《存储器与PL》课件

存储器与PL探讨计算机存储器的工作原理和编程逻辑设计从基础芯片级存储器到高级编程逻辑,全面深入地了解信息存储和处理的技术课程简介教学目标掌握存储器的分类和基本指标,了解RAM、ROM、闪存等常见存储器的工作原理内容概览从存储器的分类、性能指标、访问方式,到存储系统设计、存储器管理等方方面面进行详细介绍适用对象本课程适合计算机专业以及其他对存储器有需求的专业学生学习存储器分类按存储介质分按存取速度分存储器可分为磁性存储器、光学存储器可分为随机存取存储器存储器和半导体存储器等每种RAM和只读存储器ROM存储介质都有其独特的特性RAM可以快速读写数据,ROM只能读出数据按可重复写入分按存储容量分存储器可分为易失性存储器和非存储器可分为大容量存储器和小易失性存储器易失性存储器掉容量存储器大容量存储器用于电后数据会丢失,非易失性存储器存储大量数据,小容量存储器用于掉电后数据不会丢失存储少量数据存储器基本指标1W100ns容量访问时间存储设备的存储容量，常用万字节从指令或数据被访问到返回结果的时1W作为单位间，以纳秒ns为单位100MB/s100带宽寿命每秒可传输的数据量，以MB/s为单位存储设备可重复擦写的次数，以万次为单位RAMRAM（Random AccessMemory，随机存取存储器）是一种常用的主存储器,可以在任意位置随机读写数据它具有高速、灵活的特点,广泛应用于计算机系统中RAM分为静态RAMSRAM和动态RAMDRAM两种类型,各有其特点和应用场合DRAM集成电路结构内存模块应用存储单元结构DRAM采用集成电路技术制造,由大量的电DRAM广泛应用于各种电子设备,如台式电DRAM的基本存储单元由一个电容和一个晶子元器件组成复杂的芯片结构它具有紧凑脑、服务器、手机等,为它们提供大容量、体管组成,能够高密度地存储数据信息它的设计、高集成度的特点高速的内存存储通过刷新机制保持数据的持续性静态随机存取存储器SRAMSRAM利用双稳态电路保存二进制数据,不需要刷新电路即可保存数据它具有读取速度快、使用简单、易于接口等优点,但存储密度相对较低SRAM广泛应用于高速缓存、微处理器、高速数据缓冲等场合SRAM的主要特点是读取和写入速度快、功耗低、电路结构相对简单,但存储密度较低因此,SRAM通常用于高速缓存存储器和其他对存取速度要求很高的领域ROM只读存储器存储映射读取机制ROM是一种永久性存储器,内容在制造时就ROM被映射到特定的内存地址空间,CPU可CPU通过地址总线访问ROM存储单元,并通已固化,无法被修改或删除它提供了快速、以直接访问它存储的固定程序和数据过数据总线读取存储的信息这种只读操作可靠的数据访问简单高效与EPROM EEPROMEPROM（可擦除可编程只读存储器）和EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）是两种特殊的ROM芯片,它们的数据可通过特殊的擦除过程进行更新EPROM需要紫外线擦除,而EEPROM则可通过电信号擦除,更加方便和灵活这两种存储器广泛应用于需要可修改固件的电子设备中闪存闪存是一种基于半导体技术的非易失性存储器它具有高速读写、耐用性强、体积小等优点,广泛应用于智能手机、数码相机、计算机等电子设备闪存可被反复擦除和重写,无需供电即可保存数据闪存通过使用浮动栅极技术实现数据储存,分为NOR闪存和NAND闪存两大类它们在结构、性能和应用上各有特点,满足不同场景的需求存储器的性能影响因素存储介质存储单元密度12不同存储介质（如半导体、磁存储单元的集成度越高，存储性、光学）具有不同的物理特容量越大，但存取时间和功耗性，从而决定了存储器的容量、也可能会增加速度以及可靠性系统架构工艺技术34存储器的位宽、存取模式、存更先进的制造工艺可以提高存储器层次结构等因素都会影响储器的速度、容