《微機(jī)的存儲(chǔ)器》課件

微機(jī)的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。微機(jī)中的存儲(chǔ)器主要分為兩種類型：主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。什么是存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令的部件，是計(jì)算機(jī)的重要組成部分。提供信息訪問存儲(chǔ)器可以提供對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的快速訪問，為CPU執(zhí)行指令和程序提供必要的信息。連接CPU和外設(shè)存儲(chǔ)器作為CPU和外部設(shè)備之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。存儲(chǔ)器的分類1按存儲(chǔ)介質(zhì)分類存儲(chǔ)器可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)器。2按存取方式分類存儲(chǔ)器可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。3按用途分類存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。4按存儲(chǔ)層次分類存儲(chǔ)器可分為高速緩存(Cache)、主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。隨機(jī)存取內(nèi)存(RAM)隨機(jī)存取RAM是一種可以隨機(jī)訪問的存儲(chǔ)器，這意味著可以快速訪問存儲(chǔ)器中的任何位置。易失性RAM是一種易失性存儲(chǔ)器，這意味著當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。高速RAM是計(jì)算機(jī)中最快的存儲(chǔ)器類型，用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。RAM的特點(diǎn)易失性RAM中的數(shù)據(jù)是易失的，即當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。速度快RAM是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最快的存儲(chǔ)器，可以直接與CPU進(jìn)行交互，用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。靜態(tài)RAM(SRAM)SRAM的特點(diǎn)SRAM使用晶體管和電容來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能夠被長(zhǎng)期保持。速度快，能夠快速存取數(shù)據(jù)，適合用作高速緩存。SRAM的結(jié)構(gòu)SRAM由多個(gè)觸發(fā)器組成，每個(gè)觸發(fā)器存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)位。觸發(fā)器包含晶體管，構(gòu)成穩(wěn)定狀態(tài)。SRAM的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。SRAM的應(yīng)用SRAM主要用作高速緩存，因?yàn)樗俣雀?。由于價(jià)格昂貴，SRAM在主存儲(chǔ)器中使用較少。動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)動(dòng)態(tài)RAMDRAM使用電容來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。電容會(huì)泄漏，需要定期刷新才能保持?jǐn)?shù)據(jù)。DRAM模塊DRAM通常以模塊的形式出現(xiàn)，方便安裝到主板上。DRAM技術(shù)DRAM是目前最主要的內(nèi)存類型，價(jià)格低廉，容量大。ROM的分類掩蔽ROM(MROM)在芯片制造過程中，ROM的內(nèi)容就被永久寫入，不能修改。可編程ROM(PROM)用戶可以一次性寫入數(shù)據(jù)，寫入后不能修改?？刹脸删幊蘎OM(EPROM)可以使用紫外線照射擦除內(nèi)容，然后重新寫入。電可擦除可編程ROM(EEPROM)可以使用電信號(hào)擦除內(nèi)容，可多次擦寫。掩蔽ROM(MROM)11.掩蔽ROM的概念掩蔽ROM是一種在芯片制造時(shí)就寫入數(shù)據(jù)的只讀存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)無法更改。22.掩蔽ROM的特點(diǎn)存儲(chǔ)容量大，價(jià)格低廉，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，無法修改數(shù)據(jù)。33.掩蔽ROM的應(yīng)用適用于大規(guī)模生產(chǎn)，需要固定數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，例如嵌入式系統(tǒng)，游戲機(jī)等。44.掩蔽ROM的限制無法修改數(shù)據(jù)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不適合小批量生產(chǎn)。可編程ROM(PROM)一次性編程PROM在出廠時(shí)是空白的，用戶可通過編程器寫入數(shù)據(jù)。