《存儲程序工作原理》課件

存儲程序工作原理存儲程序是現(xiàn)代計算機(jī)的核心概念之一，它使計算機(jī)能夠執(zhí)行各種任務(wù)，從簡單的計算到復(fù)雜的游戲和應(yīng)用程序。課程介紹課程目標(biāo)介紹存儲程序工作原理，幫助學(xué)生理解計算機(jī)系統(tǒng)的工作機(jī)制。課程內(nèi)容涵蓋存儲程序的概念、基本原理、特點、CPU工作過程、指令周期、指令執(zhí)行、訪存方式、存儲器結(jié)構(gòu)等。課程要求學(xué)生應(yīng)能理解存儲程序的基本原理，掌握相關(guān)概念和術(shù)語，并能運用所學(xué)知識解決實際問題。什么是存儲程序存儲程序的概念是馮·諾依曼提出的，它指的是將指令和數(shù)據(jù)一起存放在存儲器中。計算機(jī)在運行時，從存儲器中逐條讀取指令，并將指令中的操作碼和操作數(shù)解析出來，再進(jìn)行相應(yīng)的操作。這種方式使得計算機(jī)可以自動執(zhí)行一系列指令，并能根據(jù)程序邏輯進(jìn)行跳轉(zhuǎn)和循環(huán)，從而實現(xiàn)復(fù)雜的計算和控制。存儲程序的基本原理程序存儲將程序指令存儲在計算機(jī)內(nèi)存中，而不是使用硬線邏輯。指令執(zhí)行CPU從內(nèi)存中逐條讀取指令并執(zhí)行，完成程序邏輯。數(shù)據(jù)存儲程序執(zhí)行過程中所需的數(shù)據(jù)也存儲在內(nèi)存中，方便CPU訪問和操作。指令集計算機(jī)設(shè)計一套指令集，用于定義CPU可以執(zhí)行的指令類型。存儲程序的特點11.通用性存儲程序計算機(jī)可以執(zhí)行各種類型的程序。22.靈活性存儲程序可以輕松修改和更新。33.自動性存儲程序可以自動執(zhí)行指令。44.高效性存儲程序可以提高計算機(jī)的運行效率。CPU工作的基本過程1取指令從主存中取出要執(zhí)行的指令。2譯碼將取出的指令翻譯成CPU可執(zhí)行的機(jī)器指令。3執(zhí)行CPU執(zhí)行指令操作，完成相應(yīng)的運算和數(shù)據(jù)處理。4寫回將執(zhí)行結(jié)果寫入主存。CPU的工作過程是一個循環(huán)，不斷重復(fù)以上四個步驟，直到程序結(jié)束。指令周期取指CPU從內(nèi)存中讀取下一條指令，并將其存儲在指令寄存器中。譯碼CPU將指令寄存器中的指令進(jìn)行解碼，確定要執(zhí)行的操作和操作數(shù)。執(zhí)行CPU根據(jù)譯碼后的指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送或邏輯運算。寫回CPU將執(zhí)行結(jié)果寫入內(nèi)存或寄存器，完成指令的執(zhí)行。指令的執(zhí)行CPU讀取并執(zhí)行指令是計算機(jī)工作的核心。指令的執(zhí)行過程是一個復(fù)雜的操作，涉及多個步驟。每個指令都會被分解成一系列微操作，由CPU內(nèi)部的控制單元協(xié)調(diào)執(zhí)行。1取指令從存儲器中讀取指令2譯碼解碼指令，確定指令的操作3執(zhí)行執(zhí)行指令，完成指令的操作4寫回將結(jié)果寫入存儲器這些步驟相互配合，完成指令的執(zhí)行。每個步驟都有特定的硬件和軟件支持，確保指令能夠被正確地執(zhí)行。訪存的方式隨機(jī)存取CPU可以直接訪問內(nèi)存中的任何位置，無需按順序訪問。順序存取需要從起始位置開始，依次訪問每個數(shù)據(jù)塊，例如磁帶驅(qū)動器。直接存取可以通過地址直接訪問數(shù)據(jù)塊，例如磁盤驅(qū)動器。存儲器的基本結(jié)構(gòu)存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。它用來存放程序和數(shù)據(jù)。存儲器主要分為主存儲器和外存儲器兩類。主存儲器又稱內(nèi)存，是CPU可以直接訪問的存儲器。外存儲器是用來存儲數(shù)據(jù)的輔助存儲器，CPU不能直接訪問外存儲器的數(shù)據(jù)。主存儲器通常由芯片組成，每個芯片包含多個存儲單元。每個存儲單元可以存放一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。存儲單元的大小取決于芯片的類型和容量。存儲器結(jié)構(gòu)圖可以更清楚地展示這些存儲單元之間的關(guān)系。主存儲器主存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)中用于存放程序和數(shù)據(jù)的存儲器。它是CPU可以直接訪問的存儲器，也稱為內(nèi)存或RAM。主存儲器具有速度快、容量大、價格昂貴等特點。