《存储器及存储系统》课件

存储器及存储系统存储器是计算机系统中最重要的组成部分之一,它用于暂时或永久地存储数据和程序了解存储器的工作原理和性能特征,对于设计和优化计算机系统至关重要存储器概述内存结构存储容量存取速度存储器由电路元件组成,用于存储和检索数存储器的容量决定了系统能够存储的数据量存储器的读写速度决定了系统处理数据的效据常见的存储器包括ROM、RAM、硬盘,大容量存储器可以满足对大数据的需求率,高速存储器有利于提升系统性能等存储器的分类按工作原理分类按存储方式分类按存储内容分类按存储容量分类存储器可分为半导体存储器和存储器可分为随机存取存储器存储器可分为程序存储器和数存储器可分为主存储器和辅助磁性存储器，前者利用半导体RAM和只读存储器ROM据存储器，前者存储程序指令存储器，前者容量较小但访问器件存储信息，后者利用磁性，前者数据可读写，后者数据，后者存储运算数据速度快，后者容量较大但访问材料存储信息只可读取不可写入速度慢半导体存储器特点分类12半导体存储器具有体积小、功根据存储内容的可读写性分为耗低、访问速度快等特点,广泛随机存取存储器RAM和只读应用于计算机和各类电子设备存储器ROM两大类工作原理应用领域34通过半导体器件如晶体管和电广泛应用于计算机、手机、电容实现存储数据的读写操作,是子设备等,是现代电子信息技术目前最主流的存储技术发展的基础的分类ROM只读存储器可编程ROM ROMPROMROM是一种出厂时就被预先编程PROM是一种可由用户编程的只好的存储器,内容不可更改它提读存储器,用户可以使用特殊的编供了稳定和可靠的数据存储程设备进行一次性编程可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器EPROM EEPROMEPROM可通过紫外光擦除原有内EEPROM可通过电子方式擦除和容,然后重新编程它提供了更大重新编程,无需使用紫外线它比的灵活性和可修改性EPROM更便捷和灵活和PROM EPROM可编程只读存储器PROM-1PROM是由半导体制造商事先制造好的只读存储器用户可以通过特殊的编程设备对PROM进行一次性编程,之后就无法再次修改内部数据可擦除可编程只读存储器EPROM-2EPROM具有可擦除功能,使用紫外光照射可以擦除内部数据,之后再次进行编程但需要专用的设备进行擦写操作的应用EPROM3EPROM广泛应用于需要灵活修改内部程序的领域,如计算机、工控设备、嵌入式系统等可以反复进行编程和修改和EEPROM Flash擦除变化灵活1EEPROM和Flash可以多次擦除和重写数据不需外部电源2内部电路可自行完成擦写操作集成度较高3能集成更多的存储单元提高存储密度EEPROM和Flash是两种非易失性存储器,它们可以在掉电时保持数据不丢失与普通ROM不同,EEPROM和Flash可以多次进行擦除和重写操作,并且无需外部电源即可完成自动擦写这些特性使得它们广泛应用于需要频繁更新的电子设备中的工作原理SRAM数据储存1基于触发器电路设计读取数据2通过位选信号和字选信号访问数据保持3不需要刷新,只要保持供电SRAMStatic RandomAccess Memory是一种静态随机存取存储器,其工作原理是基于触发器电路设计而成SRAM可以通过位选信号和字选信号快速访问数据,不需要定期刷新就可以保持数据,只要保持供电就不会丢失数据这种工作原理使SRAM具备访问速度快、功耗低等优点,广泛应用于CPU高速缓存等场合的工作原理DRAM存储单元DRAM由由单个电容和晶体管组成的存储单元构成,能够存储二进制数据0或1刷新操作由于电容会不断放电,DRAM需要周期性地进行刷新操作以保持数据的完整性寻址和读写通过行地址和列地址选择特定的存储单元,实现数据的读取和写入电路结构DRAM采用矩阵式的电路结构,行地址和列地址供给DRAM控制逻辑电路进行寻址高速缓存存储器快速读写高速缓存可提供比主存更快