量和可靠性整个系统的性能存储系统设计硬件架构1包括处理器、总线、存储器等关键硬件组件软件系统2如操作系统、驱动程序、文件系统等存储管理策略3包括内存分配、缓存策略、虚拟内存等性能优化4通过调整硬件和软件参数提高整体性能存储系统设计涉及硬件、软件、存储管理等多个层面需要从整体角度平衡各个子系统的要求，达成最优设计只有充分考虑并协调这些因素,才能构建出高效稳定的存储系统存储器访问方式随机访问串行访问直接存储器访问DMA虚拟存储器访问随机访问存储器RAM可以快串行访问存储器如磁带需要虚拟存储器通过内存管理单元速访问任意存储单元,不需要按特定顺序读取数据,无法随DMA允许外围设备直接访问MMU将虚拟地址转换为物按特定顺序读取数据这是最机访问这种访问方式速度较内存,无需经过CPU处理这理地址,实现了应用程序与实常见的存储器访问方式,适用慢,但成本低廉,常用于备份和提高了数据传输效率,常用于际存储器的隔离这增加了编于大多数应用场景存档等场景高速I/O设备与内存之间的数程灵活性据传输总线概念总线的定义总线的属性12总线是连接计算机系统各部件总线有宽度、时序、仲裁机制的通信线路,用于传输地址、数等属性,决定了系统的性能和工据和控制信号作方式总线的种类总线的作用34包括数据总线、地址总线和控总线将CPU、内存和外设等各制总线,分别负责数据传输、寻部件连接起来,实现它们之间的址和控制功能信息交换内存映射I/O定义优点应用场景实现机制内存映射I/O是一种将外围设内存映射I/O提高了数据传输内存映射I/O广泛应用于嵌入通过专门的硬件逻辑实现外围备的寄存器映射到内存地址空效率、降低了CPU开销、简化式系统、工控设备以及图形处设备寄存器到内存地址空间的间的技术它使程序可以像访了软硬件接口它使编程更加理器等需要频繁访问外部设备映射CPU可以像访问内存一问内存一样访问外围设备，简直观和灵活的场合样访问这些映射地址化了硬件接口的编程存储器层次结构高速缓存1存储器层次结构的最顶端,提供最快的访问速度主存储器2直接连接CPU,提供大容量的高速存储空间外部存储器3提供高容量的非易失性存储,如磁盘、光盘等存储器层次结构是一种分层存储体系,由速度与容量相关的存储器组成从高速缓存到主存储器再到外部存储器,容量越大,访问速度越慢这种分层结构可以充分利用存储系统的优势,提高整体性能缓存存储器缓存存储器是计算机系统中一种高速的临时存储器,位于处理器和主存储器之间它的作用是减少处理器访问主存储器的延迟时间,提高计算机的整体性能缓存存储器利用局部性原理,将最近访问的数据和指令保存在内部,当访问时能快速提取,避免了访问主存储器的开销缓存存储器分为多层,包括一级缓存、二级缓存和三级缓存等,层级越高速度越快但容量越小通过合理的缓存策略和替换算法,可以最大限度地利用缓存提高系统性能虚拟内存虚拟内存概述页式虚拟内存内存交换技术虚拟内存是一种内存管理技术,它允许程序虚拟内存通过将内存划分为固定大小的页面,虚拟内存系统会根据程序访问模式自动进行访问超过物理内存容量的内存空间,通过将并在需要时在磁盘和内存之间交换页面来实页面交换,将不常用的页面换出到磁盘上,从部分数据存储在磁盘上来扩展可用内存现这提高了内存利用率和程序执行效率而为正在运行的程序腾出内存空间存储器管理内存分配内存保护页式和段式管理虚拟内存操作系统负责分配和回收内存通过硬件和软件机制,防止应用利用页式和段式管理,将大的地将磁盘空间作为扩展内存使用,资源,确保应用程序能够访问所程序越权访问其他进程或系统址空间划分成更小的块,提高利实现程序访问范围大于物理内需内存资源用效率存的功能程序加载过程磁盘加载1程序首先从磁盘或其他外部存储设备中加载到内存中链接装配2系统将程序代码与所需的库文件链接装配成可执行文件内存分配3操作系统为程序分配必要的内存空间,包括代码段、数据段等数据结构基础定义作用数据结