《存储器和存储体系》课件

存储器和存储体系概述存储系统是计算机系统的核心组成部分它负责存储数据和指令,为CPU提供快速访问本节将探讨不同类型的存储器及其在计算机系统中的作用和应用课程大纲课程概述存储体系结构存储管理新兴存储技术全面介绍计算机系统中的存储深入探讨存储器的内存体系结讲解存储管理的基本原理,包括介绍多媒体存储、3D存储等最器和存储体系,包括基本概念、构、缓存、主存和辅助存储器,存储分配、虚拟存储器和页面新的存储技术发展趋势,及其对发展历程、分类及性能指标以及存储系统的总线和接口置换算法等计算机系统的影响存储器的基本概念在计算机系统中,存储器是一种重要的硬件组件,用于存储程序指令和数据存储器可以根据存取方式、存储介质等特点进行分类和描述了解存储器的基本概念对于理解计算机系统的工作原理至关重要存储器通过地址、数据和控制信号进行工作,具有存储、读取和写入等基本功能不同类型的存储器有各自的特点,满足不同的应用需求,共同构成了计算机系统的存储体系存储器的发展历程1940s1最早的电子计算机使用磁鼓存储器1950s-1960s2磁芯存储器为主流技术1970s3半导体存储器如DRAM开始普及1980s-1990s4闪存和可编程只读存储器广泛应用存储器技术从最初的磁鼓存储器到半导体存储器的发展历程,反映了计算机技术的不断进步随着电子技术的发展,存储器容量不断提高,成本不断降低,从而推动了计算机系统性能的持续提升存储器的分类半导体存储器磁性存储器光学存储器基于半导体芯片的存储器,包括DRAM、使用磁性介质存储数据的存储器,如硬盘驱利用激光在光学介质上读写数据的存储器,SRAM、ROM等,具有高速、高密度的特点,动器HDD和软盘驱动器,具有大容量和非如CD-ROM、DVD、蓝光光盘等,具有大容广泛应用于计算机系统中易失性特点量、可移动性等特点半导体存储器技术进步优势主要类型发展趋势随着半导体技术的不断进步,半导体存储器体积小、功耗低包括ROM、RAM、EEPROM未来半导体存储器将向着更高半导体存储器取代了之前的磁、访问速度快、可靠性高,广等,具有不同的特性和应用场密度、更低功耗、更快速度的性存储器,成为计算机和电子泛应用于各种电子设备景方向发展设备中最常用的存储设备磁性存储器磁性存储原理磁带存储器磁性存储器利用磁性材料的磁化磁带存储器是最早的磁性存储设状态来记录信息,通过电磁感应读备,利用磁性材料涂层记录数据取具有非易失性、结构简单、可实现大容量、低成本存储,但访成本低等优点问速度较慢硬盘存储器硬盘存储器使用多个圆盘作为存储载体,通过磁头读写数据容量大、访问速度快,是计算机主要的大容量存储设备光学存储器光学读写原理介质多样性12使用激光束进行数据写入和读包括CD、DVD、蓝光等,可满取,能够实现高密度存储和快速足不同容量和性能需求访问非接触式传输可重复写入34光学存储无需物理接触介质,能光学存储介质具有可重复写入够防止机械磨损和数据丢失的特性,提高了存储灵活性存储器的性能指标5100ns存储容量访问时间数据存储的最大容量，单位通常为GB从CPU发出读取或写入请求到完成操或TB作所需的时间5Gbps

