《內(nèi)部存儲(chǔ)器》課件

內(nèi)部存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的核心組件直接與CPU交互，高速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令內(nèi)部存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)的核心內(nèi)部存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，用于存放程序和數(shù)據(jù)。高速訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器能夠高速讀寫數(shù)據(jù)，直接與中央處理器(CPU)交互。存儲(chǔ)類型內(nèi)部存儲(chǔ)器主要分為兩種類型：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。內(nèi)部存儲(chǔ)器的作用和特點(diǎn)1存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序內(nèi)部存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的部件之一，用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。它可以直接被CPU訪問，確保程序和數(shù)據(jù)的快速訪問，保證計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行。2高速訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器相較于外部存儲(chǔ)器，具有更快的讀寫速度，可以快速獲取CPU所需的數(shù)據(jù)和程序指令，從而提高計(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率。3易失性內(nèi)部存儲(chǔ)器通常是易失性的，斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，因此需要定期將重要的數(shù)據(jù)保存到外部存儲(chǔ)器，防止數(shù)據(jù)丟失。4價(jià)格較高內(nèi)部存儲(chǔ)器通常比外部存儲(chǔ)器更貴，但其高速度和對(duì)系統(tǒng)的重要作用使其成為不可或缺的組成部分。主存儲(chǔ)器的分類按存取方式分類按存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)的存取方式，可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。按存儲(chǔ)介質(zhì)分類按存儲(chǔ)器芯片中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所采用的物理材料不同，可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)器。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)RAM芯片RAM芯片是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的核心組件，負(fù)責(zé)快速存取數(shù)據(jù)，支持高速數(shù)據(jù)讀寫操作。RAM模塊RAM模塊是多個(gè)RAM芯片的集合，通過插槽安裝在主板上，提供更大的存儲(chǔ)容量。計(jì)算機(jī)RAMRAM是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的存儲(chǔ)器類型之一，負(fù)責(zé)存放操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及正在運(yùn)行的數(shù)據(jù)。靜態(tài)RAM(SRAM)晶體管SRAM使用晶體管來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每個(gè)位需要6個(gè)晶體管。速度快SRAM的存取速度比DRAM快，適合需要快速讀寫的應(yīng)用。成本高SRAM的成本比DRAM高，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜，所需的晶體管更多。內(nèi)存SRAM通常用于高速緩存(Cache)，因?yàn)樗梢愿斓靥峁?shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)1電容存儲(chǔ)DRAM使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，電容會(huì)隨時(shí)間泄漏，需要周期性刷新才能保留數(shù)據(jù)。2刷新操作刷新操作由控制器完成，定期對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫操作，以恢復(fù)電容電荷，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定。3速度和容量DRAM比SRAM速度慢，但成本更低，容量更大，適合作為主存儲(chǔ)器。RAM技術(shù)的發(fā)展1早期RAM早期RAM主要以磁芯存儲(chǔ)器為主，體積大，速度慢，成本高。2半導(dǎo)體RAM出現(xiàn)20世紀(jì)70年代，半導(dǎo)體RAM開始普及，體積小，速度快，成本低，成為主流。3DRAM技術(shù)革新DRAM技術(shù)不斷發(fā)展，容量不斷提升，速度不斷提高，價(jià)格不斷下降，成為主流內(nèi)存。