《內(nèi)部存儲器》課件

內(nèi)部存儲器內(nèi)部存儲器是計算機(jī)中最基礎(chǔ)和最重要的存儲系統(tǒng)之一。它提供了快速、直接的數(shù)據(jù)訪問,是CPU與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的中樞。了解內(nèi)部存儲器的結(jié)構(gòu)和功能,對于理解和掌握計算機(jī)系統(tǒng)的工作原理至關(guān)重要。課程目標(biāo)深入理解內(nèi)部存儲器的分類和特點(diǎn)包括主存儲器、輔助存儲器以及各類型存儲器的工作原理和性能指標(biāo)。學(xué)習(xí)存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)了解存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)及其在計算機(jī)系統(tǒng)中的作用。掌握存儲器的管理和分配技術(shù)包括虛擬存儲器、內(nèi)存管理單元以及緩存存儲器的相關(guān)知識。內(nèi)容大綱內(nèi)部存儲器概述概述內(nèi)部存儲器的基本特點(diǎn)和功能。內(nèi)部存儲器的分類介紹內(nèi)部存儲器的主要類型和特點(diǎn)。半導(dǎo)體主存儲器重點(diǎn)講解SRAM和DRAM兩種主流半導(dǎo)體主存儲器。輔助存儲器包括硬盤驅(qū)動器、固態(tài)硬盤和光學(xué)存儲器等。內(nèi)部存儲器概述計算機(jī)的內(nèi)部存儲器內(nèi)部存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一,它用于存儲程序指令和數(shù)據(jù),為中央處理器提供及時快速的數(shù)據(jù)訪問。內(nèi)部存儲器分為主存儲器和輔助存儲器兩大類。存儲器的層次結(jié)構(gòu)內(nèi)部存儲器按照存取速度和容量大小呈金字塔形的層次結(jié)構(gòu),從最快最小的高速緩存到最慢最大的外部存儲器。不同層次的存儲器各有特點(diǎn),滿足計算機(jī)系統(tǒng)的不同需求。內(nèi)部存儲器的分類內(nèi)部存儲器主要包括各種半導(dǎo)體存儲器、磁性存儲器以及光學(xué)存儲器。不同類型的存儲器在性能、容量和成本等方面各有特點(diǎn),適用于不同的應(yīng)用場景。內(nèi)部存儲器的分類1主存儲器直接為中央處理器提供數(shù)據(jù)和指令的高速存儲器，包括RAM和ROM。2輔助存儲器為主存儲器提供補(bǔ)充存儲的大容量、低速存儲器，如硬盤和光驅(qū)。3虛擬存儲器利用磁盤等輔助存儲器擴(kuò)展主存儲器容量的一種存儲管理技術(shù)。4緩存存儲器介于主存儲器和CPU之間的高速緩沖存儲器，用于彌補(bǔ)它們之間的速度差異。主存儲器主存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)中最重要的存儲器部件之一。它用于暫時存儲程序指令和數(shù)據(jù),以便處理器能夠快速訪問和執(zhí)行。主存儲器通常由半導(dǎo)體芯片制成,具有容量大、訪問速度快等特點(diǎn)。主存儲器可以分為隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)兩大類。RAM可以讀寫,用于存儲程序和數(shù)據(jù);ROM只能讀取,用于存儲基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)等關(guān)鍵程序。主存儲器的容量和性能直接影響計算機(jī)的整體性能。主存儲器的特點(diǎn)高速訪問主存儲器具有高速讀寫性能,可以在納秒量級內(nèi)完成數(shù)據(jù)訪問。這對于程序的快速執(zhí)行至關(guān)重要。易失性主存儲器中的數(shù)據(jù)在斷電時會丟失,需要持續(xù)供電才能保持?jǐn)?shù)據(jù)。這就需要配合其他存儲器使用。容量有限主存儲器的容量相對有限,通常從幾KB到幾GB不等。對于大型程序和數(shù)據(jù),需要配合其他存儲器使用。直接訪問主存儲器可以以隨機(jī)訪問的方式讀寫數(shù)據(jù),無需像磁盤存儲器那樣順序訪問。這提高了訪問效率。主存儲器容量的度量4G容量主存儲器的典型容量為4G字節(jié)100ns訪問時間主存儲器的典型訪問時間為100納秒800MB/s帶寬主存儲器的典型帶寬為800兆字節(jié)/秒主存儲器容量代表了其能夠存儲的數(shù)據(jù)量大小,通常以字節(jié)為單位進(jìn)行度量。