《存儲器及存儲系統(tǒng)》課件

存儲器及存儲系統(tǒng)存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一,它用于暫時(shí)或永久地存儲數(shù)據(jù)和程序。了解存儲器的工作原理和性能特征,對于設(shè)計(jì)和優(yōu)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)至關(guān)重要。存儲器概述內(nèi)存結(jié)構(gòu)存儲器由電路元件組成,用于存儲和檢索數(shù)據(jù)。常見的存儲器包括ROM、RAM、硬盤等。存儲容量存儲器的容量決定了系統(tǒng)能夠存儲的數(shù)據(jù)量,大容量存儲器可以滿足對大數(shù)據(jù)的需求。存取速度存儲器的讀寫速度決定了系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的效率,高速存儲器有利于提升系統(tǒng)性能。存儲器的分類按工作原理分類存儲器可分為半導(dǎo)體存儲器和磁性存儲器，前者利用半導(dǎo)體器件存儲信息，后者利用磁性材料存儲信息。按存儲方式分類存儲器可分為隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)，前者數(shù)據(jù)可讀寫，后者數(shù)據(jù)只可讀取不可寫入。按存儲內(nèi)容分類存儲器可分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，前者存儲程序指令，后者存儲運(yùn)算數(shù)據(jù)。按存儲容量分類存儲器可分為主存儲器和輔助存儲器，前者容量較小但訪問速度快，后者容量較大但訪問速度慢。半導(dǎo)體存儲器1特點(diǎn)半導(dǎo)體存儲器具有體積小、功耗低、訪問速度快等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和各類電子設(shè)備。2分類根據(jù)存儲內(nèi)容的可讀寫性分為隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)兩大類。3工作原理通過半導(dǎo)體器件如晶體管和電容實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的讀寫操作,是目前最主流的存儲技術(shù)。4應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電子設(shè)備等,是現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。ROM的分類只讀存儲器(ROM)ROM是一種出廠時(shí)就被預(yù)先編程好的存儲器,內(nèi)容不可更改。它提供了穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)存儲?？删幊蘎OM(PROM)PROM是一種可由用戶編程的只讀存儲器,用戶可以使用特殊的編程設(shè)備進(jìn)行一次性編程?？刹脸删幊讨蛔x存儲器(EPROM)EPROM可通過紫外光擦除原有內(nèi)容,然后重新編程。它提供了更大的靈活性和可修改性。電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)EEPROM可通過電子方式擦除和重新編程,無需使用紫外線。它比EPROM更便捷和靈活。PROM和EPROM1PROM-可編程只讀存儲器PROM是由半導(dǎo)體制造商事先制造好的只讀存儲器。用戶可以通過特殊的編程設(shè)備對PROM進(jìn)行一次性編程,之后就無法再次修改內(nèi)部數(shù)據(jù)。2EPROM-可擦除可編程只讀存儲器EPROM具有可擦除功能,使用紫外光照射可以擦除內(nèi)部數(shù)據(jù),之后再次進(jìn)行編程。但需要專用的設(shè)備進(jìn)行擦寫操作。3EPROM的應(yīng)用EPROM廣泛應(yīng)用于需要靈活修改內(nèi)部程序的領(lǐng)域,如計(jì)算機(jī)、工控設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)等。可以反復(fù)進(jìn)行編程和修改。EEPROM和Flash1擦除變化靈活EEPROM和Flash可以多次擦除和重寫數(shù)據(jù)2不需外部電源內(nèi)部電路可自行完成擦寫操作3集成度較高能集成更多的存儲單元提高存儲密度EEPROM和Flash是兩種非易失性存儲器,它們可以在掉電時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。與普通ROM不同,EEPROM和Flash可以多次進(jìn)行擦除和重寫操作,并且無需外部電源即可完成自動擦寫。這些特性使得它們廣泛應(yīng)用于需要頻繁更新的電子設(shè)備中。