只讀存儲(chǔ)器(ROM)永久存儲(chǔ)ROM存儲(chǔ)的信息在制造時(shí)就已寫入，無法被用戶修改。非易失性即使斷電，ROM中的信息也不會(huì)丟失。啟動(dòng)引導(dǎo)ROM常用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)程序和系統(tǒng)配置信息。掩模ROM掩模ROM在芯片制造過程中，信息永久燒錄在芯片中。信息不可改寫這種ROM的信息無法修改，一旦燒錄，信息將保持不變。成本低廉掩模ROM的制造過程簡(jiǎn)單，批量生產(chǎn)的成本較低。PROM可編程只讀存儲(chǔ)器PROM是一種一次性可編程的只讀存儲(chǔ)器。用戶可以通過專門的編程器將數(shù)據(jù)寫入PROM芯片中，但寫入后無法更改。特性PROM通常具有較高的速度，因?yàn)樗臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部的熔絲或連接中。一次性寫入特性使其適用于永久存儲(chǔ)程序或數(shù)據(jù)?？刹脸删幊讨蛔x存儲(chǔ)器(EPROM)紫外線擦除EPROM是一種可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，可以通過紫外線照射來擦除芯片上的數(shù)據(jù)。然后，它可以使用專門的編程器寫入新的數(shù)據(jù)。一次性編程EPROM只能被編程一次，這意味著一旦數(shù)據(jù)被寫入，它們就不能被修改。數(shù)據(jù)只能通過紫外線照射擦除。相對(duì)較慢的擦除時(shí)間EPROM的擦除時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，通常需要幾分鐘甚至更長(zhǎng)時(shí)間，取決于紫外線的強(qiáng)度和照射時(shí)間。較高的可靠性與其他類型ROM相比，EPROM的可靠性較高，因?yàn)樗鼈兛梢员徊脸⒅匦戮幊??？刹脸删幊讨蛔x存儲(chǔ)器(EEPROM)可擦除可編程ROMEEPROM允許在電路板上擦除和重新編程，無需從電路板上移除芯片。電氣可擦除EEPROM使用電場(chǎng)擦除存儲(chǔ)單元，與EPROM的紫外線擦除不同。廣泛的應(yīng)用EEPROM用于各種應(yīng)用，包括存儲(chǔ)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和配置存儲(chǔ)器。閃存(FLASH)非易失性存儲(chǔ)器閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器，即使斷電，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。閃存通常用作固態(tài)硬盤的存儲(chǔ)介質(zhì)，提供更快的訪問速度和更高的可靠性。寫入速度慢與SRAM或DRAM相比，閃存寫入速度較慢，因?yàn)樗枰脸麄€(gè)塊才能寫入新數(shù)據(jù)，并使用浮柵晶體管來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。但近年來閃存技術(shù)不斷發(fā)展，寫入速度已顯著提高。存儲(chǔ)器的容量和存取時(shí)間存儲(chǔ)器的容量是指存儲(chǔ)器中能夠存儲(chǔ)的信息量，通常以字節(jié)(B)為單位，1字節(jié)等于8位。存儲(chǔ)器的存取時(shí)間是指從存儲(chǔ)器中讀出或?qū)懭胍粋€(gè)字所需的時(shí)間，通常以納秒(ns)為單位。1K容量1K字節(jié)1M容量1M字節(jié)1G容量1G字節(jié)50ns存取時(shí)間50納秒存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)1寄存器CPU內(nèi)部，速度最快，容量最小2高速緩存介于寄存器和主存之間，速度快，容量較小3主存儲(chǔ)器CPU直接訪問，速度較慢，容量較大4輔助存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量大，速度慢，價(jià)格低廉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用層次化的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，利用不同速度、容量和成本的存儲(chǔ)器協(xié)同工作。速度快的存儲(chǔ)器容量小，價(jià)格高，而速度慢的存儲(chǔ)器容量大，價(jià)格低。主存與輔助存儲(chǔ)器的關(guān)系存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)主存和輔助存儲(chǔ)器組成計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，主存速度快，但容量?。惠o助存儲(chǔ)器速度慢，容量大。數(shù)據(jù)交換程序執(zhí)行時(shí)，數(shù)據(jù)在主存和輔助存儲(chǔ)器之間不斷交換，主存存儲(chǔ)當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，輔助存儲(chǔ)器存儲(chǔ)長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)。訪問速度CPU直接訪問主存，訪問速度快；訪問輔助存儲(chǔ)器需要通過I/O控制器，速度慢，但價(jià)格低廉，容量大。程序裝入和執(zhí)行程序裝入將程序從輔助存儲(chǔ)器（如硬盤）加載到主存儲(chǔ)器（RAM）的過程。地址綁定將程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，以便CPU能夠訪問內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)。