《內(nèi)部存儲器》課件

內(nèi)部存儲器計算機系統(tǒng)中的核心組件直接與CPU交互，高速存儲數(shù)據(jù)和指令內(nèi)部存儲器簡介計算機的核心內(nèi)部存儲器是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，用于存放程序和數(shù)據(jù)。高速訪問內(nèi)部存儲器能夠高速讀寫數(shù)據(jù)，直接與中央處理器(CPU)交互。存儲類型內(nèi)部存儲器主要分為兩種類型：隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。內(nèi)部存儲器的作用和特點1存儲數(shù)據(jù)和程序內(nèi)部存儲器是計算機系統(tǒng)中最重要的部件之一，用于存儲正在運行的程序和數(shù)據(jù)。它可以直接被CPU訪問，確保程序和數(shù)據(jù)的快速訪問，保證計算機的正常運行。2高速訪問內(nèi)部存儲器相較于外部存儲器，具有更快的讀寫速度，可以快速獲取CPU所需的數(shù)據(jù)和程序指令，從而提高計算機的執(zhí)行效率。3易失性內(nèi)部存儲器通常是易失性的，斷電后數(shù)據(jù)會丟失，因此需要定期將重要的數(shù)據(jù)保存到外部存儲器，防止數(shù)據(jù)丟失。4價格較高內(nèi)部存儲器通常比外部存儲器更貴，但其高速度和對系統(tǒng)的重要作用使其成為不可或缺的組成部分。主存儲器的分類按存取方式分類按存儲器芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)的存取方式，可分為隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。按存儲介質(zhì)分類按存儲器芯片中存儲數(shù)據(jù)所采用的物理材料不同，可分為半導體存儲器和磁存儲器。隨機存取存儲器(RAM)RAM芯片RAM芯片是計算機系統(tǒng)中用來存儲數(shù)據(jù)的核心組件，負責快速存取數(shù)據(jù)，支持高速數(shù)據(jù)讀寫操作。RAM模塊RAM模塊是多個RAM芯片的集合，通過插槽安裝在主板上，提供更大的存儲容量。計算機RAMRAM是計算機系統(tǒng)中最重要的存儲器類型之一，負責存放操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及正在運行的數(shù)據(jù)。靜態(tài)RAM(SRAM)晶體管SRAM使用晶體管來存儲數(shù)據(jù)，每個位需要6個晶體管。速度快SRAM的存取速度比DRAM快，適合需要快速讀寫的應(yīng)用。成本高SRAM的成本比DRAM高，因為其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，所需的晶體管更多。內(nèi)存SRAM通常用于高速緩存(Cache)，因為它可以更快地提供數(shù)據(jù)。動態(tài)RAM(DRAM)1電容存儲DRAM使用電容存儲數(shù)據(jù)，電容會隨時間泄漏，需要周期性刷新才能保留數(shù)據(jù)。2刷新操作刷新操作由控制器完成，定期對每個存儲單元進行讀寫操作，以恢復(fù)電容電荷，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定。3速度和容量DRAM比SRAM速度慢，但成本更低，容量更大，適合作為主存儲器。RAM技術(shù)的發(fā)展1早期RAM早期RAM主要以磁芯存儲器為主，體積大，速度慢，成本高。2半導體RAM出現(xiàn)20世紀70年代，半導體RAM開始普及，體積小，速度快，成本低，成為主流。3DRAM技術(shù)革新DRAM技術(shù)不斷發(fā)展，容量不斷提升，速度不斷提高，價格不斷下降，成為主流內(nèi)存。只讀存儲器(ROM)永久存儲ROM存儲的信息在制造時就已寫入，無法被用戶修改。非易失性即使斷電，ROM中的信息也不會丟失。啟動引導ROM常用于存儲計算機的啟動程序和系統(tǒng)配置信息。掩模ROM掩模ROM在芯片制造過程中，信息永久燒錄在芯片中。信息不可改寫這種ROM的信息無法修改，一旦燒錄，信息將保持不變。