《存储程序工作原理》课件

存储程序工作原理存储程序是现代计算机的核心概念之一，它使计算机能够执行各种任务，从简单的计算到复杂的游戏和应用程序课程介绍课程目标课程内容介绍存储程序工作原理，帮助学涵盖存储程序的概念、基本原理生理解计算机系统的工作机制、特点、工作过程、指令周CPU期、指令执行、访存方式、存储器结构等课程要求学生应能理解存储程序的基本原理，掌握相关概念和术语，并能运用所学知识解决实际问题什么是存储程序存储程序的概念是冯诺依曼提出的，它指的是将指令和数据一起·存放在存储器中计算机在运行时，从存储器中逐条读取指令，并将指令中的操作码和操作数解析出来，再进行相应的操作这种方式使得计算机可以自动执行一系列指令，并能根据程序逻辑进行跳转和循环，从而实现复杂的计算和控制存储程序的基本原理程序存储指令执行数据存储指令集将程序指令存储在计算机内存从内存中逐条读取指令并程序执行过程中所需的数据也计算机设计一套指令集，用于CPU中，而不是使用硬线逻辑执行，完成程序逻辑存储在内存中，方便访问定义可以执行的指令类型CPU CPU和操作存储程序的特点通用性灵活性

11.

22.存储程序计算机可以执行各种存储程序可以轻松修改和更新类型的程序自动性高效性

33.

44.存储程序可以自动执行指令存储程序可以提高计算机的运行效率工作的基本过程CPU取指令1从主存中取出要执行的指令译码2将取出的指令翻译成可执行的机器指令CPU执行3执行指令操作，完成相应的运算和数据处理CPU写回4将执行结果写入主存的工作过程是一个循环，不断重复以上四个步骤，直到程序结束CPU指令周期取指CPU从内存中读取下一条指令，并将其存储在指令寄存器中译码CPU将指令寄存器中的指令进行解码，确定要执行的操作和操作数执行CPU根据译码后的指令，执行相应的操作，例如算术运算、数据传送或逻辑运算写回CPU将执行结果写入内存或寄存器，完成指令的执行指令的执行CPU读取并执行指令是计算机工作的核心指令的执行过程是一个复杂的操作，涉及多个步骤每个指令都会被分解成一系列微操作，由CPU内部的控制单元协调执行取指令1从存储器中读取指令译码2解码指令，确定指令的操作执行3执行指令，完成指令的操作写回4将结果写入存储器这些步骤相互配合，完成指令的执行每个步骤都有特定的硬件和软件支持，确保指令能够被正确地执行访存的方式随机存取顺序存取直接存取可以直接访问内存中的任何位置，无需要从起始位置开始，依次访问每个数据块可以通过地址直接访问数据块，例如磁盘驱CPU需按顺序访问，例如磁带驱动器动器存储器的基本结构存储器是计算机系统中最重要的组成部分之一它用来存放程序和数据存储器主要分为主存储器和外存储器两类主存储器又称内存，是可以直接访问CPU的存储器外存储器是用来存储数据的辅助存储器，不能直接访问外存储CPU器的数据主存储器通常由芯片组成，每个芯片包含多个存储单元每个存储单元可以存放一个字节的数据存储单元的大小取决于芯片的类型和容量存储器结构图可以更清楚地展示这些存储单元之间的关系主存储器主存储器的容量通常用字节或字来表示，它直接影响着计算机的性能容量越大，可以存储更多程序和数据，计算机的性能就越好主存储器是计算机系统中不可或缺的一部分，它为CPU提供了快速访问数据的通道，是计算机正常运行的基础和ROM RAM