程序執(zhí)行CPU從主存儲(chǔ)器中讀取指令，并根據(jù)指令進(jìn)行操作，例如計(jì)算、數(shù)據(jù)讀寫等。結(jié)束執(zhí)行程序執(zhí)行完畢后，釋放占用的內(nèi)存空間，并返回到操作系統(tǒng)。存儲(chǔ)器管理概述存儲(chǔ)器管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器資源。存儲(chǔ)器管理的目標(biāo)是提高存儲(chǔ)器利用率，并為用戶提供安全有效的內(nèi)存訪問。連續(xù)內(nèi)存分配方法1單一連續(xù)分配程序占據(jù)連續(xù)內(nèi)存空間2固定分區(qū)分配將內(nèi)存劃分為固定大小分區(qū)3可變分區(qū)分配動(dòng)態(tài)劃分分區(qū)大小連續(xù)內(nèi)存分配是指將程序加載到內(nèi)存中連續(xù)的地址空間。這種方法簡(jiǎn)單易懂，但會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片化。分頁(yè)內(nèi)存管理劃分物理內(nèi)存將物理內(nèi)存劃分為大小相等的頁(yè)面框架，每個(gè)框架對(duì)應(yīng)一個(gè)頁(yè)面。劃分邏輯地址空間將邏輯地址空間劃分為大小相等的頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面對(duì)應(yīng)一個(gè)物理頁(yè)面框架。建立頁(yè)表建立頁(yè)表，記錄每個(gè)邏輯頁(yè)面在物理內(nèi)存中的位置，即頁(yè)面框架號(hào)。地址轉(zhuǎn)換CPU訪問邏輯地址時(shí)，通過頁(yè)表將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。分段內(nèi)存管理1邏輯地址程序員使用邏輯地址訪問內(nèi)存2段表存儲(chǔ)每個(gè)段的起始地址和長(zhǎng)度3物理地址操作系統(tǒng)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址虛擬存儲(chǔ)器概念1擴(kuò)展內(nèi)存虛擬存儲(chǔ)器允許使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。2頁(yè)面調(diào)入調(diào)出將程序和數(shù)據(jù)的一部分加載到內(nèi)存中，需要時(shí)交換到磁盤。3多任務(wù)支持在有限的物理內(nèi)存中運(yùn)行多個(gè)程序，提高系統(tǒng)利用率。分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器1邏輯地址由CPU生成2頁(yè)號(hào)用于查找頁(yè)面在內(nèi)存中的位置3頁(yè)內(nèi)偏移量指明在頁(yè)面中的具體位置4物理地址由內(nèi)存管理單元計(jì)算分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器通過將程序和數(shù)據(jù)劃分為固定大小的頁(yè)面，并在內(nèi)存中分配頁(yè)面幀來實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的映射。每個(gè)頁(yè)面都擁有唯一的頁(yè)號(hào)，當(dāng)CPU訪問內(nèi)存時(shí)，內(nèi)存管理單元會(huì)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，從而實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器的功能。頁(yè)面置換算法最佳置換算法將要被替換的頁(yè)面是將來最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)被訪問的頁(yè)面，這種算法性能最佳，但無法實(shí)現(xiàn)。先進(jìn)先出(FIFO)按照頁(yè)面進(jìn)入內(nèi)存的順序進(jìn)行替換，簡(jiǎn)單易懂，但可能出現(xiàn)“Belady現(xiàn)象”，性能較差。最近最少使用(LRU)將最近最少使用的頁(yè)面替換出去，性能較好，但需要記錄頁(yè)面使用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。時(shí)鐘算法通過使用時(shí)鐘指針和訪問位來模擬LRU算法，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，性能也比較好。緩存存儲(chǔ)器(Cache)速度快緩存存儲(chǔ)器使用速度更快的存儲(chǔ)介質(zhì)，例如SRAM，比主存儲(chǔ)器速度快得多。訪問速度緩存存儲(chǔ)器位于CPU和主存儲(chǔ)器之間，可以更快地訪問常用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸緩存存儲(chǔ)器可以緩存最近訪問的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，提高系統(tǒng)性能。Cache的組織結(jié)構(gòu)直接映射方式主存塊和Cache塊之間存在一對(duì)一映射關(guān)系。主存塊只能映射到Cache中的特定位置，不會(huì)和其他塊沖突。全相聯(lián)映射方式主存塊可以映射到Cache中的任何位置，只要該位置空閑，且主存塊的內(nèi)容和Cache塊的內(nèi)容一致即可。組相聯(lián)映射方式結(jié)合了直接映射和全相聯(lián)映射的優(yōu)點(diǎn)，將Cache分成多個(gè)組，每個(gè)組包含多個(gè)塊。主存塊只能映射到特定組，但在這個(gè)組內(nèi)可以映射到任意塊。Cache的命中率分析一級(jí)緩存二級(jí)緩存三級(jí)緩存緩存命中率