不可擦除一旦數(shù)據(jù)寫入，就不能擦除或修改，只能用新的PROM來替換。應(yīng)用場(chǎng)景適合用于存儲(chǔ)固定的程序和數(shù)據(jù)，例如在嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)引導(dǎo)程序?？刹脸删幊蘎OM(EPROM)特點(diǎn)EPROM是一種可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。它可以通過紫外線照射來擦除信息。擦除后可以使用專門的編程器寫入新的數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)EPROM具有可擦除的特點(diǎn)，方便更新程序。它在工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)EPROM的擦除過程需要使用紫外線照射，時(shí)間較長(zhǎng)。并且只能擦除整個(gè)芯片，無法擦除單個(gè)字節(jié)。電可擦除可編程ROM(EEPROM)電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM是一種可以反復(fù)擦除和編程的非易失性存儲(chǔ)器。它比EPROM更容易擦除，可以在電路板上直接擦除，不需要特殊設(shè)備。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片EEPROM通常用于存儲(chǔ)系統(tǒng)配置參數(shù)、固件代碼和用戶數(shù)據(jù)。它具有較高的耐用性，可以承受反復(fù)的讀寫操作。電路板應(yīng)用EEPROM廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。它提供了一種可靠的非易失性存儲(chǔ)解決方案。閃存(FlashMemory)非易失性存儲(chǔ)器閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器，這意味著即使斷電，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。閃存是一種固態(tài)存儲(chǔ)器，它基于浮柵晶體管，并具有電可擦除可編程特性。閃存的讀寫速度比傳統(tǒng)的硬盤快得多，并且更加耐用和輕便。存儲(chǔ)器的容量單位表示比特(bit)一個(gè)二進(jìn)制位，可以表示0或1字節(jié)(Byte)8個(gè)比特，表示一個(gè)字符千字節(jié)(KB)1024個(gè)字節(jié)兆字節(jié)(MB)1024個(gè)千字節(jié)吉字節(jié)(GB)1024個(gè)兆字節(jié)太字節(jié)(TB)1024個(gè)吉字節(jié)存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間是指從發(fā)出讀寫命令到完成讀寫操作所需要的時(shí)間。訪問時(shí)間是衡量存儲(chǔ)器性能的重要指標(biāo)之一，它反映了存儲(chǔ)器響應(yīng)速度的快慢。50-100nsRAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)10-100μs硬盤硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)1-10μs固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤(SSD)1-10ms磁帶磁帶驅(qū)動(dòng)器(Tape)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸速率存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸速率是指存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常以每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)（B/s）或每秒傳輸?shù)奈粩?shù)（b/s）來表示。存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸速率越高，數(shù)據(jù)傳輸速度越快，計(jì)算機(jī)的性能就越好。例如，一塊內(nèi)存的帶寬為1600MT/s，這表示它每秒可以傳輸1600兆位數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)層次層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器系統(tǒng)通常按照速度和成本進(jìn)行分層。緩存是最快且最昂貴的，而輔助存儲(chǔ)器是最慢且最便宜的。數(shù)據(jù)流動(dòng)數(shù)據(jù)在不同層次之間流動(dòng)，從速度較快的層次到速度較慢的層次。存儲(chǔ)位置每個(gè)層次存儲(chǔ)著不同類型的數(shù)據(jù)，例如緩存存儲(chǔ)著最常訪問的數(shù)據(jù)，而硬盤存儲(chǔ)著大量數(shù)據(jù)。主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器速度快，成本高，容量小，用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲(chǔ)器速度慢，成本低，容量大，用于長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)和程序。