DRAM的成本較低，存儲(chǔ)容量較大，適合用于主存儲(chǔ)器。缺點(diǎn)DRAM的速度相對較慢，功耗較高。DRAM的工作原理1刷新定期對每個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行“充電”，以防止存儲(chǔ)的電荷逐漸消失。2讀操作通過讀取存儲(chǔ)單元中電荷的電壓，獲取數(shù)據(jù)。3寫操作通過向存儲(chǔ)單元寫入電荷，完成數(shù)據(jù)寫入。4地址譯碼將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。DRAM采用電容來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，由于電容會(huì)逐漸放電，因此需要定期進(jìn)行“刷新”操作。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)1存儲(chǔ)單元由晶體管和電容組成，每個(gè)單元保存一位信息。2讀寫速度讀寫速度比DRAM快，訪問時(shí)間更短。3功耗功耗高于DRAM，但性能更佳。4成本成本高于DRAM，容量較小。SRAM是靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，通過晶體管保持?jǐn)?shù)據(jù)，因此不會(huì)像DRAM一樣隨著時(shí)間的推移而丟失數(shù)據(jù)。SRAM擁有更快的讀寫速度、更高的可靠性、更低的延遲，但成本更高，容量更小。SRAM的工作原理1靜態(tài)存儲(chǔ)SRAM使用鎖存器來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，鎖存器保持穩(wěn)定狀態(tài)直到數(shù)據(jù)被修改。2高速訪問SRAM具有較快的訪問速度，因?yàn)樗恍枰⑿聰?shù)據(jù)。3高成本SRAM的構(gòu)建成本高于DRAM，因?yàn)樗枰嗟木w管。緩存存儲(chǔ)器速度快緩存存儲(chǔ)器速度比主存儲(chǔ)器更快，通常由SRAM組成。容量小緩存存儲(chǔ)器的容量遠(yuǎn)小于主存儲(chǔ)器，通常只有幾兆字節(jié)或幾十兆字節(jié)。價(jià)格高緩存存儲(chǔ)器的價(jià)格比主存儲(chǔ)器更高，成本較高。提高系統(tǒng)性能緩存存儲(chǔ)器通過減少CPU訪問主存儲(chǔ)器的次數(shù)來提高系統(tǒng)性能。緩存存儲(chǔ)器的作用與特點(diǎn)1加快數(shù)據(jù)訪問速度緩存存儲(chǔ)器比主存儲(chǔ)器速度更快，可以更快速地提供數(shù)據(jù)。2減少對主存儲(chǔ)器的訪問次數(shù)緩存存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了最近使用過的數(shù)據(jù)，避免頻繁訪問主存儲(chǔ)器，提高系統(tǒng)效率。3提高系統(tǒng)性能緩存存儲(chǔ)器通過減少數(shù)據(jù)訪問延遲，提高應(yīng)用程序的運(yùn)行速度和響應(yīng)能力。4降低系統(tǒng)成本緩存存儲(chǔ)器比主存儲(chǔ)器價(jià)格更低，可以有效降低系統(tǒng)成本。緩存存儲(chǔ)器的工作原理1請求數(shù)據(jù)CPU需要數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)查看緩存2緩存命中如果數(shù)據(jù)在緩存中，直接讀取3緩存未命中如果數(shù)據(jù)不在緩存中，則從主存儲(chǔ)器讀取4更新緩存讀取后的數(shù)據(jù)被復(fù)制到緩存中緩存存儲(chǔ)器的工作原理類似于我們生活中的“緩存”。例如，當(dāng)你打開一個(gè)網(wǎng)頁時(shí)，瀏覽器會(huì)將網(wǎng)頁內(nèi)容存儲(chǔ)在緩存中，以便下次你訪問該網(wǎng)頁時(shí)能夠更快地加載。主存儲(chǔ)器和緩存存儲(chǔ)器的關(guān)系緩存存儲(chǔ)器速度更快，用于存儲(chǔ)CPU最常訪問的數(shù)據(jù)。緩存存儲(chǔ)器是主存儲(chǔ)器的子集，用于提高數(shù)據(jù)訪問速度。緩存存儲(chǔ)器作為CPU和主存儲(chǔ)器之間的橋梁，提高了數(shù)據(jù)訪問效率。多級緩存存儲(chǔ)器層級結(jié)構(gòu)多級緩存存儲(chǔ)器采用層級結(jié)構(gòu)，每一級緩存都比上一級容量更小、速度更快。