99.99%传输速率可靠性每秒可传输的数据量，决定了系统的数据存储和传输的准确性和稳定性吞吐量存储器的容量和响应时间存储器的可靠性和可访问性可靠性存储器在一定时间内无故障运行的能力,取决于存储单元、控制电路和接口电路的质量和稳定性增强可靠性需要先进的制造工艺和可靠的存储单元可访问性存储器数据能够被及时读取和修改的能力,受存储介质、访问机构和控制电路的影响提高可访问性需要降低访问时间,提高数据传输速率存储器的内存体系结构存储器分层结构1计算机存储器通常采用分层结构设计,包括寄存器、缓存、主存储器和辅助存储器等各层级的存储器有不同的容量、速度和成本特性缓存机制2CPU与主存之间通常采用多级缓存机制,利用局部性原理提高访问速度缓存可分为指令缓存和数据缓存,并采用各种替换策略虚拟存储器3虚拟存储器技术允许程序使用比物理内存大得多的地址空间,通过页式或段式管理实现这种技术提高了存储灵活性和利用率高速缓存存储器快速访问受限容量12高速缓存存储器位于CPU和主高速缓存的容量有限,需要高效存之间,可以快速存取数据和指的替换算法来维护最常用的数令,大大提高系统的性能据空间局部性多级结构34高速缓存利用程序的空间局部现代处理器一般采用L

1、L2和性,将附近的数据预先加载到缓L3多级缓存结构,为不同需求提存中,降低访问延迟供服务主存和辅助存储器主存储器主存储器是计算机中直接与CPU进行数据交换的存储器,提供了快速的读写访问辅助存储器辅助存储器用于长期存储数据和程序,具有大容量和低成本的特点数据交换主存和辅助存储器通过总线进行数据交换,满足不同存储需求存储系统的层次结构寄存器1最快的存储单元，位于处理器内部高速缓存2介于寄存器和主存之间，数据读取速度快主存储器3数据存储容量大，但访问速度较慢辅助存储器4存储容量大但访问速度较慢，如磁盘和光驱存储系统的层次结构体现了不同存储器之间的性能差异从顶层寄存器到底层辅助存储器，存储容量越大但访问速度越慢合理利用存储层次结构可以平衡存储性能和成本存储系统的总线结构系统总线地址总线数据总线控制总线整个存储系统通过系统总线来用于传送存储器单元的地址信用于传送数据,是双向传输,可用于传送控制信号,如读/写信实现主处理器与内存、外围设息,确定数据的存取位置实现主处理器与内存间的双向号、时钟信号等,协调主处理备之间的数据传输和控制数据交换器与存储器的工作存储系统的接口标准标准标准SATA SCSI用于连接硬盘、固态硬盘等存储为服务器和工作站设计的高性能设备,广泛应用于个人电脑提供接口,支持多设备并行工作提供串行传输,性能优越且可扩展更高的可靠性和可扩展性标准标准USB PCIe通用串行总线标准,适用于各类外用于主机板与存储控制卡的高速围设备,如U盘、移动硬盘等,便携通信,提供出色的带宽性能和可扩性强、即插即用展性广泛应用于高端PC和服务器存储管理的基本原理存储分配管理存储保护机制虚拟存储技术存储层次结构存储器管理负责在内存中为进建立存储保护机制,防止进程利用虚拟存储技术扩展内存容管理不同层次的存储器,如高程分配和回收内存空间,保证非法访问或修改其他进程的存量,提高存储利用效率,为用户速缓存、主存和辅助存储,优各进程能够按需获得足够的存储空间,确保数据安全性提供更大的可用存储空间化存储系统的整体性能储资源存储分配和回收内存分配1根据应用程序的需求动态分配内存空间内存管理2跟踪分配的内存块并优化使用内存回收3识别和释放不再使用的内存块存储分配和回收是计算机系统中重要的内存管理机制它负责根据应用程序的需求动态分配和释放内存空间,并跟踪分配的内存块以优化内存使用这个过程确保计算机系统能高效利用有限的内存资源,提高整体性能虚拟存储器需求驱动1随着程序和数据规模的不断增大,物理内存的容量显得越来越有限,于是产生了虚拟存储器的概念基本原理2虚拟存储器利用硬盘等辅助存储器扩展了可用内存空间,通过页面置换技术动态管理内存优势体现3虚拟存储器可以为程序和数据提供更大的地址空间,提高了内存的利用率和计算机系统的性能页式虚拟存储器地址空间划分将逻辑地址空间划分为固定大小的页面,存储在主存和辅存中页面调入调出根据需求动态地将页面从辅存调入主