《存储器的扩展》课件

存储器的扩展探讨如何通过有效的方法来扩展计算机的存储能力满足不断增长的数据存储需,求从硬件和软件层面全面分析内存扩展的技术原理和实现方式课程导言概述学习目标本课程将深入探讨存储器的基础掌握存储器的基本概念和分类,知识、分类、性能指标以及扩展了解各类存储器的工作原理和特方式帮助学生全面理解存储器点学会存储容量的扩展方式,,在计算机系统中的关键作用内容大纲课程涵盖存储器基础知识、和的详细介绍、虚拟存储器概念及ROM RAM算法分析等内容存储器的基本概念什么是存储器存储器的分类存储器是计算机系统用于存储数存储器分为主存储器和辅助存储据和指令的硬件设备用于暂时或器前者用于短期存储后者用于长,,,长期保存信息期存储存储器容量存储器速度存储器的容量决定了其能够存储存储器的访问速度决定了系统的的数据量常用位、字节响应速度体现为存取时间和带宽,bit,等单位表示byte存储器的分类只读存储器随机存取存储辅助存储器高速缓存存储器ROMRAM器是一种永久性存储器内辅助存储器用于长期存储大量高速缓存存储器位于和内ROM,CPU容不能被修改包括光掩膜RAM是一种可读写存储器,可数据,如硬盘驱动器、光盘驱存之间,用于缓存频繁访问的ROM、PROM、EPROM和以动态存储和读取数据包括动器、U盘等存取速度较慢,数据和指令,提高系统性能EEPROM等主要用于存储静态RAMSRAM和动态但容量大且非易失性包括一级缓存和二级缓存等操作系统、固件和其他关键软等主要用于RAM DRAM件短期存储程序和数据提供快,速的存取速度存储器的性能指标存储容量存储器能存储的最大数据量以,KB、、等为单位MB GB存取时间从存储器中读取数据或将数据写入存储器所需的时间以纳秒为单,ns位传输速率存储器向外部设备传输数据的速度,以为单位MB/s可靠性存储器在长期使用过程中不发生数据丢失或损坏的能力功耗存储器在工作时消耗的电功率以瓦,特为单位W的工作原理与特点ROM不可擦写1ROM的内容在制造时就被固定，无法通过程序对其进行擦写或修改单向访问2ROM只能被顺序读取，无法进行随机访问，不支持直接写入掉电保持3ROM中的数据可以在掉电的情况下保持不变，不会丢失可靠性高4ROM具有良好的可靠性和抗干扰能力，非常适合存储关键的系统程序ROM是一种非易失性存储器，其工作原理是在制造过程中将数据写入芯片内部的只读存储单元ROM具有不可擦写、单向访问、掉电保持和可靠性高等特点,非常适用于存储操作系统、BIOS等关键系统程序的分类与应用ROM只读存储器ROM（Read-Only Memory）主要分为掩膜式ROM、可编程ROM、电可编程ROM等，具有存储内容不可擦除的特点应用场景ROM广泛应用于计算机系统的BIOS、嵌入式系统的启动程序和固件等场景，存储系统初始化代码安全性高ROM数据不可修改,具有较高的安全性,常用于保存关键系统程序和数据的工作原理与特点RAM存储过程1通过对存储单元进行读写操作来实现数据的存储和读取RAM每个存储单元都有独立的地址和独立的读写控制线数据存储2数据在中以二进制形式存储，每个存储单元能存储一个位RAM或通过存储多个位来表示数字或字符01读写操作3的读写操作由地址总线、数据总线和控制总线协同完成RAM地址总线用于指定读写的存储单元地址的结构与特点SRAM基本结构存储单元快速读写由多个触发器组成每个触发器存储的存储单元由六个晶体管组成采用无需刷新操作读写速度非常快可达SRAM,SRAM,SRAM,,一位数据通过配置不同的地址和字节选择正反馈的方式来实现数据的稳定存储读写纳秒级别适用于对存取速度要求高的场合,线可访问所需的数据单元操作不会破坏原有的数据,的结构与特点DRAM存储单元结构刷新机制采用电容和晶体管构成的存储单元能够高度集成存储需要定期刷新电容以保持数据因此需要更复杂的控制DRAM,,DRAM,密度高电路访问速度容量扩展的访问速度略慢于但成本更低广泛应用于主存可以通过多片式设计轻松扩展容量满足不同应用需求DRAM