《存储器结构》课件

存储器结构存储器是计算机系统中用于存储数据和指令的硬件部件了解存储器的结构和工作原理对于设计和使用计算机系统至关重要课程导入课程概览学习目标教学方法本课程将全面介绍计算机系统中存储器的基通过本课程的学习,学生将掌握存储器体系本课程采用理论授课、案例分析和实验实践本概念、层次结构以及相关的工作原理从结构的基础知识,理解存储技术的发展趋势,相结合的教学方式,引导学生主动思考和探基本的存储单元到高速缓存和虚拟存储器,并具备分析和设计存储系统的能力讨存储技术的相关问题系统地分析存储器的发展历程和特点存储器的基本概念存储器的定义存储器的分类12存储器是计算机系统中用于存储和保存数据、程序的硬件设存储器可分为主存储器和辅助存储器主存储器包括随机存备它是计算机的重要组成部分取存储器RAM和只读存储器ROM存储器的特性存储器的作用34存储器具有容量、存取时间、数据传输速率等特性,这些特性存储器在计算机系统中起到暂时存储和永久保存数据的重要决定了存储器的性能作用,是计算机运行的基础存储器的层次结构寄存器1处理器内置的高速存储单元,用于暂时保存程序和数据它是存储器层次结构中最快但容量最小的一层高速缓存2位于处理器和主存储器之间的中间存储层,可大幅提高访问速度它利用程序局部性原理,缓存频繁访问的数据和指令主存储器3通常由DRAM芯片构成,是计算机系统的主要存储区域它容量大但访问速度较慢,用于存放程序和数据辅助存储器4包括磁盘驱动器、光驱等外部存储设备,容量大但访问速度较慢用于长期存储数据和程序主存储器核心部件存储类型体积和成本数据访问主存储器是计算机系统的核心主存储器主要包括RAM和随着技术发展,主存储器的容主存储器采用随机访问的方式部件,用于存储各种程序和数ROM两种类型,前者为读写存量越来越大,体积越来越小,成,可以直接访问存储单元中的据它可提供快速的数据存取储器,后者为只读存储器,它们本也越来越低这使得计算机任何一个存储单元,而不需要和处理能力,是CPU与外围设在功能和特性上各有不同系统能够存储和处理更多的数按顺序访问备的桥梁据主存储器的存储单元主存储器的存储单元由许多小型的存储单元组成,通常被称为存储单元或存储位每个存储单元可以存储一比特的信息,通过控制电压或电流的不同状态来表示0或1这些小型的存储单元集成在一起,构成了主存储器的基本组成单元主存储器存储单元的主要特点包括体积小、集成度高、访问速度快、能耗低等,这些特性使主存储器成为计算机系统中数据和程序的主要存储介质主存储器的体系结构主存储器是计算机系统的核心元件之一,用于存储程序和数据它由多个独立的存储单元组成,每个单元都有自己的地址主存储器采用分层结构,通过控制器访问数据,同时与处理器和外设设备进行数据交换主存储器的体系结构包括存储单元、地址译码器、读写控制电路以及输入输出电路等部分它们通过总线相互连接,组成一个完整的存储系统工作原理DRAM数据存储1基于电容储存数据周期性刷新2定期刷新电容避免丢失随机访问3支持任意存储位置的读写行列寻址4通过行列地址访问单元DRAM DynamicRandom AccessMemory的工作原理是基于电容储存数据由于电容会自然放电,所以需要周期性地对其进行刷新操作,以防止数据丢失DRAM支持随机访问,可以访问任意存储位置进行读写其核心是行列寻址机制,通过行列地址定位访问单元工作原理SRAM存取数据1通过行列地址选择存储单元保持数据2利用两对互补式晶体管形成的反馈电路刷新数据3无需周期性刷新,数据可永久保持SRAM StaticRandom