存,并根据置换算法调出页面页表管理使用页表记录页面在主存和辅存中的位置,并提供地址转换段式虚拟存储器地址空间分段1将程序和数据划分为多个长度可变的段页表机制2为每个段建立相应的页表地址转换3通过段号和页号完成逻辑地址到物理地址的转换段式虚拟存储器将程序和数据划分为多个可变长度的段,并为每个段建立相应的页表在地址转换过程中,通过段号和页号完成从逻辑地址到物理地址的转换这种方式可以更好地满足程序和数据的存储需求,提高了存储空间的利用率页面置换算法最近未使用页面置换先进先出页面置换最近最少使用页面置换FIFO LRU该算法将淘汰最长时间未被访问的页面这这种算法根据页面被调入内存的先后顺序进该算法淘汰最长时间未被访问的页面它更种方法简单易行且利用了程序局部性的特点行置换，淘汰最早调入的页面可以有效避好地利用了程序的局部性特点，在性能和实免缓存颠簸现复杂度之间取得了平衡快速傅里叶变换算法频域分析高效计算快速傅里叶变换将时域信号转换它采用分治的思想,大幅降低了计为频域分析,便于研究信号的频谱算复杂度,可以快速计算傅里叶变特性换广泛应用此算法广泛应用于信号处理、图像处理、通信、控制等诸多领域多媒体存储技术多媒体数据如图像、视频和音频文件通常具有巨大的数据量,对存储系统提出了新的挑战多媒体存储技术应运而生,通过数字压缩技术、大容量存储设备和并行处理等手段,实现了海量多媒体数据的高效存储和快速访问未来的多媒体存储系统将进一步向高密度、高性能、低能耗和智能化方向发展,满足智能终端、虚拟现实、云计算等新兴应用场景的需求存储器3D3D存储器技术是存储器领域的一项创新性发展,可以实现更高的存储密度和更快的访问速度它采用垂直堆叠的方式,突破了平面二维结构的局限性,在有限的芯片面积上集成更多的存储单元3D存储器可应用于移动设备、物联网、人工智能等领域,为下一代信息技术提供更强的存储支撑存储器发展趋势高密度存储更高性能低功耗设计非易失性存储存储器正朝着更小体积、更大存储器的访问速度和带宽持续随着移动设备和物联网的普及为了提高数据的安全性和持久容量的方向发展，推动了半导提升，满足了高性能计算系统,存储器必须兼顾低功耗特性性,基于相变材料的存储器正体工艺的不断进步3D存储对数据传输的需求存储器已新兴存储技术如自旋电子存在崛起,取代传统易失性存储等新型存储技术正在突破传统成为整个计算系统性能的关键储器正在开发,以更好地满足的使用场景存储密度的极限瓶颈低功耗需求存储器对计算机系统的影响技术进步大数据应用人工智能存储器技术的不断进步推动了整个计算机硬高容量、高速度的存储器为大数据的存储、高性能存储器使复杂的机器学习算法得以实件系统的发展，使计算机性能和功能不断提分析和挖掘提供了强大的支撑现,推动了人工智能技术的广泛应用升存储器相关问题讨论存储器是计算机系统的核心组成部分,它在系统的性能、可靠性和功耗等方面起着至关重要的作用在讨论存储器相关问题时,我们需要关注存储器的容量、访问速度、价格、能耗以及未来的发展趋势我们还需要重视存储器在系统中的层次结构,以及如何充分发挥高速缓存的作用,提高整体系统的性能此外,虚拟存储技术也是一个值得关注的问题通过虚拟存储,我们可以利用磁盘等辅助存储来扩展内存的容量,但同时也需要控制虚拟存储对系统性能的影响另外,存储管理和存储系统的接口标准也需要深入探讨,以确保存储系统能够与整个计算机系统无缝协作课程总结与展望本课程通过系统地介绍了存储器的基本概念、发展历程和分类,深入探讨了各类存储器的工作原理、性能指标和应用场景我们还探讨了存储器在计算机系统中的关键作用,以及存储系统的体系结构和管理最后,我们展望了未来存储技术的发展趋势。