SRAM的工作原理1數(shù)據(jù)儲存基于觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)2讀取數(shù)據(jù)通過位選信號和字選信號訪問3數(shù)據(jù)保持不需要刷新,只要保持供電SRAM(StaticRandomAccessMemory)是一種靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器,其工作原理是基于觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)而成。SRAM可以通過位選信號和字選信號快速訪問數(shù)據(jù),不需要定期刷新就可以保持?jǐn)?shù)據(jù),只要保持供電就不會丟失數(shù)據(jù)。這種工作原理使SRAM具備訪問速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于CPU高速緩存等場合。DRAM的工作原理存儲單元DRAM由由單個(gè)電容和晶體管組成的存儲單元構(gòu)成,能夠存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)"0"或"1"。刷新操作由于電容會不斷放電,DRAM需要周期性地進(jìn)行刷新操作以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。尋址和讀寫通過行地址和列地址選擇特定的存儲單元,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入。電路結(jié)構(gòu)DRAM采用矩陣式的電路結(jié)構(gòu),行地址和列地址供給DRAM控制邏輯電路進(jìn)行尋址。高速緩存存儲器快速讀寫高速緩存可提供比主存更快的讀寫速度,大幅提升系統(tǒng)性能。容量有限高速緩存容量較小,一般只有幾KB到幾MB,無法完全取代主存。數(shù)據(jù)調(diào)度高速緩存通過預(yù)讀和替換策略,有效管理數(shù)據(jù)的流向和存儲。緩存的工作原理1數(shù)據(jù)加載當(dāng)CPU需要從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時(shí),首先檢查緩存中是否有相應(yīng)的數(shù)據(jù)拷貝。如果找到,則直接從緩存中讀取,避免了訪問主存的延遲。2數(shù)據(jù)更新當(dāng)CPU需要修改數(shù)據(jù)時(shí),會先在緩存中更新數(shù)據(jù)。在合適的時(shí)機(jī),再把修改同步到主存中,提高了系統(tǒng)性能。3緩存管理緩存管理策略決定了數(shù)據(jù)如何在緩存和主存之間移動,包括替換算法、寫策略等,確保緩存中始終保留最重要的數(shù)據(jù)。緩存的命中與未命中命中當(dāng)CPU需要訪問數(shù)據(jù)時(shí),如果該數(shù)據(jù)已經(jīng)存在于緩存中,就稱為緩存命中。命中可以快速返回?cái)?shù)據(jù),提高系統(tǒng)性能。未命中當(dāng)CPU需要訪問的數(shù)據(jù)不在緩存中時(shí),就會發(fā)生緩存未命中。此時(shí)需要從主存或者更高級別的緩存中讀取數(shù)據(jù),延遲會增加。性能影響緩存命中率的高低直接決定了系統(tǒng)的整體性能。提高命中率是緩存設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一。緩存的設(shè)計(jì)策略緩存置換策略通過分析程序的訪問模式來選用合適的緩存置換算法，如LRU、FIFO、LFU等，以提高緩存命中率。緩存關(guān)聯(lián)性直接映射、組相聯(lián)或全關(guān)聯(lián)等不同的緩存關(guān)聯(lián)性會影響緩存性能，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。緩存寫策略采用寫直達(dá)或?qū)懟夭呗詠砥胶饩彺鎸懖僮鞯男阅芎蛷?fù)雜度，滿足不同應(yīng)用需求。緩存塊大小合理選擇緩存塊大小可以提高空間利用率和命中率，需要權(quán)衡緩存容量與訪問延遲。磁性存儲器磁鐵存儲原理磁性存儲器利用磁鐵的磁性特性來記錄和存儲數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲單元都是一個(gè)微小的磁鐵，它的磁化方向代表不同的二進(jìn)制狀態(tài)。磁盤驅(qū)動器磁盤驅(qū)動器是最常見的磁性存儲設(shè)備，利用一個(gè)或多個(gè)圓盤表面記錄數(shù)據(jù)。磁頭在快速旋轉(zhuǎn)的磁盤表面上讀寫數(shù)據(jù)。磁帶存儲器磁帶存儲器利用磁性磁帶進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)被順序地記錄在磁帶上，可以快速檢索和存取數(shù)據(jù)。適用于大容量備份和歸檔。磁性存儲優(yōu)勢磁性存儲容量大、速度快、壽命長、抗干擾性強(qiáng)。廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)主存儲器、外存儲器和音頻視頻存儲。磁盤存儲器磁盤介質(zhì)磁盤存儲器使用金屬或塑料基板涂有磁性材料的磁盤作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。磁盤驅(qū)動器磁盤驅(qū)動器用于讀取和寫入磁盤上的數(shù)據(jù),并提供對存儲介質(zhì)的隨機(jī)訪問。數(shù)據(jù)讀寫磁頭在磁盤表面滑動,利用電磁感應(yīng)的原理完成對數(shù)據(jù)的讀取和寫入。存儲容量隨著技術(shù)的發(fā)展,單片磁盤的存儲容量不斷提高,從幾兆字節(jié)到幾千兆字節(jié)。光學(xué)存儲器光盤存儲器光盤存儲器利用激光來讀寫數(shù)據(jù),具有容量大、訪問速度快、耐用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦、音樂播放器等設(shè)備。光驅(qū)構(gòu)造光驅(qū)由激光頭、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伺服系統(tǒng)等部件組成,能夠準(zhǔn)確地定位并讀寫光盤上的數(shù)據(jù)。光盤種類常見的光盤類型包括CD、DVD以及藍(lán)光光盤,它們在存儲容量、讀寫速度等方面各有特點(diǎn)。光盤存儲器工作原理1激光聚焦激光束被聚焦到極細(xì)的光斑上2數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)編碼成微小的凹坑或焦斑3讀取機(jī)制反射光被檢測并轉(zhuǎn)換為電子信號4信號處理信號被放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)光盤存儲器工作原理基于激光束的聚焦和反射。激光束被聚焦到極細(xì)的光斑上,照射在光盤表面。當(dāng)光斑照射到光盤上的微小凹坑或焦斑時(shí),反射光的強(qiáng)度會發(fā)生變化。這種變化被檢測并轉(zhuǎn)換為電子信號,最終被處理為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。光驅(qū)的分類1CD-ROM驅(qū)動器最早的光驅(qū)類型,可讀取CD-ROM光碟,包括音樂CD和數(shù)據(jù)CD。讀取速度較慢。2DVD驅(qū)動器可讀取DVD光碟,采用更高密度的光學(xué)系統(tǒng),讀取速度更快,支持高清影像和大容量數(shù)據(jù)。3藍(lán)光驅(qū)動器使用藍(lán)紫色激光,比DVD驅(qū)動器具有更高的存儲密度和讀取速度,適用于高清影像存儲。4外置光驅(qū)可以方便地連接到筆記本電腦或其他設(shè)備,提高便攜性和靈活性。存儲系統(tǒng)的工作過程1輸入輸出系統(tǒng)從外部設(shè)備接收數(shù)據(jù)輸入2存儲管理存儲器管理系統(tǒng)調(diào)度數(shù)據(jù)存儲和訪問3數(shù)據(jù)處理CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和運(yùn)算處理4輸出呈現(xiàn)處理結(jié)果輸出至外部設(shè)備存儲系統(tǒng)的工作過程包括:從外部設(shè)備接收輸入數(shù)據(jù),由存儲管理系統(tǒng)調(diào)度存儲和訪問,CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最終將結(jié)果輸出到外部設(shè)備。這一過程體現(xiàn)了存儲系統(tǒng)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的重要作用,確保數(shù)據(jù)能夠被高效地存儲和處理。存儲器層次結(jié)構(gòu)層次化結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì),從最快但容量小的高速緩存,到容量大但讀寫速度較慢的硬盤等輔助存儲器,形成一個(gè)存儲層次結(jié)構(gòu)。性能與成本權(quán)衡層次結(jié)構(gòu)平衡了存儲性能和成本。容量大但速度慢的存儲介質(zhì)用作主存儲器,容量小但速度快的存儲介質(zhì)用作緩存。數(shù)據(jù)訪問策略存儲層次結(jié)構(gòu)需要合理調(diào)度數(shù)據(jù)在各層之間的交換,以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。虛擬存儲技術(shù)虛擬存儲技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展了存儲層次結(jié)構(gòu),將硬盤等輔助存儲器集成到內(nèi)存地址空間中。主存和輔存的交換訪問主存CPU需要執(zhí)行某個(gè)程序或訪問數(shù)據(jù)時(shí),首先會在主存中尋找所需的信息。