AccessMemory采用双稳态电路保持数据,不需要定期刷新通过行列地址选择存储单元,读写操作快速高效与DRAM相比,SRAM的功耗更低,但成本更高,容量也较小SRAM广泛应用于CPU缓存等对速度要求高的场景主存容量与性能分析主存容量决定了可以处理的数据量主存性能包括访问时间、带宽等指标，影响系统响应速度主存扩容可以提高系统的处理能力和性能主存缓存利用高速缓存可以降低主存访问时间合理配置主存容量和性能参数对于提高系统性能至关重要需要权衡成本和性能目标来进行优化设计高速缓存存储器位于主存和CPU之间的中间层通过空间局部性和时间局部性提通过映射机制实现地址转换高访问速度高速缓存存储器提供了一个性能与容量之间高速缓存存储器采用直接映射、组关联或全的平衡，加速了CPU对数据的访问高速缓存存储器能预取和保存最近访问的数关联等方式实现地址到缓存的转换据和指令，提高访问效率高速缓存的工作原理数据获取当CPU需要访问内存中的数据时,首先会检查高速缓存中是否有该数据的副本数据命中如果数据在高速缓存中找到,称为命中,CPU可以直接从缓存中读取数据数据未命中如果数据不在缓存中,则需要从主存储器中取调,同时将其拷贝到缓存中数据替换当缓存空间满时,需要使用替换算法选择牺牲哪些数据块来腾出空间高速缓存的命中率90%10%命中率缺失率良好的缓存设计可实现90%以上的命未命中时的缓存访问失败率通常低于中率10%1/100200MB/s延迟时间带宽命中时延迟仅为主存访问延迟的1/100高速缓存可提供每秒200MB以上的带左右宽如何提高命中率优化缓存算法增大缓存容量选用合适的缓存替换策略,如LRU适当增加缓存容量,可以缓存更多、FIFO等,根据实际情况合理设置的数据,提高命中概率但需平衡参数,提高缓存命中效率成本和性能提升内存带宽利用缓存预取提高内存总线带宽,加快数据访问根据访问模式提前预取数据到缓速度,降低内存访问延迟,从而提高存,可以有效降低缺页率,提高命中命中率率虚拟存储器页面交换地址映射虚拟存储器通过将主存中的页面虚拟地址与物理地址之间需要进动态交换到磁盘上的页面文件中行动态映射,以实现程序对更大存来扩展可用内存容量储空间的访问页面置换算法当主存容量不足时,需要采用合适的页面置换算法来决定换出哪些页面页面置换算法最佳置换算法1根据未来参考情况选择需要替换的页面先进先出算法2选择最早进入内存的页面进行替换最近最少使用算法3选择最长时间未使用的页面进行替换页面置换算法是虚拟存储器中的关键技术之一,它决定了当内存空间不足时,需要从内存中选择哪些页面进行替换常见的页面置换算法有最佳置换算法、先进先出算法和最近最少使用算法等,算法的优劣直接影响虚拟存储器的性能请求分页机制页面请求当进程需要访问某个虚拟地址时,首先检查页表,查看该页是否在主存中缺页异常如果页面不在主存中,会产生缺页异常,操作系统需要将该页面从磁盘调入主存页面置换如果主存没有空闲页框,需要选择一个页面进行替换,并更新页表页面替换算法分析页面替换算法是虚拟存储器管理的关键技术之一主要包括最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）和最佳（OPT）等这些算法对页面替换策略进行不同的考虑,在性能、复杂度和实现难度等方面各有优缺点以下以表格形式比较这些常用的页面替换算法:算法特点优点缺点LRU根据最近访问时能较好地模拟程需要维护页面访间进行替换序的局部性原理问历史,实现复杂度高FIFO先进先出实现简单,无需维无法充分利用局护复杂数据结构部性原理,性能较差OPT根据未来访问情能达到最佳性能,实际中难以预测况确定最佳页面为理想情况未来访问情况,无法实现辅助存储器磁盘存储器光存储器硬盘驱动器HDD是最常见的磁盘存储器,体积较大,速度较慢,但容光盘存储器如CD、DVD和蓝光光盘,使用激光技术读写数据容量量大且价格低