的读写速度,大幅提升系统性能容量有限高速缓存容量较小,一般只有几KB到几MB,无法完全取代主存数据调度高速缓存通过预读和替换策略,有效管理数据的流向和存储缓存的工作原理数据加载1当CPU需要从内存中读取数据时,首先检查缓存中是否有相应的数据拷贝如果找到,则直接从缓存中读取,避免了访问主存的延迟数据更新2当CPU需要修改数据时,会先在缓存中更新数据在合适的时机,再把修改同步到主存中,提高了系统性能缓存管理3缓存管理策略决定了数据如何在缓存和主存之间移动,包括替换算法、写策略等,确保缓存中始终保留最重要的数据缓存的命中与未命中命中当CPU需要访问数据时,如果该数据已经存在于缓存中,就称为缓存命中命中可以快速返回数据,提高系统性能未命中当CPU需要访问的数据不在缓存中时,就会发生缓存未命中此时需要从主存或者更高级别的缓存中读取数据,延迟会增加性能影响缓存命中率的高低直接决定了系统的整体性能提高命中率是缓存设计的主要目标之一缓存的设计策略缓存置换策略缓存关联性通过分析程序的访问模式来选用直接映射、组相联或全关联等不合适的缓存置换算法，如LRU、同的缓存关联性会影响缓存性能FIFO、LFU等，以提高缓存命中，需要根据具体应用进行选择率缓存写策略缓存块大小采用写直达或写回策略来平衡缓合理选择缓存块大小可以提高空存写操作的性能和复杂度，满足间利用率和命中率，需要权衡缓不同应用需求存容量与访问延迟磁性存储器磁铁存储原理磁盘驱动器磁带存储器磁性存储优势磁性存储器利用磁铁的磁性特磁盘驱动器是最常见的磁性存磁带存储器利用磁性磁带进行磁性存储容量大、速度快、寿性来记录和存储数据每个存储设备，利用一个或多个圆盘数据存储数据被顺序地记录命长、抗干扰性强广泛应用储单元都是一个微小的磁铁，表面记录数据磁头在快速旋在磁带上，可以快速检索和存于计算机主存储器、外存储器它的磁化方向代表不同的二进转的磁盘表面上读写数据取数据适用于大容量备份和和音频视频存储制状态归档磁盘存储器磁盘介质磁盘存储器使用金属或塑料基板涂有磁性材料的磁盘作为数据存储介质磁盘驱动器磁盘驱动器用于读取和写入磁盘上的数据,并提供对存储介质的随机访问数据读写磁头在磁盘表面滑动,利用电磁感应的原理完成对数据的读取和写入存储容量随着技术的发展,单片磁盘的存储容量不断提高,从几兆字节到几千兆字节光学存储器光盘存储器光驱构造光盘种类光盘存储器利用激光来读写数据,具有容量光驱由激光头、旋转机构、伺服系统等部件常见的光盘类型包括CD、DVD以及蓝光光大、访问速度快、耐用性强等优点,广泛应组成,能够准确地定位并读写光盘上的数据盘,它们在存储容量、读写速度等方面各有用于个人电脑、音乐播放器等设备特点光盘存储器工作原理激光聚焦1激光束被聚焦到极细的光斑上数据编码2数据编码成微小的凹坑或焦斑读取机制3反射光被检测并转换为电子信号信号处理4信号被放大并转换为数字数据光盘存储器工作原理基于激光束的聚焦和反射激光束被聚焦到极细的光斑上,照射在光盘表面当光斑照射到光盘上的微小凹坑或焦斑时,反射光的强度会发生变化这种变化被检测并转换为电子信号,最终被处理为数字数据光驱的分类驱动器驱动器1CD-ROM2DVD最早的光驱类型,可读取CD-可读取DVD光碟,采用更高密度ROM光碟,包括音乐CD和数据的光学系统,读取速度更快,支持CD读取速度较慢高清影像和大容量数据蓝光驱动器外置光驱34使用蓝紫色激光,比DVD驱动器可以方便地连接到笔记本电脑具有更高的存储密度和读取速或其他设备,提高便携性和灵活度,适用于高清影像存储性存储系统的工作过程输入输出1系统从外部设备接收数据输入存储管理2存储器管理系统调度数据存储和访问数据处理3CPU对数据进行计算和运算处理输出呈现4处理结果输出至外部设备存储系统的工作过程包括:从外部设备接收输入数据,由存储管理系统调度存储和访问,CPU对数据进行处理,最终将结果输出到外部设备这一过程体现了存储系统在现代计算机中的重要作用,确保