它一般由半導(dǎo)體器件構(gòu)成，可以快速讀寫數(shù)據(jù)。主存儲器的容量通常用字節(jié)或字來表示，它直接影響著計算機(jī)的性能。容量越大，可以存儲更多程序和數(shù)據(jù)，計算機(jī)的性能就越好。主存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它為CPU提供了快速訪問數(shù)據(jù)的通道，是計算機(jī)正常運行的基礎(chǔ)。ROM和RAM11.ROM只讀存儲器，存儲系統(tǒng)啟動程序，內(nèi)容不可更改。22.RAM隨機(jī)存取存儲器，存儲運行程序和數(shù)據(jù)，可讀寫，斷電后數(shù)據(jù)丟失。33.ROM和RAM特點比較ROM存儲器用于保存永久性數(shù)據(jù)，RAM存儲器用于保存臨時性數(shù)據(jù)。存儲單元存儲單元的基本概念存儲單元是存儲器中最小的存儲單位，用來存儲一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。每個存儲單元都有一個唯一的地址，CPU可以通過地址訪問存儲單元中的數(shù)據(jù)。存儲單元的構(gòu)成存儲單元由多個觸發(fā)器組成，每個觸發(fā)器存儲一個二進(jìn)制位。觸發(fā)器可以是D觸發(fā)器或RS觸發(fā)器，通過控制門的控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和讀出。數(shù)據(jù)的尋址1地址空間CPU使用邏輯地址來訪問內(nèi)存，但物理內(nèi)存使用的是物理地址。2地址映射操作系統(tǒng)會將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，以便CPU能夠訪問到正確的物理內(nèi)存位置。3尋址方式不同的尋址方式會影響CPU訪問內(nèi)存的效率，例如直接尋址、間接尋址、寄存器間接尋址等。地址譯碼地址轉(zhuǎn)換將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，確保每個存儲單元都有唯一的物理地址。地址映射將邏輯地址空間映射到物理地址空間，實現(xiàn)內(nèi)存管理和保護(hù)機(jī)制。地址解碼將邏輯地址中的單元號與物理地址空間中的存儲單元進(jìn)行對應(yīng)，完成地址解析。存儲器訪問根據(jù)解碼后的物理地址訪問對應(yīng)存儲單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫操作。數(shù)據(jù)的存取數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，CPU需要訪問存儲器中的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行處理，這個過程就是數(shù)據(jù)的存取。1讀操作CPU從存儲器中讀取數(shù)據(jù)2寫操作CPU將數(shù)據(jù)寫入存儲器3地址譯碼確定存儲器中數(shù)據(jù)的物理地址4數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)在CPU和存儲器之間傳輸存取操作涉及多個步驟，包括地址譯碼、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，需要協(xié)調(diào)多個硬件部件完成。緩存技術(shù)高速緩存的應(yīng)用高速緩存芯片是現(xiàn)代計算機(jī)中不可或缺的一部分，它可以顯著提高系統(tǒng)性能。緩存的基本工作原理緩存利用了程序訪問數(shù)據(jù)的局部性原理，將常用的數(shù)據(jù)存儲在更快的存儲器中，以加快數(shù)據(jù)訪問速度。緩存的類型常見的緩存類型包括一級緩存（L1）、二級緩存（L2）和三級緩存（L3），它們在速度和容量方面各有不同。緩存的基本工作原理1CPU訪問數(shù)據(jù)CPU先檢查緩存2命中直接從緩存讀取數(shù)據(jù)3未命中從主內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)并寫入緩存4再次訪問從緩存中讀取數(shù)據(jù)緩存的性能指標(biāo)緩存性能指標(biāo)反映了緩存系統(tǒng)的效率和效用，主要包括命中率、平均訪問時間和緩存容量等。95%命中率表示從緩存中找到所需數(shù)據(jù)的概率。命中率越高，說明緩存命中率越高，緩存性能越好。10ns平均訪問時間是指訪問緩存的平均時間，包括緩存命中和緩存未命中的時間。平均訪問時間越短，說明緩存訪問速度越快，性能越好。4GB緩存容量是指緩存可以存儲的數(shù)據(jù)量。