SRAM,,DRAM,储器存储器扩展的必要性存储器容量有限提高系统性能实现虚拟存储满足差异化需求现代计算机系统需要大容量存存储器扩展可以增加系统的有存储器扩展是实现虚拟存储技不同应用场景对存储器的需求储器来满足日益增长的数据和效存储空间，减少频繁访问外术的基础可以让计算机系统会有差异存储器扩展可以灵,,程序需求基本存储器容量往部存储器造成的延迟从而提拥有比实际物理存储器更大的活满足各种应用的特殊需求,往无法满足要求，需要通过扩高系统的整体运行速度和处理虚拟存储空间展来实现存储器容量的增加效率存储器的扩展方式硬件扩展虚拟存储器通过增加存储芯片数量和容量扩大存将部分存储需求转移到辅助存储器上储容量，包括扩展地址线、数据线和，利用页式、段式或两者结合的方式片选电路动态管理内存高速缓存存储器层次在和主存之间设置缓存存储器，通过多级存储器的层次化管理，利用CPU利用空间局部性和时间局部性提高访不同性能特点满足各类存储需求问速度片选电路的作用与设计分隔存储器空间选择目标存储器提高系统性能片选电路可将存储器空间划分为不同的片根据地址信号片选电路可以选择特定的合理设计片选电路可以减少总线冲突提,,选区域有效利用有限的地址总线存储器芯片进行读写操作高数据传输效率,地址线扩展电路地址线拓展1增加主存寻址能力地址解码器设计2将物理地址转换为选择存储单元的信号存储芯片选择3通过片选信号实现对存储器的访问地址线扩展电路是实现存储器容量扩展的关键电路它通过增加地址线数量来扩大主存的寻址空间，并设计相应的地址解码器将物理地址转换为选择存储单元的片选信号，从而实现对多个存储芯片的访问和控制数据线扩展电路扩展策略1可以通过总线电平转换电路将较窄的数据总线扩展到较宽的数据总线电路设计2采用双向总线缓冲器和逻辑门阵列来实现数据线的扩展关键元件3关键元件包括三态缓冲器、双向总线驱动器和多路复用器等存储容量的扩展内存芯片堆叠内存模块级联通过将多颗内存芯片垂直堆叠在连接多个内存模块以并行方式访一起可以大幅提升存储容量而不问数据可以实现存储容量的线性,,增加占用面积扩展虚拟存储管理操作系统的虚拟存储管理技术可以将磁盘空间作为扩展存储器提升可用存,储总量虚拟存储器的概念虚拟存储器概念物理内存与辅助存储器页式虚拟存储器虚拟存储器是一种内存管理技术它将计算虚拟存储器将有限的物理内存和大容量的辅虚拟存储器通常采用页式管理机制将逻辑,,机的物理内存和辅助存储器整合为一个逻辑助存储器如硬盘结合使用为应用程序提供地址空间划分为固定大小的页根据需要在,,上连续的地址空间为用户程序提供更大的更大的可用内存物理内存和辅助存储器之间调度页面,地址空间页式虚拟存储器地址变换1将逻辑地址映射为物理地址页表管理2维护页表记录页面状态页面置换3按照算法选择页面进行置换页式虚拟存储器通过将逻辑地址映射到物理地址、管理页表以及页面置换算法来实现虚拟存储器的功能这种方式灵活性强、页面利用率高可以有效地扩展系统的存储容量,段式虚拟存储器地址空间划分1将逻辑地址空间划分为若干个段段表管理2为每个段建立段表项来管理存储情况段页式管理3结合段式和页式两种虚拟存储技术段式虚拟存储器是一种结合了段式和页式两种虚拟存储技术的混合方案它将逻辑地址空间划分为若干个段，每个段又可以进一步划分为页这种方式能够充分利用程序的局部性特点，提高存储器的利用率和访问效率页式段式虚拟存储器+页式分页将整个逻辑地址空间划分为等大小的页面，方便管理和调度段式分段根据程序的逻辑结构将其划分为若干个可变长的段，提高灵活性两种结合结合页式和段式的优点可以更好地利用内存提高虚拟存储的性,,能虚拟存储器的工作原理地址映射1将虚拟地址转换为物理地址页面置换2根据页面置换算法将页面调入内存内存管理3操作系统管理虚拟内存和物理内存硬件支持4和页表协作完成地址转换