《存儲器系統(tǒng)》課件

存儲器系統(tǒng)探討計算機系統(tǒng)中各類存儲設備的工作原理、特點和應用。涉及主存儲器、磁盤存儲、光存儲等技術。存儲器簡介什么是存儲器存儲器是計算機系統(tǒng)中用于存儲數據和程序的重要硬件組件。它能夠臨時或永久地保存信息,供中央處理器(CPU)讀取和執(zhí)行。存儲器的層次結構存儲器分為主存儲器和輔助存儲器兩大類,并呈現(xiàn)出層次化結構。主存儲器具有快速訪問能力,而輔助存儲器則更大容量、更便宜。存儲器的性能指標存儲器的主要性能指標包括存儲容量、存取時間和帶寬等。這些指標決定了存儲器的使用場景和應用范圍。存儲器的層次結構主存儲器主存儲器是計算機系統(tǒng)直接訪問的存儲器,為中央處理器提供指令和數據。主要包括半導體存儲器SRAM和DRAM。輔助存儲器輔助存儲器用于大容量、長期存儲程序和數據,包括磁性存儲器(軟硬盤)、光學存儲器(CD/DVD)和閃存存儲器。Cache存儲器Cache存儲器作為CPU和主存之間的緩沖,提高訪問速度,是存儲器體系結構中的重要組成部分。虛擬存儲器虛擬存儲器技術為程序和數據提供了更大的邏輯地址空間,提高了內存利用率。包括頁式和分段式。主存儲器存儲容量大主存儲器為計算機提供大容量的存儲空間,可存儲程序代碼和數據。其容量一般范圍從數GB到數十GB不等。讀寫速度快主存儲器采用半導體技術,可在納秒級時間內完成數據的存取,響應速度極快。訪問方式靈活主存儲器支持隨機訪問,可以快速定位和訪問任意存儲單元的數據,非常靈活。易失性主存儲器通常采用易失性存儲技術,一旦斷電數據就會丟失,需要配合輔助存儲器使用。半導體存儲器1集成電路技術半導體存儲器采用集成電路技術制造,體積小巧、集成度高且功耗低。2種類豐富常見的半導體存儲器包括SRAM、DRAM、閃存等多種類型,各有不同特點。3應用廣泛半導體存儲器廣泛應用于計算機、手機、電子產品等,是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的核心組件。隨機存取存儲器(SRAM)快速訪問SRAM采用觸發(fā)器電路設計,具有較短的讀寫時間,適合作為高速緩存和臨時數據存儲。非破壞性讀取SRAM的讀取操作不會破壞存儲的數據,可重復訪問而不會丟失信息。低功耗SRAM只有在讀寫時才消耗電能,不需要周期性的刷新,因此功耗較低。集成度較低SRAM單元內部電路較復雜,每個存儲單元需要多個晶體管,因此集成度相對較低。動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)存儲單元DRAM的存儲單元由一個電容和一個晶體管組成,能夠存儲單個位(0或1)的數據。刷新機制DRAM需要定期刷新以保持數據不丟失,每個存儲單元約2-4毫秒刷新一次。訪問時序DRAM需要先行選擇行和列,再進行讀寫操作,訪問時序較為復雜。輔助存儲器磁性存儲器磁性存儲器主要包括軟盤和硬盤,能夠提供大容量、長數據保持時間的存儲。光學存儲器光學存儲器主要包括光驅、CD/DVD,采用激光束讀寫數據,容量大、成本低。閃存存儲器閃存存儲器無機械運動部件,具有訪問速度快、耐沖擊、功耗低等優(yōu)點。磁性存儲器軟盤軟盤是最早的磁性存儲設備之一,采用柔軟的磁性材料作為存儲介質。雖然容量小,但優(yōu)點是便攜性強、價格低廉。硬盤硬盤使用堅硬的金屬或玻璃作為磁性存儲介質,擁有更大的存儲容量和更快的存取速度。廣泛應用于各類計算機系統(tǒng)。磁性存儲器軟盤軟盤是早期最常見的磁性存儲設備之一，采用可移動磁性盤片作為存儲介質。盡管容量較小,但軟盤的價格便宜,攜帶方便,使其在過去廣泛應用于個人電腦和工業(yè)設備。硬盤硬盤是當前最常用的磁性存儲設備,采用剛性磁性盤片作為存儲介質。相比軟盤,硬盤具有更大的存儲容量、更快的訪問速度和更可靠的存儲性能,廣泛應用于各種計算機系統(tǒng)。光學存儲器光驅光驅使用激光讀寫數據,包括CD、DVD和Blu-ray光盤等,容量從幾百MB到幾十GB不等。