數(shù)據(jù)訪問路徑CPU訪問數(shù)據(jù)時(shí)，先訪問最快的L1緩存，若未命中則訪問L2緩存，再未命中則訪問L3緩存，最后才訪問主存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)復(fù)制當(dāng)數(shù)據(jù)被訪問時(shí)，會(huì)復(fù)制到更高級別的緩存中，以便下次訪問可以更快地獲取數(shù)據(jù)。虛擬內(nèi)存11.擴(kuò)大存儲(chǔ)空間虛擬內(nèi)存可以利用硬盤空間來擴(kuò)展內(nèi)存容量，從而使計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行更大、更復(fù)雜的程序。22.提高內(nèi)存利用率將不經(jīng)常使用的程序或數(shù)據(jù)移至硬盤空間，釋放內(nèi)存空間給更需要訪問的程序，提高內(nèi)存效率。33.支持多任務(wù)處理多個(gè)程序可以共享虛擬內(nèi)存，從而允許計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序，提高系統(tǒng)效率。虛擬內(nèi)存的工作原理地址映射虛擬內(nèi)存將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，操作系統(tǒng)管理虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射關(guān)系，并將地址空間劃分為頁面。頁面置換當(dāng)程序需要訪問的頁面不在內(nèi)存中時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將該頁面從硬盤調(diào)入內(nèi)存，并將內(nèi)存中其他頁面換出到硬盤上，這一過程稱為頁面置換。分頁機(jī)制操作系統(tǒng)將程序代碼和數(shù)據(jù)分成固定大小的頁面，然后將這些頁面加載到內(nèi)存中，并建立虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系。內(nèi)存分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配虛擬內(nèi)存空間給應(yīng)用程序，并跟蹤內(nèi)存的使用情況，防止內(nèi)存溢出和沖突。虛擬內(nèi)存的優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)充內(nèi)存容量虛擬內(nèi)存允許程序使用超出物理內(nèi)存的地址空間，從而有效地?cái)U(kuò)大了可用內(nèi)存容量。支持多任務(wù)處理虛擬內(nèi)存可以為多個(gè)程序提供獨(dú)立的地址空間，使得多個(gè)程序可以同時(shí)運(yùn)行而不相互干擾，提高系統(tǒng)效率。內(nèi)部存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)內(nèi)部存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)是衡量存儲(chǔ)器性能的關(guān)鍵參數(shù)，反映了存儲(chǔ)器速度、容量、成本等方面的特性。100ns訪問時(shí)間指從發(fā)出訪問指令到數(shù)據(jù)被訪問完成所需要的時(shí)間。16GB容量指存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的最大數(shù)據(jù)量，通常以字節(jié)（B）為單位。100MHz帶寬指存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常以兆字節(jié)每秒（MB/s）為單位。$10成本指存儲(chǔ)器每單位容量的成本，通常以元/GB為單位。內(nèi)部存儲(chǔ)器的性能評價(jià)訪問速度讀取數(shù)據(jù)所需時(shí)間，反映內(nèi)存的快慢。存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)器所能容納的最大信息量，用字節(jié)或字來表示。成本單位存儲(chǔ)容量的成本，反映內(nèi)存的性價(jià)比。功耗運(yùn)行時(shí)消耗的能量，反映內(nèi)存的節(jié)能性。存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展趨勢容量不斷提升存儲(chǔ)器容量不斷提升，從最初的K