《内部存储器》课件

内部存储器计算机系统中的核心组件直接与CPU交互，高速存储数据和指令内部存储器简介计算机的核心高速访问内部存储器是计算机系统的重要内部存储器能够高速读写数据，组成部分，用于存放程序和数据直接与中央处理器CPU交互存储类型内部存储器主要分为两种类型随机存取存储器RAM和只读存储器ROM内部存储器的作用和特点存储数据和程序高速访问12内部存储器是计算机系统中最内部存储器相较于外部存储器重要的部件之一，用于存储正，具有更快的读写速度，可以在运行的程序和数据它可以快速获取CPU所需的数据和程直接被CPU访问，确保程序和序指令，从而提高计算机的执数据的快速访问，保证计算机行效率的正常运行易失性价格较高34内部存储器通常是易失性的，内部存储器通常比外部存储器断电后数据会丢失，因此需要更贵，但其高速度和对系统的定期将重要的数据保存到外部重要作用使其成为不可或缺的存储器，防止数据丢失组成部分主存储器的分类按存取方式分类按存储介质分类按存储器芯片内部数据的存取方式，可分按存储器芯片中存储数据所采用的物理材为随机存取存储器RAM和只读存储器料不同，可分为半导体存储器和磁存储器ROM随机存取存储器RAMRAM芯片RAM模块计算机RAMRAM芯片是计算机系统中用来存储数据的RAM模块是多个RAM芯片的集合，通过插RAM是计算机系统中最重要的存储器类型核心组件，负责快速存取数据，支持高速数槽安装在主板上，提供更大的存储容量之一，负责存放操作系统、应用程序以及正据读写操作在运行的数据静态RAMSRAM晶体管速度快SRAM使用晶体管来存储数据，每个位需要6SRAM的存取速度比DRAM快，适合需要快速个晶体管读写的应用成本高内存SRAM的成本比DRAM高，因为其结构更复杂SRAM通常用于高速缓存Cache，因为它可，所需的晶体管更多以更快地提供数据动态RAMDRAM电容存储刷新操作12DRAM使用电容存储数据，电刷新操作由控制器完成，定期容会随时间泄漏，需要周期性对每个存储单元进行读写操作刷新才能保留数据，以恢复电容电荷，保证数据稳定速度和容量3DRAM比SRAM速度慢，但成本更低，容量更大，适合作为主存储器技术的发展RAM早期RAM1早期RAM主要以磁芯存储器为主，体积大，速度慢，成本高半导体RAM出现220世纪70年代，半导体RAM开始普及，体积小，速度快，成本低，成为主流DRAM技术革新3DRAM技术不断发展，容量不断提升，速度不断提高，价格不断下降，成为主流内存只读存储器ROM永久存储ROM存储的信息在制造时就已写入，无法被用户修改非易失性即使断电，ROM中的信息也不会丢失启动引导ROM常用于存储计算机的启动程序和系统配置信息掩模ROM掩模ROM信息不可改写成本低廉在芯片制造过程中，信息永久烧录在芯片中这种ROM的信息无法修改，一旦烧录，信掩模ROM的制造过程简单，批量生产的成息将保持不变本较低PROM可编程只读存储器特性PROM是一种一次性可编程的只读存储器用户可以通过专门的编程PROM通常具有较高的速度，因为它的数据存储在内部的熔丝或连接器将数据写入PROM芯片中，但写入后无法更改中一次性写入特性使其适用于永久存储程序或数据可擦除可编程只读存储器EPROM紫外线擦除一次性编程EPROM是一种可擦除可编程只读EPROM只能被编程一次，这意味存储器，可以通过紫外线照射来着一旦数据被写入，它们就不能擦除芯片上的数据然后，它可被修改数据只能通过紫外线照以使用专门的编程器写入新的数射擦除据相对较慢的擦除时间较高的可靠性EPROM的擦除时间相对较长，通与其他类型ROM相比，EPROM常需要几分钟甚至更长时间，取的可靠性较高，因为它们可以被决于紫外线的强度和照射时间擦除并重新编程可擦除可编程只读存储器EEPROM可擦除可编程ROM电气可擦除广泛的应用EEPROM允许在电路板上擦除和重新编程EEPROM使用电场擦除存储单元，与EEPROM用于各种应用，包括存储设备、，无需从电路板上移除芯片EPROM的紫外线擦除不同嵌入式系统和配置存储器闪存FLASH非易失性存储器写入速度慢闪存是一种非易失性存储器，即使断电，与SRAM或DRAM相比，闪存写入速度较数据也不会丢失闪存通常用作固态硬盘慢，因为它需要擦除整个块才能写入新数的存储介质，提供更快的访问速度和更高据，并使用浮栅晶体管来存储数据但近的可靠性年来闪存技术不断发展，写入速度已显著提高存储器的容量和存取时间存储器的容量是指存储器中能够存储的信息量，通常以字节B