《存储器组织》课件

存储器组织深入探讨计算机系统中存储器的重要性和组织方式让您全面了解这一关键硬件,模块存储器的历史发展电磁继电器1年代初期1940真空管2年代1950晶体管3年代1960集成电路4年代1970存储器技术的发展史跟随着计算机硬件技术的演进从最初使用电磁继电器到真空管、晶体管、集成电路等关键技术的出现和应用存储器容量和性,能也不断提升每一个技术阶段都对应了一代崭新的存储器产品这些产品不断改善了计算机系统的性能和可靠性存储器的基本结构存储单元存储器阵列读写电路存储器的基本组成单元是存储单元,负责保多个存储单元组成存储器阵列,采用行列方读写电路负责对存储单元进行数据的读取和存二进制数据每个存储单元都有独特的地式排布,可以快速定位和访问所需数据写入操作,实现数据在存储器和CPU之间的址,用于定位和访问数据传输存储器的分类按存储特性分类按存储介质分类包括随机存取存储器RAM和只读存储器包括磁性存储器、光学存储器和半导体存储器ROM等RAM可以读写,ROM只能读不能写等每种技术都有其特点和应用场景按存储容量分类按存取速度分类从小型存储器到大型存储器存储容量可以从几从高速到低速不等主存储器通常比辅助存储器,,KB到数TB不等根据应用需求选择合适的容量的访问速度快选择时要权衡性能和成本主存储器核心组件直接访问12主存储器是计算机系统的核心CPU可以直接访问主存储器中组件用于存储程序代码和数据的数据和指令无需经过磁盘或,,,为中央处理器CPU提供即时其他存储设备的中介读写高速性能容量限制34主存储器以极高的速度工作能主存储器的容量有限不足以满,,够快速满足对于数据和指足大型程序和数据的需求需要CPU,令的需求辅以其他存储设备主存储器的性能指标100NS1GB/s访问时间数据传输率主存储器从接收地址到读取数据的时主存储器每秒传输的数据量间1000000010W存储容量功耗主存储器可以存储的数据量主存储器在运行时消耗的电功率主存储器的访问方式地址访问1通过指定存储单元的地址来读取或写入数据这种访问方式快捷高效适用于与主存直接交互的情况,CPU访问DMA2由控制器直接与主存进行数据传输无需参与用于DMA,CPU高速输入输出设备与主存之间的大量数据交换总线访问3通过共享的存储器总线进行数据传输可以由、控CPU DMA制器或其他设备发起灵活性强,主存储器的容量扩展内存条扩展通过增加内存条数量或更换高容量内存条来扩展主存储器容量虚拟内存扩展利用磁盘等辅助存储器作为虚拟内存以扩展可用内存容量,分页与分段扩展通过内存管理技术如分页和分段扩展虚拟地址空间提高主存容量利,用率主存储器的技术发展趋势容量扩展访问速度提升能耗优化可靠性增强随着集成电路技术的进步,主主存储器的访问速度也不断得新型主存储器芯片在电路设计主存储器芯片在抗干扰性、数存储器芯片的集成度不断提高到改善,从毫秒级降到了纳秒和工艺制程上的优化,大幅降据保护等方面的改进,提升了存储容量迅速扩大单芯片级有效缩短了与存储器低了存储器的功耗提高了系整体的可靠性和稳定性满足,,CPU,,容量从几百KB发展到了数十之间的数据传输时间统的能源利用效率了更高的应用需求GB辅助存储器海量存储容量便捷数据访问辅助存储器可以提供大量的存储借助各种接口技术,辅助存储器能空间用于存储大型文件、备份数快速高效地读写数据满足用户的,,据和档案管理存储需求可移动性低成本存储许多辅助存储设备如硬盘、光驱相比主存储器,辅助存储器通常拥和盘都具有便携性可以在多台有更低的单位成本能为用户提供U,,设备间传输数据经济实惠的存储解决方案磁性存储器稳定性强大容量磁性存储器具有非易失性即使断借助不断进步的磁记录技术磁性,,电数据也能保留为长期存储提供存储器的容量已经达到了数百,GB了可靠的解决方案甚至TB级别读写快捷访问磁盘等磁性存储介质的速度非常快满足了计算机对快速数据读写的需,求磁性存储器的工作原理磁化记录利用电磁铁在磁性介质表面产生局部磁化来记录数据磁通检测读取时通过检测磁性介质表面的磁通变化来恢复数据信号机械寻址利用机械装置精确定位读写头以访问存储介质上的特定位置电磁感应读写头与磁介质间的相对运动产生电磁感应电流来实现数据传输光学存储器光学读写头常见光驱光纤存储光驱通过微小的光学读写头对光盘进行读写CD-ROM、DVD-ROM和蓝光驱是常见的除了光盘,光纤也被用作存储媒体,可以实现操作,将数据转换为电信号传输光学存储设备,采用激光技术实现数据的存大容量、高速率的数据存储和传输储和读取光学存储器的工作原理激光1利用高度集中的激光束作为记录和读取介质记录2通过激光在光敏材料上烧蚀出微小的凹坑反射3利用凹坑产生的反射光强度差进行读取光学存储器利用激光作为信息的记录和读取介质在记录过程中激光会在光敏材料上烧蚀出微小的凹坑在读取过程中激光照射在凹坑,,上会产生反射光强度差通过检测这种差异来读取存储的信息这种非接触式、高密度的光学存储技术是未来存储器发展的重要方向之一,半导体存储器技术特点基于集成电路制造工艺体积小、功耗低、速度快,存储原理利用电子元件的电荷状态来存储和读取数据制造工艺采用先进的半导体制造技术如光刻、离子注入等,半导体存储器的分类只读存储器随机存取存储器闪存其他存储器ROM