光學存儲的優(yōu)勢光學存儲無接觸讀寫,避免磁頭磨損,無外部磁場干擾,存儲數據可靠性高。光驅發(fā)展趨勢隨著4K、8K視頻等大容量應用需求,光驅正向著更高容量和傳輸速率的方向發(fā)展。光驅和CD/DVD1光驅簡介光驅是一種利用激光技術讀寫光盤的存儲設備,可以存儲和訪問大量數據。2CD和DVDCD(光盤)和DVD(數字萬能光盤)是兩種主流的光存儲介質,容量和性能各有特點。3應用場景光驅廣泛應用于個人電腦、游戲機、汽車音響系統(tǒng)等,為用戶提供便捷的存儲和播放體驗。閃存存儲器快速訪問閃存具有快速的隨機訪問能力,訪問速度接近主存,遠快于硬盤。無機械部件閃存是一種全固態(tài)存儲設備,沒有可移動的機械部件,更耐用可靠。低功耗閃存在不使用時幾乎不消耗電源,非常適合移動設備等低功耗應用?？刹脸貜屠瞄W存可以通過編程擦除和重新編程,可反復使用,非常靈活。存儲器訪問方式1字節(jié)尋址每個存儲單元都有唯一的地址2字尋址以字為單位進行尋址和訪問存儲器可以根據不同的尋址方式來訪問數據。字節(jié)尋址是以每個存儲單元作為最小單位進行訪問，每個存儲單元都有唯一的地址。而字尋址則是以字為單位進行尋址和訪問，更加高效。字節(jié)尋址基本概念字節(jié)尋址是一種存儲器尋址方式,通過指定每個存儲單元的確切地址來訪問內存中的單個字節(jié)。這種方式可以靈活地訪問任意位置的數據,為程序提供更大的靈活性。優(yōu)勢與字尋址相比,字節(jié)尋址可以更精細地控制內存訪問,更好地滿足不同數據大小的需求。這種方式有助于提高存儲器的利用效率和數據訪問的靈活性。字尋址定位準確字尋址以字為單位訪問存儲器,可以精確定位到所需字的地址,提高訪問效率。結構簡單相比于字節(jié)尋址,字尋址的存儲管理邏輯更加簡單,易于實現(xiàn)。訪問更快字尋址可以一次性訪問整個字,無需多次訪問字節(jié),提高了存儲器的訪問速度。存儲器性能指標1存取時間決定訪問數據的快慢2帶寬決定數據傳輸能力3容量決定可存儲數據量存儲器的性能主要由三個指標決定:存取時間、帶寬和容量。存取時間直接影響數據訪問的快慢,帶寬決定了數據傳輸的能力,而容量則決定了可以存儲的數據量。這三個指標共同決定了存儲器的整體性能表現(xiàn)。存取時間1訪問延遲存取時間是指從發(fā)出存取命令到數據真正準備就緒所需的時間。它包括了尋址延遲和讀寫延遲。2內存層次結構不同存儲器層次的存取時間有較大差異,從L1緩存到硬盤可以相差數個數量級。3影響因素存取時間由存儲器介質特性、存取機制、讀寫操作類型等因素決定。帶寬定義帶寬指在一定時間內數據傳輸的最大容量。它是衡量存儲器性能的一個重要指標。影響因素帶寬受到線路長度、信號質量和電路設計等因素的影響。優(yōu)化這些因素可以提高帶寬。重要性隨著大數據和多媒體應用的興起,帶寬的重要性日益凸顯。高帶寬可以保證系統(tǒng)的快速響應和數據傳輸。Cache存儲器提高存儲器性能Cache存儲器位于CPU和主存之間,能夠緩存常用數據和指令,大幅減少CPU訪問主存的次數,提高整體系統(tǒng)性能。工作原理當CPU訪問數據時,先在Cache中查找,若找到(命中)則直接從Cache中讀取,否則(失效)再從主存中加載到Cache。Cache的工作原理數據交換緩存Cache作為計算機與主存之間的中間緩存層,可以大幅提高數據訪問速度。空間局部性利用程序傾向訪問鄰近存儲單元的特點,Cache可以預讀并存儲附近的數據。時間局部性利用程序傾向重復訪問相同數據的特點,Cache可以將最近訪問過的數據保存下來。命中判斷通過標記信息判斷請求數據是否在Cache中,從而決定從主存還是Cache中讀取。Cache的性能指標訪問時間從CPU發(fā)出請求到從Cache中獲取數據的時間延遲。這是衡量Cache性能的關鍵指標。帶寬Cache每秒可以傳輸的數據量,決定了CPU能從Cache中獲取數據的速度。