訪問時間和帶寬則反映了主存儲器的性能指標(biāo),影響著系統(tǒng)的處理速度。更大的容量和更短的訪問時間以及更高的帶寬是主存儲器設(shè)計的持續(xù)目標(biāo)。半導(dǎo)體主存儲器半導(dǎo)體主存儲器是采用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)制造的存儲器。它具有訪問速度快、容量大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。主要包括靜態(tài)RAM(SRAM)和動態(tài)RAM(DRAM)兩種類型。半導(dǎo)體主存儲器在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色,為CPU提供高速、大容量的存儲支持。靜態(tài)RAM(SRAM)工作原理SRAM使用觸發(fā)器和鎖存器作為存儲單元,通過電子邏輯門電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。與DRAM不同,SRAM無需刷新即可保持?jǐn)?shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)SRAM由六個晶體管組成,具有穩(wěn)定的雙穩(wěn)態(tài)電路,可以較長時間保持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)而無需定期刷新。性能指標(biāo)SRAM讀寫速度快,能耗低,但容量較小且價格較高。常用于CPU緩存和特殊用途的高速存儲。SRAM的原理和結(jié)構(gòu)1基本原理SRAM使用鎖存電路作為存儲單元,能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)而無需定期刷新。每個存儲單元由6個晶體管組成,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫操作。2工作原理當(dāng)選擇某個存儲單元進(jìn)行讀操作時,通過位線和字線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵龆?寫操作時,將新數(shù)據(jù)寫入存儲單元。3存儲陣列SRAM將數(shù)百或數(shù)千個存儲單元組成一個二維存儲陣列,通過行選擇和列選擇實(shí)現(xiàn)對存儲單元的尋址和訪問。SRAM的性能指標(biāo)SRAM的主要性能指標(biāo)包括訪問時間、功耗、集成度和價格。與其他存儲器相比,SRAM的訪問時間更快,功耗更低,但集成度較低,價格較高。這些特點(diǎn)決定了SRAM在計算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。動態(tài)RAM(DRAM)基于電容的存儲原理DRAM使用電容器存儲數(shù)據(jù),需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。簡單且密集的結(jié)構(gòu)DRAM單元由一個晶體管和一個電容器組成,結(jié)構(gòu)簡單但可實(shí)現(xiàn)高密度集成。存儲和讀寫速度較慢DRAM存儲和讀寫操作需要數(shù)據(jù)刷新,性能較SRAM低。廣泛應(yīng)用于主存儲器DRAM作為主存儲器廣泛應(yīng)用于臺式機(jī)、服務(wù)器和移動設(shè)備。DRAM的原理和結(jié)構(gòu)電容存儲原理DRAM采用電容元件作為存儲單元,通過電容的充電狀態(tài)來存儲數(shù)據(jù)"1"或"0"。矩陣式存儲結(jié)構(gòu)DRAM將存儲單元按行列排列成矩陣式結(jié)構(gòu),以提高集成度和存儲容量。讀寫操作通過行地址和列地址選定需要讀寫的存儲單元,利用數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。DRAM的性能指標(biāo)存取時間DRAM的讀寫數(shù)據(jù)所需的時間,通常為10-100納秒。存取時間越短,DRAM的性能越好。刷新時間DRAM單元需定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù),刷新時間通常為10-100毫秒。