成本低廉掩模ROM的制造過程簡單，批量生產(chǎn)的成本較低。PROM可編程只讀存儲器PROM是一種一次性可編程的只讀存儲器。用戶可以通過專門的編程器將數(shù)據(jù)寫入PROM芯片中，但寫入后無法更改。特性PROM通常具有較高的速度，因為它的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部的熔絲或連接中。一次性寫入特性使其適用于永久存儲程序或數(shù)據(jù)。可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)紫外線擦除EPROM是一種可擦除可編程只讀存儲器，可以通過紫外線照射來擦除芯片上的數(shù)據(jù)。然后，它可以使用專門的編程器寫入新的數(shù)據(jù)。一次性編程EPROM只能被編程一次，這意味著一旦數(shù)據(jù)被寫入，它們就不能被修改。數(shù)據(jù)只能通過紫外線照射擦除。相對較慢的擦除時間EPROM的擦除時間相對較長，通常需要幾分鐘甚至更長時間，取決于紫外線的強度和照射時間。較高的可靠性與其他類型ROM相比，EPROM的可靠性較高，因為它們可以被擦除并重新編程?？刹脸删幊讨蛔x存儲器(EEPROM)可擦除可編程ROMEEPROM允許在電路板上擦除和重新編程，無需從電路板上移除芯片。電氣可擦除EEPROM使用電場擦除存儲單元，與EPROM的紫外線擦除不同。廣泛的應(yīng)用EEPROM用于各種應(yīng)用，包括存儲設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和配置存儲器。閃存(FLASH)非易失性存儲器閃存是一種非易失性存儲器，即使斷電，數(shù)據(jù)也不會丟失。閃存通常用作固態(tài)硬盤的存儲介質(zhì)，提供更快的訪問速度和更高的可靠性。寫入速度慢與SRAM或DRAM相比，閃存寫入速度較慢，因為它需要擦除整個塊才能寫入新數(shù)據(jù)，并使用浮柵晶體管來存儲數(shù)據(jù)。但近年來閃存技術(shù)不斷發(fā)展，寫入速度已顯著提高。存儲器的容量和存取時間存儲器的容量是指存儲器中能夠存儲的信息量，通常以字節(jié)(B)為單位，1字節(jié)等于8位。存儲器的存取時間是指從存儲器中讀出或?qū)懭胍粋€字所需的時間，通常以納秒(ns)為單位。1K容量1K字節(jié)1M容量1M字節(jié)1G容量1G字節(jié)50ns存取時間50納秒存儲器的層次結(jié)構(gòu)1寄存器CPU內(nèi)部，速度最快，容量最小2高速緩存介于寄存器和主存之間，速度快，容量較小3主存儲器CPU直接訪問，速度較慢，容量較大4輔助存儲器存儲容量大，速度慢，價格低廉計算機系統(tǒng)采用層次化的存儲結(jié)構(gòu)，利用不同速度、容量和成本的存儲器協(xié)同工作。速度快的存儲器容量小，價格高，而速度慢的存儲器容量大，價格低。主存與輔助存儲器的關(guān)系存儲層次結(jié)構(gòu)主存和輔助存儲器組成計算機的存儲層次結(jié)構(gòu)，主存速度快，但容量小；輔助存儲器速度慢，容量大。數(shù)據(jù)交換程序執(zhí)行時，數(shù)據(jù)在主存和輔助存儲器之間不斷交換，主存存儲當前運行的程序和數(shù)據(jù)，輔助存儲器存儲長期保存的數(shù)據(jù)。訪問速度CPU直接訪問主存，訪問速度快；訪問輔助存儲器需要通過I/O控制器，速度慢，但價格低廉，容量大。程序裝入和執(zhí)行程序裝入將程序從輔助存儲器（如硬盤）加載到主存儲器（RAM）的過程。地址綁定將程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，以便CPU能夠訪問內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)。程序執(zhí)行CPU從主存儲器中讀取指令，并根據(jù)指令進行操作，例如計算、數(shù)據(jù)讀寫等。結(jié)束執(zhí)行程序執(zhí)行完畢后，釋放占用的內(nèi)存空間，并返回到操作系統(tǒng)。存儲器管理概述存儲器管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分。