数据能够被高效地存储和处理存储器层次结构层次化结构性能与成本权衡数据访问策略虚拟存储技术计算机存储系统采用分层设计层次结构平衡了存储性能和成存储层次结构需要合理调度数虚拟存储技术进一步扩展了存,从最快但容量小的高速缓存,本容量大但速度慢的存储介据在各层之间的交换,以提高储层次结构,将硬盘等辅助存到容量大但读写速度较慢的硬质用作主存储器,容量小但速整个系统的性能储器集成到内存地址空间中盘等辅助存储器,形成一个存度快的存储介质用作缓存储层次结构主存和辅存的交换访问主存CPU需要执行某个程序或访问数据时,首先会在主存中寻找所需的信息数据不在主存如果所需的程序或数据不在主存中,则需要从辅存读取到主存中数据交换过程系统会把辅存中相应的数据块调入主存,CPU可以直接访问并使用这些数据虚拟存储技术虚拟存储技术可以自动管理主存和辅存之间的数据交换,提高存储利用率虚拟存储器磁盘扩充主存按需加载页面虚拟存储器使用磁盘空间来扩充只有需要使用的程序页面才会被有限的物理主存,通过页面交换提加载到物理主存,而不使用的页面供更大的地址空间供程序使用则保留在磁盘上管理复杂性虚拟存储器管理需要操作系统提供页面调度、置换等功能,增加了系统管理的复杂性虚拟存储器的实现寻址机制1虚拟存储器采用虚拟地址和物理地址的映射机制，通过页表等数据结构实现地址转换页面置换算法2当需要调入的页面不在内存时，需要采用页面置换算法选择淘汰某些页面以腾出空间硬件支持3虚拟存储器的实现需要CPU、内存管理单元MMU等硬件提供支持和配合存储器控制方式存储器控制单元存储器访问控制存储器刷新机制管理存储器的访问和操作,确保数据在存储控制CPU和存储器间的数据传输,包括读写定期更新动态RAM中的数据,防止数据丢失器和CPU之间正确传输操作和地址分配等确保DRAM的可靠存储工作原理DMA初始化1CPU设置DMA控制器的寄存器数据传输2DMA控制器直接访问内存进行数据传输传输完成3DMA控制器通知CPU任务完成DMA（Direct MemoryAccess）工作原理包括三个主要步骤:首先,CPU设置DMA控制器的寄存器,指定数据传输的地址和长度;然后,DMA控制器直接访问内存进行数据传输,无需CPU参与;最后,DMA控制器通知CPU任务完成这种直接内存访问方式可以大大提高数据传输效率总线仲裁算法公平性优先权12总线仲裁算法确保每个设备都算法可以根据设备的优先级进有公平的访问机会,防止任何设行调度,保证关键设备优先获取备独占总线总线使用权响应时间效率最大化34算法应尽量缩短设备等待总线算法应协调各设备合理使用总的响应时间,减少数据传输的延线带宽,提高整体系统的传输效迟率存储器性能评价指标10ns500MB/s访问时间带宽存储器数据读取所需的时间存储器单位时间内传输的数据量520K可靠性耐久性存储器数据保存的稳定性存储器可重复写入的次数存储器性能评价指标包括访问时间、带宽、可靠性和耐久性这些指标反映了存储器的工作效率、数据稳定性和使用寿命合理选择满足应用需求的存储器非常重要存储系统的发展趋势云存储固态存储云存储技术不断进步,为用户提供更大固态硬盘的价格下降和容量增加,令其容量、更快速度和更灵活的存储方案逐渐取代传统机械硬盘成为主流智能存储高速互联人工智能技术的应用,使存储系统具备5G等高速网络技术的发展,让存储和计自动化管理和智能化服务的新能力算资源能随时随地高效调用存储系统的应用领域云计算数据中心大容量、高性能的存储系统是云计算海量数据的高效存储和处理需要先进服务的基础的存储技术医疗健康工业生产医疗影像、电子病历等需要大容量、工业自动化和智能制造离不开实时数可靠的存储系统据存储和分析总结与思考技术创新与时俱进全面应用通过不断创新存储技术，提高存储器的紧跟行业发展脉搏，及时掌握新兴技术将存储技术与各领域深度融合，提升各密度、速度和可靠性，满足日益增长的的应用趋势，确保存储系统的先进性行业的数据处理效率和信息化水平存储需求。