刷新時間越短,DRAM的性能越好。帶寬DRAM每秒能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,隨技術(shù)進(jìn)步持續(xù)提高。帶寬越高,DRAM的性能越好。閃存存儲器閃存存儲器是一種非易失性存儲器,既可讀也可寫,用于存儲程序代碼和數(shù)據(jù)。它以塊為單位進(jìn)行存儲和讀取,具有快速隨機(jī)訪問、低功耗和抗震等特點(diǎn),在移動設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。閃存存儲器的工作原理是利用電子化學(xué)反應(yīng)來存儲和訪問數(shù)據(jù)。不同于傳統(tǒng)硬盤,閃存沒有機(jī)械運(yùn)動部件,因此可以實(shí)現(xiàn)更高的存取速度和耐用性。閃存存儲器的工作原理1電子存儲利用電子存儲單元存儲數(shù)據(jù)2浮動?xùn)艠O存儲單元內(nèi)部的浮動?xùn)艠O用于存儲電子3光電擦除通過強(qiáng)烈的紫外光照射擦除數(shù)據(jù)4電擦除通過高壓電壓擦除數(shù)據(jù)5電電擦寫通過電壓編程和擦除單元存儲數(shù)據(jù)閃存存儲器的工作原理是基于半導(dǎo)體電子存儲技術(shù),利用浮動?xùn)艠O結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)。通過精準(zhǔn)控制電壓,可以向浮動?xùn)艠O注入或抽出電子,從而改變存儲單元的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)寫入和擦除操作。與傳統(tǒng)硬盤相比,閃存具有更快的訪問速度和更好的抗震性能。閃存存儲器的特點(diǎn)低功耗閃存存儲器無需持續(xù)供電即可保存數(shù)據(jù),能耗極低,非常適合移動設(shè)備使用。耐沖擊閃存沒有任何機(jī)械運(yùn)動部件,非常耐沖擊和振動,可靠性高于機(jī)械硬盤?？焖僭L問閃存內(nèi)部并行結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)訪問速度快,讀寫時延低于機(jī)械硬盤。小型化閃存儲器體積小,重量輕,可以用于便攜式設(shè)備,滿足小型化需求。輔助存儲器除了內(nèi)部存儲器之外,計算機(jī)系統(tǒng)還需要輔助存儲器來存儲大量的數(shù)據(jù)和程序。輔助存儲器通常包括硬盤驅(qū)動器(HDD)、固態(tài)硬盤(SSD)、光學(xué)存儲器等,它們可以提供更大的存儲容量和持久性。輔助存儲器雖然訪問速度較慢,但可以滿足計算機(jī)系統(tǒng)對大容量和長期數(shù)據(jù)存儲的需求。它們是計算機(jī)系統(tǒng)存儲層次結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要組成部分。硬盤驅(qū)動器(HDD)多功能存儲硬盤驅(qū)動器是應(yīng)用最廣泛的大容量數(shù)據(jù)存儲設(shè)備,既可用于存儲操作系統(tǒng)、軟件和文件,也可作為備份與外接存儲設(shè)備。技術(shù)成熟硬盤驅(qū)動器的制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟,能夠提供高容量、高可靠性和高性能的存儲解決方案。成本優(yōu)勢與固態(tài)硬盤相比,硬盤驅(qū)動器的制造成本較低,是一種性價比較高的大容量存儲選擇。固態(tài)硬盤(SSD)高速讀寫性能與傳統(tǒng)硬盤相比,SSD具有更快的數(shù)據(jù)存取速度,可大幅提升系統(tǒng)響應(yīng)速度和啟動速度。無機(jī)械結(jié)構(gòu)SSD采用了基于閃存芯片的固態(tài)存儲技術(shù),沒有機(jī)械移動部件,更加耐用和可靠。低功耗和噪音SSD的運(yùn)行噪音極低,并且功耗較低,使得系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保。HDD和SSD的比較存儲介質(zhì)機(jī)械硬盤(HDD)使用磁性磁盤;固態(tài)硬盤(SSD)使用閃存顆粒讀寫速度SSD的讀寫速度更快,無需尋址和旋轉(zhuǎn)時間噪音及耗電SSD無機(jī)械部件,更靜音、低功耗可靠性SSD更耐沖擊和振動,壽命更長容量HDD可提供更大容量,但價格更高光學(xué)存儲器光學(xué)存儲器利用激光技術(shù)來記錄和讀取數(shù)據(jù),具有高存儲密度、讀寫速度快、數(shù)據(jù)可重復(fù)寫入等特點(diǎn)。