廉SSD固态硬盘则采用闪存技术,更快、更小、更大、易携带,但速度和寿命有限光存储器常用于数据备份和存储耐用大型文件磁盘存储器基础存储单元磁盘存储器以磁性盘片作为基础存储单元，通过磁头读写数据旋转机械结构磁盘采用圆盘旋转的机械结构，通过磁头在盘片表面移动来读写数据大容量存储现代硬盘驱动器可提供数TB的存储容量，是主存储器的重要补充光存储器CD-ROM光驱蓝光光盘光存储技术发展CD-ROM光驱是最早使用光存储技术的大蓝光光盘采用了更短波长的蓝光激光技术,随着激光技术和材料科技的不断进步,光存众化存储设备,采用激光读取光盘上的数据使得存储密度比DVD提高了数倍蓝光光储设备的存储容量和访问速度不断提高光其具有存储容量大、读取速度快、可靠性盘广泛应用于高清视频、游戏等领域存储有望成为未来主流的大容量存储技术高等特点外存储器的接口1I/O总线连接2控制信号协议外部存储器通过I/O总线与处理存储器接口需要遵循特定的控器和主存储器进行数据传输和制信号协议,如读写控制、地址通信选择等存储器映射缓存一致性34外部存储器的地址空间需要映当处理器访问外部存储器时,需射到处理器的地址总线上,以便要确保缓存数据的一致性访问外存储器的可靠性耐用性数据完整性外部存储设备需要能够承受长期的使用,抵御物理损坏和环境因素的外存设备应能保证数据在传输、存储和读取过程中不会被篡改或丢影响,确保数据的安全性失,确保数据的完整性错误校正备份与恢复外存应具备错误检测和纠正机制,能够自动识别并修复因硬件故障或外存应支持完整备份和快速数据恢复功能,以防止数据丢失和系统崩其他原因导致的数据错误溃存储器层次结构性能分析存储器接口技术总线接口存储器控制器12存储器通过标准的总线协议与存储器控制器负责存储器的读主处理器或其他设备进行数据写操作,保证数据的正确传输与交换和控制常见总线接口包时序控制不同类型的存储器括PCI总线、SATA总线等需要适配的专用控制器存储管理技术错误检测与纠正34为了支持虚拟存储和缓存等高存储系统需要配备错误检测和级功能,需要复杂的存储管理机纠正电路,提高数据的可靠性,防制,如地址转换、页面替换等止因存储损坏导致的系统崩溃存储器系统总线总线结构总线标准总线性能总线扩展存储器系统总线通常包括地址存储器总线需要遵循特定的硬总线的带宽、时序和延迟特性可以使用总线桥或中继器等技总线、数据总线和控制总线件标准,以确保兼容性和可靠直接影响存储器系统的整体性术来扩展总线,以满足更高的它们负责在CPU、存储器和其性常见的标准包括SATA、能优化总线设计是提高存储存储容量和带宽要求他设备之间传输地址、数据和PCIe和SCSI等器性能的关键控制信号存储器系统发展趋势云存储普及云计算技术的发展推动了云存储的广泛应用,个人和企业可随时随地访问数据固态存储器兴起固态硬盘SSD的容量和性能不断提升,取代传统机械硬盘成为主流存储设备存储技术3D通过3D堆叠技术,存储密度和容量实现突破性提升,为存储系统带来新的机遇课程小结知识梳理技术进步实践应用本课程全面介绍了存储器的基本概念、层次随着技术的不断进步,存储器技术也在不断掌握存储器知识对于设计和优化计算机系统结构、工作原理以及性能分析等重要知识更新迭代,为计算机系统提供更高容量和更至关重要希望同学们能够将所学知识应用为学生深入理解计算机存储体系奠定了基础快访问速度的支持到实际工程中去拓展阅读课程延伸阅读探索前沿技术实践动手学习本课程涵盖了存储器的基础知识和核心概念存储器技术不断进步,您可以关注一些技术除了理论知识,您也可以动手实践,比如组装,如果您想深入了解更多细节,可以阅读一些博客和会议,了解行业最新动态和前沿研究电脑、设计存储系统等,从中深入理解存储专业书籍和论文器的原理和应用。