MMU虚拟存储器的工作原理是将虚拟地址映射到物理地址对于不在内存中的页面使用页面置换算法将其调入内存操作系统负责管理虚拟内存和物理内,,存硬件的和页表协作完成地址转换实现了程序访问内存的透明性,MMU,虚拟存储器的性能指标50%30%峰值响应时间平均访问时间虚拟存储器的最大响应时间从发起到数据返回的平均时间CPU85%90%命中率换页率数据在虚拟存储器中的命中概率发生页面替换的比例虚拟存储器的性能指标是衡量其工作效率的关键指标包括峰值响应时间、平均访问时间、命中率和换页率等这些指标反映了虚拟存储器的访问速度、数据命中概率和页面换入换出的频率优化这些指标可以提升虚拟存储器的整体性能虚拟存储器的页面置换算法先进先出算法最近最少使用算法时钟置换算法FIFO LRUCLOCK按照页面进入虚拟内存的顺序进行替换最替换掉最长时间未使用的页面能够反映程以环形队列的方式维护页面用访问位标记,,先进入的页面最先被淘汰简单易实现但序的实际访问模式但实现复杂度较高页面是否被引用能够较好地平衡和,,FIFO不能反映程序页面访问的实际规律的优缺点LRU先进先出算法FIFO顺序存取简单实现时间复杂度先进先出算法按照数据进入存储器的顺序进算法的实现比较简单，只需要维护一算法的时间复杂度为，适用于高FIFO FIFOO1行存取，即最先进入的数据最先被取出个指向最老数据的指针即可并发场景下的内存管理最近最少使用算法LRU最小化页面错误率保持页面热度算法根据页面访问的时间顺序进行替换最近最少使用的页面算法会优先保留最近访问频率高的页面保证了热点数据的高LRU,LRU,最先被淘汰这样可以最大限度地减少缺页中断的发生降低页面命中率提高了系统的整体性能,,错误率时钟置换算法CLOCK循环队列结构替换策略12时钟置换算法使用一个循环队当需要替换页面时，算法检查列来保存页面，并设置一个时当前页面的访问位，如果访问钟指针顺时针移动位为则将其淘汰0性能分析3时钟置换算法比算法性能更好，但比算法稍差实现也相对简FIFO LRU单工程应用实例分析我们将通过一个具体的工程应用实例来分析存储器扩展的实践这是一家制造工业自动化设备的企业需要采用大容量存储器来处,理复杂的生产数据通过扩展地址线和数据线以及合理的存储器,分配和虚拟存储技术该企业成功解决了存储容量不足的问题大幅,,提高了设备性能和生产效率拓展思考与讨论在掌握了存储器扩展的基本原理和方法之后，我们还可以对其进行更深入的思考和探讨比如可以探讨如何在有限的硬件资源下实现更大的存储空间，或者如何在保证性能的前提下降低系统成本我们还可以讨论存储器扩展在云计算、物联网等新兴技术领域的应用前景另外，随着技术的进步，新型存储器如固态硬盘、相变存储器等正SSD PCM在不断涌现这些新型存储器在性能、能耗、成本等方面都有很大提升未来可,能会在存储器扩展中扮演重要角色我们需要关注并探讨这些新兴技术对存储器扩展的影响本课总结深化理解存储器掌握存储器扩展方式本课程全面介绍了存储器的基本课程详细讲解了存储器扩展的必概念、分类、性能指标以及要性及多种扩展方式如片选电路ROM,和的工作原理和特点帮助、地址线扩展、数据线扩展等为RAM,学生深化对存储器的认知实际应用打下基础理解虚拟存储器课程重点介绍了虚拟存储器的概念、工作原理及性能指标并深入探讨了页,式、段式和混合式虚拟存储器课程QA经过系统学习和深入理解相信大家已经对存储器的基本概念、分类、性能指标,以及扩展方式有了全面的了解下面我们将开放问答环节欢迎大家提出任何疑,问或建议我将尽量为您解答,如果在学习过程中遇到任何困惑请务必积极发言我们将一起探讨解决方案确,,保大家对本课程内容都能够掌握到位同时也欢迎大家结合实际工程应用提出宝贵意见帮助我们进一步完善和优化这门课程,让我们通过积极互动充分发挥大家的学习热情确保本课程内容对您来说是切实,,有用的我将尽全力为您解答疑惑祝您学习愉快收获丰富,,!。