兩者關(guān)系主存儲(chǔ)器作為CPU直接訪問的存儲(chǔ)器，輔助存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，并定期地與主存儲(chǔ)器交換信息。存儲(chǔ)器的管理1地址分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的內(nèi)存，并為每個(gè)進(jìn)程分配其所需內(nèi)存空間。2內(nèi)存保護(hù)防止一個(gè)進(jìn)程訪問其他進(jìn)程的內(nèi)存空間，確保每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行安全和穩(wěn)定。3內(nèi)存分配策略管理內(nèi)存分配給各個(gè)進(jìn)程的方式，例如，先進(jìn)先出、最佳適應(yīng)算法等。4內(nèi)存碎片當(dāng)分配和釋放內(nèi)存時(shí)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存空間分散，形成碎片，影響內(nèi)存利用率。虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存概念虛擬內(nèi)存是一種技術(shù)，通過將部分硬盤空間用作內(nèi)存來擴(kuò)展物理內(nèi)存容量，為程序提供更大的可用內(nèi)存空間。分頁管理將虛擬內(nèi)存劃分為固定大小的頁面，并將其映射到物理內(nèi)存中的頁框中。分段管理將虛擬內(nèi)存劃分為邏輯上連續(xù)的段，每個(gè)段對(duì)應(yīng)一個(gè)物理內(nèi)存區(qū)域。緩存存儲(chǔ)器(Cache)高速緩存緩存存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱Cache，是介于CPU和主存儲(chǔ)器之間的高速緩沖存儲(chǔ)器，其速度遠(yuǎn)高于主存儲(chǔ)器。它保存著主存儲(chǔ)器中經(jīng)常被訪問的數(shù)據(jù)，使得CPU能夠更快地訪問數(shù)據(jù)。Cache的工作原理1CPU請(qǐng)求數(shù)據(jù)CPU需要訪問數(shù)據(jù)時(shí)，先檢查Cache2Cache命中如果數(shù)據(jù)在Cache中，直接讀取3Cache未命中如果數(shù)據(jù)不在Cache中，從主存儲(chǔ)器讀取4寫入Cache將數(shù)據(jù)寫入Cache，以備下次使用Cache的工作原理基于局部性原理，即CPU訪問的數(shù)據(jù)通常具有空間局部性和時(shí)間局部性?？臻g局部性是指CPU在訪問某個(gè)數(shù)據(jù)后，很可能訪問其附近的其他數(shù)據(jù)。時(shí)間局部性是指CPU在訪問某個(gè)數(shù)據(jù)后，很可能在不久后再次訪問該數(shù)據(jù)。Cache的性能指標(biāo)緩存的性能指標(biāo)直接影響CPU的效率，是衡量緩存效果的關(guān)鍵因素。1命中率緩存命中率是指CPU訪問數(shù)據(jù)時(shí)在緩存中找到的概率。2缺失率緩存缺失率是指CPU訪問數(shù)據(jù)時(shí)在緩存中沒有找到的概率，是命中率的補(bǔ)集。3平均訪問時(shí)間緩存平均訪問時(shí)間是指CPU訪問數(shù)據(jù)時(shí)平均需要的時(shí)間。4訪問速度緩存訪問速度是指CPU訪問緩存數(shù)據(jù)的速度。Cache的分類11.直接映射Cache每個(gè)主存塊只能映射到一個(gè)特定的緩存塊。22.組相聯(lián)Cache每個(gè)主存塊可以映射到多個(gè)緩存塊，但每個(gè)緩存塊只映射到一個(gè)組。33.全相聯(lián)Cache每個(gè)主存塊可以映射到任何緩存塊，提高了緩存命中率。直接映射Cache簡(jiǎn)單映射直接映射Cache是最簡(jiǎn)單的一種Cache映射方式。每個(gè)主存塊只能映射到一個(gè)特定的Cache塊。地址計(jì)算主存地址被分成兩個(gè)部分:塊號(hào)和塊內(nèi)偏移量，塊號(hào)決定映射到哪個(gè)Cache塊，偏移量用于訪問Cache塊內(nèi)的特定數(shù)據(jù)。沖突問題如果多個(gè)主存塊映射到同一個(gè)Cache塊，就會(huì)發(fā)生沖突，導(dǎo)致性能下降。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單直接映射Cache的實(shí)現(xiàn)成本較低，易于理解和設(shè)計(jì)。組相聯(lián)Cache組將主存分成多個(gè)組，每個(gè)組包含多個(gè)緩存行，每個(gè)組對(duì)應(yīng)一個(gè)緩存塊。映射根據(jù)主存地址的特定位確定緩存中的組號(hào)，并根據(jù)地址中的其他位確定緩存行號(hào)。比較每個(gè)緩存塊包含多個(gè)緩存行，每個(gè)緩存行都有一個(gè)標(biāo)記，用于判斷是否命中，命中后就從緩存中讀取數(shù)據(jù)。全相聯(lián)Cache靈活的匹配每個(gè)主存塊可以映射到任何一個(gè)Cache行。最佳性能全相聯(lián)Cache的命中率最高，因?yàn)槿魏沃鞔鎵K都可以被緩存。復(fù)雜實(shí)現(xiàn)全相聯(lián)Cache需要更復(fù)雜的硬件實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰M(jìn)行全面的比較和匹配。成本高昂由于需要大量的比較電路和存儲(chǔ)器，全相聯(lián)Cache的成本非常高。存儲(chǔ)器的發(fā)展趨勢(shì)容量不斷增大存儲(chǔ)密度