构是数据在计算机中的组合理选择和使用数据结构可以提织、储存和操作方式它们是编高程序的效率和性能程的基础种类重要性数组、链表、栈、队列、树、图良好的数据结构设计是优质软件等都是常见的数据结构的关键它影响代码的可读性和可维护性数组基本概念申明与初始化12数组是一种线性数据结构,可以可以在声明数组时指定大小,也存储多个相同类型的元素每可以根据初始化列表来确定数个元素都有一个索引编号来标组大小数组元素默认会被初识它在数组中的位置始化为0或null常用操作应用场景34包括查找元素、修改元素、插数组广泛应用于需要快速访问入元素、删除元素等数组的固定结构数据的场合,如缓存、大小是固定的,如需扩容需要创矩阵运算、图像处理等建新的更大数组链表灵活性内存利用链表是一种动态的数据结构,可以根据需要动态地增加或减少元素,非链表无需一次性分配连续的内存空间,可以根据需要从内存中获取空常灵活间,提高内存利用率插入和删除应用广泛相比于数组,链表的插入和删除操作更加简单和高效,不需要移动大量链表在操作系统、数据库、图形学等领域广泛应用,是重要的数据结元素构之一栈和队列栈栈是一种后进先出的有序集合,常用于记录方法调用、撤销/重做操作等队列队列是一种先进先出的有序集合,常用于任务排序、消息传递等场景基本操作栈和队列支持入栈/入队、出栈/出队、查看栈顶/队头等基本操作树和图树结构图结构树是一种非线性数据结构,由根节点和子节点组成它具有层级关图是一种非线性数据结构,由节点和边组成它可以描述复杂的关系,可以表示目录和文件之间的层次关系树结构广泛应用于文件系,如社交网络、交通网络、电路等图结构常用于寻找最短路径、系统、家族树、公司组织架构等场景连通性分析等问题求解文件系统文件类型文件目录权限管理元数据管理文件系统支持不同类型的文件,文件系统采用层次目录结构,用文件系统支持权限管理,用户可文件系统会记录文件的属性信如文本文件、图像文件、音频户可以创建、删除和管理文件以设置文件的读、写和执行权息,如创建时间、修改时间、文文件等每种类型都有特定的夹,组织文件限,控制文件的访问件大小等,方便用户查找和管理格式和用途文件磁盘存储管理磁盘分区文件系统将物理磁盘划分为不同的逻辑区控制文件的存储和访问,提供文件域,以便更好地管理和使用存储空目录和文件属性等功能间磁盘缓存磁盘碎片整理利用内存来缓存磁盘数据,加快磁将磁盘上的文件碎片重新组织,提盘访问速度,提高系统性能高磁盘利用率和访问速度外存访问方法磁盘存储访问光盘存储访问固态硬盘访问磁盘驱动器利用读写头在磁盘表面快速移动光驱通过在光盘表面照射激光来读取数据固态硬盘SSD采用闪存芯片存储数据,无需来访问数据,可以随机访问任意位置的数据光盘存储可以实现大容量储存,但访问速度机械运动即可访问数据相比传统机械硬磁盘存储的优势在于容量大、成本低较慢常见的光驱包括CD-ROM、DVD-盘,SSD访问速度更快,但成本较高ROM等存储器技术发展趋势容量不断提升性能持续提高功耗不断降低更多应用场景随着半导体工艺的进步,存储存储器的访问速度和带宽得到新型存储器技术采用更低功耗存储器技术的发展不断拓展到器的存储密度和容量不断提升,持续优化,大幅提升系统的整的工艺,在满足性能需求的同不同应用领域,如云计算、物满足日益增长的大数据及人工体性能时大幅降低系统的能耗联网、自动驾驶等智能应用需求课程总结知识融会贯通应用能力提升本课程全面系统地介绍了计算机通过学习存储器的访问方式、内存储器和数据结构的基础知识,存管理等概念,学生能够更好地帮助学生深入理解存储器的分类、设计和优化存储系统,提高软件原理和性能指标的运行效率创新思维培养综合素质养成本课程还涉及存储器技术的发展在学习过程中,学生还可以培养趋势,启发学生思考未来存储系抽象思维、逻辑分析和问题解决统的创新应用,培养解决实际问等综合能力,为未来的职业生涯题的能力奠定基础。