11.ROM

22.RAM只读存储器，存储系统启动程随机存取存储器，存储运行程序，内容不可更改序和数据，可读写，断电后数据丢失和特点比较

33.ROM RAM存储器用于保存永久性数据，存储器用于保存临时性数据ROM RAM存储单元存储单元的基本概念存储单元的构成存储单元是存储器中最小的存储单位，用来存储一个字节的数据存储单元由多个触发器组成，每个触发器存储一个二进制位每个存储单元都有一个唯一的地址，CPU可以通过地址访问存储单元中的数触发器可以是D触发器或RS触发器，通过控制门的控制，实现数据的写入和据读出数据的寻址地址空间1使用逻辑地址来访问内存，但物理内存使用的是物理地址CPU地址映射2操作系统会将逻辑地址转换为物理地址，以便能够访问到CPU正确的物理内存位置寻址方式3不同的寻址方式会影响访问内存的效率，例如直接寻址、CPU间接寻址、寄存器间接寻址等地址译码地址转换将逻辑地址转换为物理地址，确保每个存储单元都有唯一的物理地址地址映射将逻辑地址空间映射到物理地址空间，实现内存管理和保护机制地址解码将逻辑地址中的单元号与物理地址空间中的存储单元进行对应，完成地址解析存储器访问根据解码后的物理地址访问对应存储单元，实现数据读写操作数据的存取数据存储在存储器中，需要访问存储器中的数据才能进行处理，这个过程就是数据的存取CPU读操作1从存储器中读取数据CPU写操作2将数据写入存储器CPU地址译码3确定存储器中数据的物理地址数据传输4数据在和存储器之间传输CPU存取操作涉及多个步骤，包括地址译码、数据传输等，需要协调多个硬件部件完成缓存技术高速缓存的应用缓存的基本工作原理缓存的类型高速缓存芯片是现代计算机中不可或缺的一缓存利用了程序访问数据的局部性原理，将常见的缓存类型包括一级缓存（）、二级L1部分，它可以显著提高系统性能常用的数据存储在更快的存储器中，以加快缓存（）和三级缓存（），它们在速L2L3数据访问速度度和容量方面各有不同缓存的基本工作原理访问数据CPU1先检查缓存CPU命中2直接从缓存读取数据未命中3从主内存读取数据并写入缓存再次访问4从缓存中读取数据缓存的性能指标缓存性能指标反映了缓存系统的效率和效用，主要包括命中率、平均访问时间和缓存容量等95%10ns4GB命中率平均访问时间缓存容量表示从缓存中找到所需数据的概率命中率是指访问缓存的平均时间，包括缓存命中和是指缓存可以存储的数据量缓存容量越大越高，说明缓存命中率越高，缓存性能越好缓存未命中的时间平均访问时间越短，说，可以存储的数据越多，但同时也会增加缓明缓存访问速度越快，性能越好存的成本缓存的类型缓存二级缓存三级缓存磁盘缓存CPU也称为一级缓存或高速缓存，位于芯片外部，速度较一位于芯片外部，速度更慢存储在内存中，用于保存最近CPU CPU直接嵌入芯片中，速度最级缓存慢，容量较大，容量更大，通常为多个访问过的磁盘数据，提高磁盘CPU CPU快，容量最小共享访问速度虚拟存储器虚拟存储器是一种技术，它允许程序使用比物理内存更大的地址空间这通过将程序划分为页面，并将这些页面存储在磁盘上实现虚拟存储器使得程序可以运行在比物理内存更小的内存空间中，这对于大型程序或多任务系统非常有用虚拟存储器的基本原理扩充主存容量多任务处理虚拟存储器允许程序使用比物理多个进程可以同时运行，每个进内存更大的地址空间，有效扩充程拥有自己的虚拟地址空间，相了可用内存容量互隔离，提高系统效率内存管理提高程序执行效率虚拟地址空间可以被划分成更小虚拟存储器通过将常用的页面保的页面，便于管理和分配，实现存在内存中，减少了磁盘访问次灵活的内存分配和回收数，提高了程序执行速度页式虚拟存储器分页原理页表地址转换页面调入调出将逻辑地址空间和物理地址空页表存储页帧号，用于将逻辑通过页表将逻辑地址中的页号当所需页面不在内存中时，从间划分为大小相同的页和块地址转换为物理地址和页内偏移量转换为物理地址磁盘加载到内存，替换掉其他页面页表的实现页表结构1页表是操作系统用来管理虚拟内存和物理内存映射关系的数据结构页表通常以数组形式组织，每个条目对应一个页页表内容2每个页表条目包含虚拟页号和物理页号，以及其他信息，如访问权限、修改位等页表管理3操作系统负责管理页表，包括创建、更新、删除页表条目，以及处理页表缺页等操作页面置换算法FIFO1先进先出LRU2最近最少使用OPT3最佳置换CLOCK4时钟算法页面置换算法用于决定哪个页面被替换出内存，以腾出空间给新页面不同的算法会带来不同的性能FIFO算法简单易懂，但容易出现Belady现象，导致页面置换频繁LRU算法更能反映实际情况，但实现复杂OPT算法是理论上的最佳算法，但无法在实际中实现CLOCK算法是LRU算法的近似实现，兼顾性能和复杂度高速缓存与虚拟存储器的关系高速缓存虚拟存储器高速缓存是一个小的、快速的内存，用于存储最近访问的数据虚拟存储器使用硬盘空间来扩展主存储器的容量它将程序和数它位于主存储器和之间，可以快速访问数据，提高程序执行据划分为页面，并将页面存储在硬盘上，仅将需要访问的页面加CPU速度载到主存储器中外存储器持久存储大容量存储访问速度较慢

11.

22.

33.与主存储器不同，外存用于长期存储外存的容量通常远大于主存储器，能由于存储介质和访问方式的差异，外数据，即使电源关闭后也不会丢失够存储海量的文件和数据存的访问速度通常比主存储器慢得多外存的分类硬盘闪存磁带光盘硬盘是当前最常用的外存储器闪存是一种固态存储器，它使磁带是一种古老的存储介质，光盘采用激光技术记录数据，，它采用磁记录技术，具有容用闪存芯片存储数据，特点是主要用于数据备份和归档，具分为、和等CD DVDBlu-ray量大、成本低等特点速度快、体积小有容量大、价格低的特点类型，具有耐用性强、容量大的特点外存的基本工作原理数据传输外存通过数据传输线与主存进行数据交换，数据传输采用块传输方式数据存储外存存储数据采用磁性或光学存储方式，数据按扇区、磁道和柱面进行组织寻址和访问外存通过寻址方式定位数据，访问速度较慢，需要机械运动，访问时间更长数据保护外存数据需要进行备份和保护，防止数据丢失，保证数据安全性小结与展望总结展望存储程序是现代计算机系统的基随着技术发展，存储程序技术不础，其工作原理涉及、存储断优化，例如缓存技术和虚拟存CPU器、指令周期等重要概念储器技术。