为单位，1字节等于8位存储器的存取时间是指从存储器中读出或写入一个字所需的时间，通常以纳秒ns为单位1K1M容量容量1K字节1M字节1G50ns容量存取时间1G字节50纳秒存储器的层次结构寄存器1CPU内部，速度最快，容量最小高速缓存2介于寄存器和主存之间，速度快，容量较小主存储器3CPU直接访问，速度较慢，容量较大辅助存储器4存储容量大，速度慢，价格低廉计算机系统采用层次化的存储结构，利用不同速度、容量和成本的存储器协同工作速度快的存储器容量小，价格高，而速度慢的存储器容量大，价格低主存与辅助存储器的关系存储层次结构数据交换主存和辅助存储器组成计算机的程序执行时，数据在主存和辅助存储层次结构，主存速度快，但存储器之间不断交换，主存存储容量小；辅助存储器速度慢，容当前运行的程序和数据，辅助存量大储器存储长期保存的数据访问速度CPU直接访问主存，访问速度快；访问辅助存储器需要通过I/O控制器，速度慢，但价格低廉，容量大程序装入和执行程序装入将程序从辅助存储器（如硬盘）加载到主存储器（RAM）的过程地址绑定将程序中的逻辑地址转换为物理地址，以便CPU能够访问内存中的指令和数据程序执行CPU从主存储器中读取指令，并根据指令进行操作，例如计算、数据读写等结束执行程序执行完毕后，释放占用的内存空间，并返回到操作系统存储器管理概述存储器管理是操作系统的重要组成部分操作系统负责分配和管理计算机系统中的存储器资源存储器管理的目标是提高存储器利用率，并为用户提供安全有效的内存访问连续内存分配方法单一连续分配1程序占据连续内存空间固定分区分配2将内存划分为固定大小分区可变分区分配3动态划分分区大小连续内存分配是指将程序加载到内存中连续的地址空间这种方法简单易懂，但会导致内存碎片化分页内存管理划分物理内存将物理内存划分为大小相等的页面框架，每个框架对应一个页面划分逻辑地址空间将逻辑地址空间划分为大小相等的页面，每个页面对应一个物理页面框架建立页表建立页表，记录每个逻辑页面在物理内存中的位置，即页面框架号地址转换CPU访问逻辑地址时，通过页表将逻辑地址转换为物理地址分段内存管理逻辑地址1程序员使用逻辑地址访问内存段表2存储每个段的起始地址和长度物理地址3操作系统将逻辑地址转换为物理地址虚拟存储器概念扩展内存页面调入调出12虚拟存储器允许使用比物理内将程序和数据的一部分加载到存更大的地址空间内存中，需要时交换到磁盘多任务支持3在有限的物理内存中运行多个程序，提高系统利用率分页式虚拟存储器逻辑地址1由CPU生成页号2用于查找页面在内存中的位置页内偏移量3指明在页面中的具体位置物理地址4由内存管理单元计算分页式虚拟存储器通过将程序和数据划分为固定大小的页面，并在内存中分配页面帧来实现虚拟地址到物理地址的映射每个页面都拥有唯一的页号，当CPU访问内存时，内存管理单元会将逻辑地址转换为物理地址，从而实现虚拟存储器的功能页面置换算法最佳置换算法先进先出FIFO最近最少使用LRU时钟算法将要被替换的页面是将来最长按照页面进入内存的顺序进行将最近最少使用的页面替换出通过使用时钟指针和访问位来时间内不会被访问的页面，这替换，简单易懂，但可能出现去，性能较好，但需要记录页模拟LRU算法，实现相对简单种算法性能最佳，但无法实现“Belady现象”，性能较差面使用时间，实现复杂，性能也比较好缓存存储器Cache速度快缓存存储器使用速度更快的存储介质，例如SRAM，比主存储器速度快得多访问速度缓存存储器位于CPU和主存储器之间，可以更快地访问常用数据数据传输缓存存储器可以缓存最近访问的数据，减少数据传输次数，提高系统性能的组织结构Cache直接映射方式全相联映射方式组相联映射方式主存块和Cache块之间存在一对一映射关主存块可以映射到Cache中的任何位置，结合了直接映射和全相联映射的优点，将系主存块只能映射到Cache中的特定位只要该位置空闲，且主存块的内容和Cache分成多个组，每个组包含多个块置，不会和其他块冲突Cache块的内容一致即可主存块只能映射到特定组，但在这个组内可以映射到任意块的命中率分析Cache的性能评估Cache命中率平均访问时间性能指标123衡量缓存效率的关键指标，表示访问计算访问数据所需时间的平均值，考使用指标评估缓存性能，如命中率、缓存时命中数据的概率虑了命中和未命中两种情况平均访问时间和吞吐量等课程小结本课程讲解了计算机系统中内部存储器的概念、类型和工作原理，以及与之相关的存储管理技术，并详细介绍了缓存存储器。