數(shù)據(jù)不在主存如果所需的程序或數(shù)據(jù)不在主存中,則需要從輔存讀取到主存中。數(shù)據(jù)交換過程系統(tǒng)會把輔存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊調(diào)入主存,CPU可以直接訪問并使用這些數(shù)據(jù)。虛擬存儲技術(shù)虛擬存儲技術(shù)可以自動管理主存和輔存之間的數(shù)據(jù)交換,提高存儲利用率。虛擬存儲器磁盤擴(kuò)充主存虛擬存儲器使用磁盤空間來擴(kuò)充有限的物理主存,通過頁面交換提供更大的地址空間供程序使用。按需加載頁面只有需要使用的程序頁面才會被加載到物理主存,而不使用的頁面則保留在磁盤上。管理復(fù)雜性虛擬存儲器管理需要操作系統(tǒng)提供頁面調(diào)度、置換等功能,增加了系統(tǒng)管理的復(fù)雜性。虛擬存儲器的實(shí)現(xiàn)1尋址機(jī)制虛擬存儲器采用虛擬地址和物理地址的映射機(jī)制，通過頁表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。2頁面置換算法當(dāng)需要調(diào)入的頁面不在內(nèi)存時(shí)，需要采用頁面置換算法選擇淘汰某些頁面以騰出空間。3硬件支持虛擬存儲器的實(shí)現(xiàn)需要CPU、內(nèi)存管理單元(MMU)等硬件提供支持和配合。存儲器控制方式存儲器控制單元管理存儲器的訪問和操作,確保數(shù)據(jù)在存儲器和CPU之間正確傳輸。存儲器訪問控制控制CPU和存儲器間的數(shù)據(jù)傳輸,包括讀寫操作和地址分配等。存儲器刷新機(jī)制定期更新動態(tài)RAM中的數(shù)據(jù),防止數(shù)據(jù)丟失。確保DRAM的可靠存儲。DMA工作原理1初始化CPU設(shè)置DMA控制器的寄存器2數(shù)據(jù)傳輸DMA控制器直接訪問內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸3傳輸完成DMA控制器通知CPU任務(wù)完成DMA（DirectMemoryAccess）工作原理包括三個(gè)主要步驟:首先,CPU設(shè)置DMA控制器的寄存器,指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂泛烷L度;然后,DMA控制器直接訪問內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,無需CPU參與;最后,DMA控制器通知CPU任務(wù)完成。這種直接內(nèi)存訪問方式可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率?？偩€仲裁算法1公平性總線仲裁算法確保每個(gè)設(shè)備都有公平的訪問機(jī)會,防止任何設(shè)備獨(dú)占總線。2優(yōu)先權(quán)算法可以根據(jù)設(shè)備的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度,保證關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)先獲取總線使用權(quán)。3響應(yīng)時(shí)間算法應(yīng)盡量縮短設(shè)備等待總線的響應(yīng)時(shí)間,減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。4效率最大化算法應(yīng)協(xié)調(diào)各設(shè)備合理使用總線帶寬,提高整體系統(tǒng)的傳輸效率。存儲器性能評價(jià)指標(biāo)10ns訪問時(shí)間存儲器數(shù)據(jù)讀取所需的時(shí)間500MB/s帶寬存儲器單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量5可靠性存儲器數(shù)據(jù)保存的穩(wěn)定性20K耐久性存儲器可重復(fù)寫入的次數(shù)存儲器性能評價(jià)指標(biāo)包括訪問時(shí)間、帶寬、可靠性和耐久性。這些指標(biāo)反映了存儲器的工作效率、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和使用壽命。合理選擇滿足應(yīng)用需求的存儲器非常重要。存儲系統(tǒng)的發(fā)展趨勢云存儲云存儲技術(shù)不斷進(jìn)步,為用戶提供更大容量、更快速度和更靈活的存儲方案。固態(tài)存儲固態(tài)硬盤的價(jià)格下降和容量增加,令其逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械硬盤成為主流。智能存儲人工智能技術(shù)的應(yīng)用,使存儲系統(tǒng)具備自動化管理和智能化服務(wù)的新能力。高速互聯(lián)5G等高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,讓存儲和計(jì)算