命中率請求在Cache中命中的概率,越高越能減少對主存的訪問,提高整體性能。Cache命中率與存儲器性能1Cache命中率Cache命中率是評判Cache性能的關鍵指標之一，表示數據訪問請求能夠在Cache中找到所需數據的概率。2性能提升較高的Cache命中率意味著更多的數據訪問能夠在Cache中完成，從而減少了對主存的訪問次數，提升了整體存儲系統(tǒng)的性能。3影響因素Cache命中率受到諸多因素的影響，包括Cache容量、關聯(lián)度、替換算法、應用程序的訪問模式等。Cache層次結構L1Cache位于CPU內部,具有最快的訪問速度,但容量較小。L2Cache位于CPU芯片外部,訪問速度略慢于L1,但容量較大。MainMemory主存儲器容量更大,但訪問速度較慢。與L1和L2Cache形成多級緩存層次結構。DiskStorage容量最大但訪問速度最慢,主要用于長期數據存儲。緩存替換策略1隨機替換按照隨機概率進行頁面替換2先進先出(FIFO)按照頁面進入緩存的先后順序進行替換3最近最少使用(LRU)替換最近最少訪問的頁面緩存替換策略是決定在緩存容量已滿時，如何選擇需要替換的緩存頁面的算法。常用的策略有隨機替換、先進先出(FIFO)和最近最少使用(LRU)。其中LRU是最常見且效果較好的策略。隨機替換隨機替換算法隨機替換算法是一種基本的頁面置換算法。它會隨機選擇一個頁面進行替換，不考慮頁面的使用情況。雖然實現(xiàn)簡單,但不能準確預測頁面的使用情況,效率較低。缺點隨機替換算法無法考慮頁面的使用頻率,可能會替換掉經常使用的頁面,導致頻繁的頁面置換,降低系統(tǒng)性能。它不能充分利用內存空間,無法實現(xiàn)最優(yōu)的頁面置換策略。應用場景隨機替換算法適用于內存管理簡單,對性能要求不高的場景,如嵌入式系統(tǒng)等。但在需要更高性能的場景中,應該選擇更復雜但更優(yōu)化的置換算法。先進先出(FIFO)算法簡單易懂FIFO算法遵循先進先出的原則，實現(xiàn)簡單、代碼量少、易于理解和實現(xiàn)。公平性高FIFO算法對頁面的處理沒有偏好，每個頁面都有平等的機會被選中替換。緩解頁面抖動FIFO算法可以有效地減少頁面抖動的發(fā)生,提高系統(tǒng)的整體性能。LRU最近最少使用算法原理簡述LRU算法會跟蹤記錄頁面的使用情況,把最長時間未被訪問的頁面換出。這樣能夠maximize最近訪問過的頁面在內存中的保存時間。實現(xiàn)方式通常使用鏈表或者隊列來維護頁面的使用順序,新訪問的頁面移到隊頭,替換時選擇隊尾的頁面。算法優(yōu)勢LRU能夠較好地反映程序的局部特性,命中率較高,是虛擬存儲系統(tǒng)中常用的頁面置換算法。Cache寫策略1直寫式數據直接寫入主存2回寫式數據先寫入Cache,再異步更新主存3延遲寫入將寫操作推遲到Cache條目被替換時Cache寫策略決定數據何時從Cache寫回主存。直寫式是直接寫入主存,而回寫式先寫入Cache再異步更新主存。延遲寫入則是將寫操作推遲到Cache條目被替換時執(zhí)行。不同寫策略在性能和實現(xiàn)復雜度上有取舍。直寫式數據實時寫入在直寫式Cache中，數據被直接寫入主存儲器，無需緩存。這樣可以確保數據實時更新。簡單高效由于不需要額外的緩存管理,直寫式緩存的實現(xiàn)相對簡單,運行效率也更高。數據一致性直寫式可以確保主存儲器中的數據始終是最新的,避免了數據不一致的問題?；貙懯綌祿懭氩呗曰貙懯骄彺鏁诰彺嫘斜惶鎿Q或刷新時才將修改的數據寫入主存儲器。這種策略能提高寫入性能,但需要額外的復雜度來維護緩存和主存的一致性。性能優(yōu)勢相比直寫式,回寫式緩存能更好地利用局部性原理,減少與主存的頻繁交互,從而提升整體系統(tǒng)的吞吐量和響應時間。一致性維護回寫式需要更復雜的緩存一致性協(xié)議,如MESI協(xié)議,以確保緩存和主存數據的一致性,增加了系統(tǒng)的設計難度。