FLASHRAM存储内容是固定的内容出厂介于和之间既可还包括、、,ROM RAM,PROM EPROM时就已经写入只能读取不能存储内容可以任意读取和写入读又可写而且擦除和重写可等具有特殊功能的,,EEPROM写入主要用于存储程序和固,具有临时存储数据的功能以在线电路上进行,广泛应用只读存储器定数据分为静态RAMSRAM和动于嵌入式系统态RAMDRAM只读存储器ROM固化数据非易失性存储12中存储的数据在出厂时断电后中的数据不会丢ROM ROM就已经确定不能在使用过程中失可以保持内容持久,,被修改或擦除大容量存储快速访问34可以以集成电路的形式采用电路集成技术访问ROM ROM,实现大容量存储满足系统软件速度快适合作为系统程序的存,,的需求储可编程只读存储器PROM特点应用优缺点是可编程的只读存储广泛应用于各类电子优点为存储内容不会PROM PROMPROM器用户能通过编程将逻辑值产品和嵌入式系统中用于存丢失缺点为仅能编程一次无,,,,写入存储芯片,一次性编程后储固定且不会频繁变动的程序法修改或删除已编程的内容不能擦除和重写和数据可擦除可编程只读存储器EPROM灵活编程EPROM允许用户在生产后对其进行编程和修改,提供了更高的灵活性紫外线擦除EPROM通过暴露在紫外线下一定时间来擦除内存内容,可重复编程非易失性存储EPROM存储的数据即使断电也不会丢失,具有非易失性存储特点电可擦除可编程只读存储器EEPROM可重复编程数据保存可靠集成度高可以多次反复编程和擦除为用户中存储的数据可以在断电情况下采用集成电路技术制造可以集成EEPROM,EEPROM EEPROM,提供了更大的灵活性它适用于需要频繁更长期保存,具有良好的数据保持特性在单个芯片上,体积小、重量轻、功耗低新的场合动态随机存取存储器DRAM高集成度低功耗依靠高度集成化制造工艺在保持数据的同时只需要DRAM,DRAM能够在芯片上集成数十亿个存储周期性的刷新电路,与静态存储器单元,提供大容量存储相比更加节能高效高性能采用并行的存取方式能够以极高的速度完成数据的读写操作满足DRAM,,高性能计算的需求静态随机存取存储器SRAM稳定性出色访问速度快基于触发器电路无需定能提供纳秒级的快速读SRAM,SRAM期刷新能保持存储内容不丢失写访问适合作为缓存,,CPU功耗较低集成度较低仅在读写时会消耗电能每个存储单元由更多晶SRAM,SRAM静态状态下功耗几乎为零体管组成,导致集成度和容量较低闪存FLASH高速读写大容量存储可重复擦写闪存具有高速的读写性能可以快速访问和随着技术发展闪存的存储容量越来越大可闪存采用特殊的存储单元结构可以多次擦,,,,存储数据广泛应用于各种电子设备中以存储大量的数据和程序满足不同应用需除和重写数据提高了存储器的使用寿命,,,求存储器层次结构计算机存储器由主存储器和辅助存储器两大部分组成主存储器提供快速的数据访问但容量有限辅助存储器容量大但访问速度慢存储器层次结构通过缓存,、虚拟存储等技术提高整体性能和容量这种分级存储器架构提高了计算机系,统的效率和灵活性缓存存储器高速访问空间局部性12缓存存储器位于CPU和主存储缓存利用程序访问数据的空间器之间可以以高速访问数据局部性原理预取相邻的数据块,,,提高系统性能到缓存中缓存命中率分级缓存34提高缓存命中率是优化缓存系通常采用L

1、L2和L3多级缓存统的关键可以减少对主存的访不同级别的缓存有不同的大小,,问和访问速度虚拟存储器概念与优势工作原理性能影响应用场景虚拟存储器是一种透明的存储操作系统根据程序的内存需求频繁的内存交换可能会降低系虚拟存储器广泛应用于支持大器扩展技术,将硬盘等大容量,动态地将部分内容从主存载统性能,需要合理管理内存页型程序和多任务处理的计算机辅助存储器作为主存储器的补入到硬盘,再根据需求调入主面以平衡性能和扩展能力系统,提升了系统的内存使用充,提供了巨大的可用内存空存,实现虚拟内存的功能效率间与存储器的接口CPU地址总线通过地址总线指定存储器的存储单元地址，从而访问所需数CPU据数据总线数据总线用于在和存储器之间传输数据它决定了一次传输CPU的数据位数控制总线控制总线负责与存储器之间的读写控制、时序同步等功能CPU存储器总线地址总线数据总线用于传输访问存储器所需的地址用于在CPU和存储器之间传输数信息其宽度决定了可寻址的存据其宽度决定了每次可传输的储器空间大小数据量控制总线总线仲裁用于传输读写存储器的控制信号当多个设备共享同一总线时需要,,如读/写使能、时钟等保证CPU仲裁算法来决定谁可以使用总线和存储器的正确通信存储器的可靠性与安全性数据保护错误检查通过加密和备份策略保护存储器中的使用校验码等机制检测存储器中的数重要数据防止数据丢失和泄露据错误并进行自动纠正,,环境控制冗余备份维持存储器所需的温度、湿度和洁净采用RAID技术等方式实现存储系统度确保其稳定可靠的工作的冗余备份提高数据可用性,,未来存储器技术发展趋势存储密度提升1随着纳米技术的进步未来存储器的存储密度将持续提升可存,,储信息量越来越大能耗降低2新型存储技术如自旋电子学和量子计算将使存储器的能耗大幅降低为便携设备提供更长续航,访问速度提高3利用光子信号和量子隧穿效应未来存储器的访问速度将大幅提,升满足对实时数据处理的需求,。