操作系統(tǒng)負責分配和管理計算機系統(tǒng)中的存儲器資源。存儲器管理的目標是提高存儲器利用率，并為用戶提供安全有效的內(nèi)存訪問。連續(xù)內(nèi)存分配方法1單一連續(xù)分配程序占據(jù)連續(xù)內(nèi)存空間2固定分區(qū)分配將內(nèi)存劃分為固定大小分區(qū)3可變分區(qū)分配動態(tài)劃分分區(qū)大小連續(xù)內(nèi)存分配是指將程序加載到內(nèi)存中連續(xù)的地址空間。這種方法簡單易懂，但會導致內(nèi)存碎片化。分頁內(nèi)存管理劃分物理內(nèi)存將物理內(nèi)存劃分為大小相等的頁面框架，每個框架對應(yīng)一個頁面。劃分邏輯地址空間將邏輯地址空間劃分為大小相等的頁面，每個頁面對應(yīng)一個物理頁面框架。建立頁表建立頁表，記錄每個邏輯頁面在物理內(nèi)存中的位置，即頁面框架號。地址轉(zhuǎn)換CPU訪問邏輯地址時，通過頁表將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。分段內(nèi)存管理1邏輯地址程序員使用邏輯地址訪問內(nèi)存2段表存儲每個段的起始地址和長度3物理地址操作系統(tǒng)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址虛擬存儲器概念1擴展內(nèi)存虛擬存儲器允許使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。2頁面調(diào)入調(diào)出將程序和數(shù)據(jù)的一部分加載到內(nèi)存中，需要時交換到磁盤。3多任務(wù)支持在有限的物理內(nèi)存中運行多個程序，提高系統(tǒng)利用率。分頁式虛擬存儲器1邏輯地址由CPU生成2頁號用于查找頁面在內(nèi)存中的位置3頁內(nèi)偏移量指明在頁面中的具體位置4物理地址由內(nèi)存管理單元計算分頁式虛擬存儲器通過將程序和數(shù)據(jù)劃分為固定大小的頁面，并在內(nèi)存中分配頁面幀來實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的映射。每個頁面都擁有唯一的頁號，當CPU訪問內(nèi)存時，內(nèi)存管理單元會將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，從而實現(xiàn)虛擬存儲器的功能。頁面置換算法最佳置換算法將要被替換的頁面是將來最長時間內(nèi)不會被訪問的頁面，這種算法性能最佳，但無法實現(xiàn)。先進先出(FIFO)按照頁面進入內(nèi)存的順序進行替換，簡單易懂，但可能出現(xiàn)“Belady現(xiàn)象”，性能較差。最近最少使用(LRU)將最近最少使用的頁面替換出去，性能較好，但需要記錄頁面使用時間，實現(xiàn)復(fù)雜。時鐘算法通過使用時鐘指針和訪問位來模擬LRU算法，實現(xiàn)相對簡單，性能也比較好。緩存存儲器(Cache)速度快緩存存儲器使用速度更快的存儲介質(zhì)，例如SRAM，比主存儲器速度快得多。訪問速度緩存存儲器位于CPU和主存儲器之間，可以更快地訪問常用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸緩存存儲器可以緩存最近訪問的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，提高系統(tǒng)性能。Cache的組織結(jié)構(gòu)直接映射方式主存塊和Cache塊之間存在一對一映射關(guān)系。主存塊只能映射到Cache中的特定位置，不會和其他塊沖突。全相聯(lián)映射方式主存塊可以映射到Cache中的任何位置，只要該位置空閑，且主存塊的內(nèi)容和Cache塊的內(nèi)容一致即可。組相聯(lián)映射方式結(jié)合了直接映射和全相聯(lián)映射的優(yōu)點，將Cache分成多個組，每個組包含多個塊。主存塊只能映射到特定組，但在這個組內(nèi)可以映射到任意塊。Cache的命中率分析一級緩存二級緩存三級緩存緩存命中率