Cache一致性協(xié)議1MSI協(xié)議MSI協(xié)議是一種基本的緩存一致性協(xié)議,它定義了三種緩存塊狀態(tài):修改(M)、共享(S)和無效(I)。2MESI協(xié)議MESI協(xié)議擴展了MSI協(xié)議,引入了獨占(E)狀態(tài),用于提高命中率和減少總線事務。3MOESI協(xié)議MOESI協(xié)議進一步擴展了MESI協(xié)議,增加了獨占可修改(O)狀態(tài),以優(yōu)化總線事務并減少緩存塊替換。MSI緩存一致性協(xié)議1改變狀態(tài)MSI協(xié)議定義了緩存行三種狀態(tài):Modified(M)、Shared(S)和Invalid(I)。2讀取命中如果緩存行在S狀態(tài),則命中后保持S狀態(tài);如果在M狀態(tài),則命中后更新為S狀態(tài)。3寫入命中如果緩存行在M狀態(tài),則直接寫入;如果在S狀態(tài),則先更新為M狀態(tài)再寫入。4寫回操作當緩存行被替換時,如果狀態(tài)為M,則需要寫回主存。MESI一致性協(xié)議特點MESI協(xié)議是一種改進的緩存一致性協(xié)議,通過定義4種緩存行狀態(tài)來有效管理緩存數據。狀態(tài)定義M(修改狀態(tài))、E(獨占狀態(tài))、S(共享狀態(tài))和I(無效狀態(tài)),可準確反映緩存行的最新狀態(tài)。運作機制MESI通過狀態(tài)轉換,有效避免了總線風暴,提高了多處理器系統(tǒng)的性能和可擴展性。應用領域MESI廣泛應用于多處理器系統(tǒng)、共享存儲系統(tǒng)以及其他需要緩存一致性管理的領域。虛擬存儲器1工作原理將主存分成頁面，使用頁表將虛擬地址映射到物理地址。2頁式虛擬存儲器將地址空間劃分為固定大小的頁面，采用基于頁表的地址翻譯。3分段式虛擬存儲器將地址空間劃分為可變長度的段，以段為單位進行地址翻譯。虛擬存儲器技術可以讓程序使用的地址空間大于實際的物理內存容量。通過頁式或分段式的地址映射機制，將虛擬地址轉換為物理地址，實現(xiàn)了更大的可用內存空間。這不僅提高了內存利用率，還能為進程提供獨立的地址空間。虛擬存儲器的工作原理內存容量擴展虛擬存儲器通過將部分數據存儲在硬盤上的方式來擴展計算機的內存容量。只有被頻繁訪問的數據保留在內存中,而較少使用的數據被換出到硬盤上。地址空間管理虛擬存儲器為每個進程提供一個連續(xù)的地址空間。操作系統(tǒng)負責將虛擬地址映射到實際的物理地址,實現(xiàn)內存的動態(tài)分配和管理。頁式虛擬存儲器1連續(xù)地址空間頁式虛擬存儲器將邏輯地址空間劃分為固定大小的頁面,映射到物理內存的頁框上。2頁面置換算法當需要訪問的頁面不在物理內存中時,需要使用頁面置換算法將其調入內存。3硬件支持頁式虛擬存儲器需要硬件提供頁表以及頁表基址寄存器等支持。分段式虛擬存儲器空間劃分將邏輯地址空間劃分為多個不同大小的段,每個段可以獨立管理和訪問。靈活性滿足不同應用程序對內存空間大小的需求,提高內存利用率。保護機制每個段可設置訪問權限,提高系統(tǒng)安全性和可靠性。缺頁中斷處理1監(jiān)測頁面訪問系統(tǒng)會監(jiān)控每個進程訪問虛擬地址的情況,一旦發(fā)現(xiàn)當前進程訪問的頁面不在物理內存中,就會觸發(fā)缺頁中斷。2查找頁表操作系統(tǒng)會查找頁表,確定所訪問虛擬地址對應的物理頁面地址。如果頁表項無效,則表示發(fā)生了缺頁中斷。3頁面調度系統(tǒng)會根據頁面置換算法,選擇合適的頁面進行置換,將所需頁面調入內存,并更新頁表,最后恢復進程執(zhí)行。頁面置換算法先進先出(FIFO)按照進入頁表的先后順序進行替換，淘汰最早進入頁表的頁面。簡單高效但無法反映頁面的使用頻率。最近最少使用(LRU)根據頁面的訪問時間進行替換，淘汰最長時間未訪問的頁面。可反映頁面的使用頻率但實現(xiàn)復雜。最少使用算法根據