常見的光學(xué)存儲器包括CD、DVD、藍(lán)光光盤等,廣泛應(yīng)用于音樂、視頻、軟件和數(shù)據(jù)備份等領(lǐng)域。光學(xué)存儲器通過制造微小的凹坑或變化反射率的區(qū)域來存儲數(shù)據(jù),并使用激光束來讀取這些變化。這種技術(shù)相比傳統(tǒng)的磁性存儲器具有更高的存儲密度和速度,同時也更加抗磁干擾。磁光存儲器磁光存儲器利用激光光束對磁光材料進(jìn)行讀寫操作,具有存儲密度高、訪問速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。它采用光學(xué)和磁性相結(jié)合的技術(shù),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高密度存儲和快速讀寫。磁光存儲器主要包括磁光盤和磁光帶兩種存儲介質(zhì),廣泛應(yīng)用于計算機(jī)系統(tǒng)、多媒體信息處理和數(shù)字音視頻存儲等領(lǐng)域。存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1寄存器最快的存儲器，直接用于CPU運(yùn)算2緩存位于CPU和主存之間的臨時存儲區(qū)3主存儲器存儲程序和數(shù)據(jù)的主要存儲設(shè)備4輔助存儲器大容量但訪問速度較慢的外部存儲設(shè)備計算機(jī)存儲系統(tǒng)采用分層的設(shè)計方式,從快速但容量小的寄存器到緩慢但容量大的輔助存儲器,形成了一個存儲層次結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮各類存儲器的優(yōu)勢,為計算機(jī)系統(tǒng)提供高速、大容量的存儲支持。存儲器的分配和管理動態(tài)分配根據(jù)程序需求動態(tài)分配和回收存儲空間,可有效利用內(nèi)存資源。內(nèi)存管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理內(nèi)存的分配、回收和保護(hù),確保程序安全高效運(yùn)行。虛擬內(nèi)存利用硬盤等輔助存儲擴(kuò)展內(nèi)存容量,提高內(nèi)存利用率和系統(tǒng)性能。頁面置換算法根據(jù)程序訪問模式選擇合適的頁面置換算法,優(yōu)化內(nèi)存性能。虛擬存儲器什么是虛擬存儲器?虛擬存儲器是一種內(nèi)存管理技術(shù),將主存儲器和輔助存儲器(如硬盤)組合成一個邏輯上統(tǒng)一的存儲系統(tǒng),為程序提供更大的地址空間。頁面交換機(jī)制虛擬存儲器通過將主存儲器分成多個頁面,并在需要時在主存和輔助存儲器之間進(jìn)行頁面交換,實(shí)現(xiàn)了對物理內(nèi)存的有效管理。虛擬地址空間每個進(jìn)程都擁有自己獨(dú)立的虛擬地址空間,大于物理內(nèi)存的容量,為程序提供更廣闊的地址范圍。內(nèi)存管理單元(MMU)實(shí)現(xiàn)虛擬存儲器內(nèi)存管理單元負(fù)責(zé)將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址,實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的虛擬存儲器機(jī)制。管理內(nèi)存分配MMU控制內(nèi)存的分配和回收,保證程序可以安全訪問內(nèi)存。內(nèi)存保護(hù)MMU提供內(nèi)存訪問權(quán)限控制,防止程序越權(quán)訪問內(nèi)存,確保系統(tǒng)安全。緩存存儲器1優(yōu)化存儲性能緩存存儲器能夠縮短CPU與主存之間的訪問時間,顯著提高系統(tǒng)性能。2層級結(jié)構(gòu)通常采用L1、L2和L3等多級緩存,與主存構(gòu)成層級存儲系統(tǒng)。3空間局部性和時間局部性緩存利用程序訪問數(shù)據(jù)的局部性規(guī)律,有效減少訪問主存的次數(shù)。4緩存策略包括寫策略、替換算法等,用于管理緩存中數(shù)據(jù)的存儲和更新。課程總結(jié)內(nèi)存層次從寄存器、緩存、主存到輔助存儲器，了解各種內(nèi)部存儲器的特點(diǎn)和應(yīng)用場景。存儲技術(shù)發(fā)展從S