緩存容量越大，可以存儲的數(shù)據(jù)越多，但同時也會增加緩存的成本。緩存的類型CPU緩存也稱為一級緩存或高速緩存，直接嵌入CPU芯片中，速度最快，容量最小。二級緩存位于CPU芯片外部，速度較一級緩存慢，容量較大。三級緩存位于CPU芯片外部，速度更慢，容量更大，通常為多個CPU共享。磁盤緩存存儲在內(nèi)存中，用于保存最近訪問過的磁盤數(shù)據(jù)，提高磁盤訪問速度。虛擬存儲器虛擬存儲器是一種技術(shù)，它允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。這通過將程序劃分為頁面，并將這些頁面存儲在磁盤上實現(xiàn)。虛擬存儲器使得程序可以運行在比物理內(nèi)存更小的內(nèi)存空間中，這對于大型程序或多任務(wù)系統(tǒng)非常有用。虛擬存儲器的基本原理擴(kuò)充主存容量虛擬存儲器允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，有效擴(kuò)充了可用內(nèi)存容量。多任務(wù)處理多個進(jìn)程可以同時運行，每個進(jìn)程擁有自己的虛擬地址空間，相互隔離，提高系統(tǒng)效率。內(nèi)存管理虛擬地址空間可以被劃分成更小的頁面，便于管理和分配，實現(xiàn)靈活的內(nèi)存分配和回收。提高程序執(zhí)行效率虛擬存儲器通過將常用的頁面保存在內(nèi)存中，減少了磁盤訪問次數(shù)，提高了程序執(zhí)行速度。頁式虛擬存儲器分頁原理將邏輯地址空間和物理地址空間劃分為大小相同的頁和塊。頁表頁表存儲頁幀號，用于將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。地址轉(zhuǎn)換通過頁表將邏輯地址中的頁號和頁內(nèi)偏移量轉(zhuǎn)換為物理地址。頁面調(diào)入調(diào)出當(dāng)所需頁面不在內(nèi)存中時，從磁盤加載到內(nèi)存，替換掉其他頁面。頁表的實現(xiàn)1頁表結(jié)構(gòu)頁表是操作系統(tǒng)用來管理虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存映射關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。頁表通常以數(shù)組形式組織，每個條目對應(yīng)一個頁。2頁表內(nèi)容每個頁表條目包含虛擬頁號和物理頁號，以及其他信息，如訪問權(quán)限、修改位等。3頁表管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理頁表，包括創(chuàng)建、更新、刪除頁表條目，以及處理頁表缺頁等操作。頁面置換算法1FIFO先進(jìn)先出2LRU最近最少使用3OPT最佳置換4CLOCK時鐘算法頁面置換算法用于決定哪個頁面被替換出內(nèi)存，以騰出空間給新頁面。不同的算法會帶來不同的性能。FIFO算法簡單易懂，但容易出現(xiàn)Belady現(xiàn)象，導(dǎo)致頁面置換頻繁。LRU算法更能反映實際情況，但實現(xiàn)復(fù)雜。OPT算法是理論上的最佳算法，但無法在實際中實現(xiàn)。CLOCK算法是LRU算法的近似實現(xiàn)，兼顧性能和復(fù)雜度。高速緩存與虛擬存儲器的關(guān)系高速緩存高速緩存是一個小的、快速的內(nèi)存，用于存儲最近訪問的數(shù)據(jù)。它位于主存儲器和CPU之間，可以快速訪問數(shù)據(jù)，提高程序執(zhí)行速度。虛擬存儲器虛擬存儲器使用硬盤空間來擴(kuò)展主存儲器的容量。它將程序和數(shù)據(jù)劃分為頁面，并將頁面存儲在硬盤上，僅將需要訪問的頁面加載到主存儲器中。外存儲器11.持久存儲與主存儲器不同，外存用于長期存儲數(shù)據(jù)，即使電源關(guān)閉后也不會丟失。22.大容量存儲外存的容量通常遠(yuǎn)大于主存儲器，能夠存儲海量的文件和數(shù)據(jù)。33.訪問速度較慢由于存儲介質(zhì)和訪問方式的差異，外存的訪問速度通常比主存儲器慢得多。外存的分類硬盤硬盤是當(dāng)前最常用的外存儲器，它采用磁記錄技術(shù)，具有容量大、成本低等特點。閃存閃存是一種固態(tài)存儲器，它使用閃存芯片存儲數(shù)據(jù)，特點是速度快、體積小。磁帶磁帶是一種古老的存儲介質(zhì)，主要用于數(shù)據(jù)備份和歸檔，具有容量大、價格低的特點。光盤光盤采用激光技術(shù)記錄數(shù)據(jù)，分為CD、DVD和Blu-ray等類型，具有耐用性強(qiáng)、容量大的特點。外存的基本工作原理數(shù)據(jù)傳輸外存通過數(shù)據(jù)傳輸線與主