《chapter内存储器》课件

《章节内存储器》章节内存储器是一种特殊的内存区域，用于存储当前正在执行的程序代码和数据它位于计算机的主内存中，与CPU紧密相连，提供快速访问数据的通道章节内存储器通常被称为“工作区”，因为它是程序执行时的核心工作区域课程大纲存储器概述主存储器高速缓存存储器虚拟存储器介绍存储器的概念和分类，重深入探讨主存储器的类型、工讲解Cache的作用、分类和工作介绍虚拟存储器的概念和工作点讲解存储器的性能指标和层作原理和特点，包括RAM和机制，重点分析Cache的替换算原理，重点讲解页面置换算法次结构ROM法和写策略和相关问题存储器的性能指标存储器的性能指标主要包括容量、访问时间和带宽容量是指存储器能够存储的信息量，通常以字节或位为单位访问时间是指存储器从接收访问请求到返回数据的时间，通常以纳秒为单位带宽是指存储器在单位时间内能够传输的信息量，通常以字节每秒为单位存储器的容量存储器的容量指存储器所能存储的信息量通常以字节Byte为单位，1字节等于8位存储器容量越大，能够存储的信息就越多不同类型的存储器容量差别很大存储器的访问时间存储器的访问时间是指从发出访问指令到从存储器中取出数据或写入数据所需的时间访问时间是衡量存储器速度的关键指标，影响着计算机系统整体的性能10nsSRAM静态随机存储器50nsDRAM动态随机存储器100ns硬盘机械存储器存储器的带宽存储器带宽衡量的是单位时间内CPU能够访问存储器的总数据量存储器带宽是衡量计算机系统性能的重要指标100GB/s1TB/s现代PC高性能服务器现代PC的内存带宽通常在100GB/s以高性能服务器可以达到1TB/s以上的带上宽存储器层次结构层次化存储不同类型的存储器以层次化方式组织，速度更快但成本更高的存储器位于层次结构的顶端缓存高速缓存存储器位于层次结构的顶端，用于存储最常访问的数据，以加快访问速度主存储器主存储器位于层次结构的中间，用于存储正在运行的程序和数据辅助存储器辅助存储器位于层次结构的底部，用于存储大量数据，但访问速度较慢主存储器定义特点主存储器是计算机系统中用于存放程序和数据的核心部件它是主存储器具有速度快、容量大、价格低的特点，它是CPU直接访一种随机存取存储器RAM，可以快速读取和写入数据问数据的区域，对于计算机的性能至关重要只读存储器ROM定义用途只读存储器ROM是一种非易失性存储器，这意味着即使在断电后，ROM常用于存储固件、启动代码和系统参数等重要数据，这些数据它也能保存数据ROM中存储的数据在制造过程中被写入，通常无需要在系统启动时访问法更改类型优点ROM的类型包括掩模ROM MROM、可编程ROM PROM、可擦ROM的优点包括非易失性、可靠性和低功耗除可编程ROM EPROM和电可擦除可编程ROM EEPROM随机存取存储器RAM可读写易失性RAM允许CPU快速读取和写入RAM在断电后会丢失所有存储数据信息主要存储器RAM是计算机系统的主要工作内存，用于存放当前正在运行的程序和数据的分类RAMRAM主要分为两种类型静态随机存取存储器SRAM和动态随机存取存储器DRAMRAM1SRAM2速度快，功耗高，价格贵DRAM3速度慢，功耗低，价格便宜SRAM和DRAM的主要区别在于存储数据的方式不同静态随机存取存储器SRAM存储单元SRAM使用触发器作为存储单元，每个触发器存储一个位信息结构SRAM的结构比DRAM复杂，但速度更快，功耗更低访问速度SRAM的访问速度比DRAM快得多，因为不需要刷新操作动态随机存取存储器DRAM

11.存储单元

22.刷新操作DRAM使用电容存储数据,每位电容会随着时间推移而泄漏,数据用一个电容表示DRAM需要定期刷新以保持数据

33.速度

44.应用DRAM比SRAM速度慢，但成本DRAM是现代计算机的主存储更低，容量更大器，用于存储程序和数据的工作原理DRAM存储单元1DRAM的存储单元是电容器，每个电容器代表一个比特信息数据读写2数据读写通过对存储单元进行充放电操作来实现刷新操作3由于电容会泄漏电荷，因此需要定期刷新以保持数据的特点DRAM成本低廉存储容量大读写速度快功耗低DRAM的制作工艺相对简单，DRAM可以实现高密度集成，DRAM的读写速度比其他类型DRAM的功耗相对较低，尤其成本较低，适合用于大容量存从而提供更大的存储容量，满的存储器，如硬盘或闪存，要是在待机状态下储器的构建足现代计算机对存储空间的需快得多求高速缓存存储器Cache速度快比主存储器速度快得多，可以更快地访问数据容量小由于成本和技术限制，高速缓存的容量远小于主存储器位于CPU附近靠近CPU，减少数据传输时间，提高访问效率的作用Cache提高数据访问效率Cache可以将经常使用的指令和数据缓存在其中，减少CPU访问主存储器的次数，从而提高数据访问效率减少内存访问时间Cache存储器存储最常访问的数据，这样CPU可以更快地访问这些数据，提高系统性能的分类Cache直接映射Cache组相联Cache直接映射Cache是最简单的Cache组相联Cache是介于直接映射和全组织方式，每个主存块只能映射相联之间的一种折衷方案，它将到Cache中的一个特定位置Cache分成若干组，每个组包含多个Cache行全相联Cache全相联Cache是最灵活的Cache组织方式，主存中的任何一个块都可以映射到Cache中的任何一个位置直接映射Cache映射方式每个主存块只能映射到一个特定的Cache块地址标记主存地址的一部分用作Cache块的标记冲突多个主存块映射到同一个Cache块会导致冲突组相联Cache1分组划分2Cache索引将主存分成若干个大小相等的将Cache也分成相同数量的组组，每个组包含若干个块，每个组包含若干个块地址映射冲突概率34主存块的组号与Cache组号对降低冲突概率，提高Cache命应，块号则与Cache组内块号中率，但实现比直接映射复杂对应全相联Cache灵活映射高速命中率复杂实现每个主存块可以映射到任何一个Cache提高了Cache命中率，因为数据可以存需要比较所有Cache行，实现起来比较行，没有地址限制储在任何位置，减少了冲突复杂，成本较高的替换算法CacheFIFO1先入先出算法LRU2最近最少使用算法LFU3最不常使用算法OPT4最佳置换算法Cache替换算法决定哪个块被替换，以便为新的块腾出空间FIFO算法按照块进入Cache的顺序进行替换，LRU算法替换最近最少使用的块，LFU算法替换最不常使用的块，OPT算法替换未来最长时间不会被访问的块的写策略Cache写直通1数据直接写入主存写回2数据先写入Cache写分配3数据写入Cache和主存写直通性能最高，但会造成主存带宽压力写回性能较好，但可能导致数据不一致写分配兼顾性能和数据一致性，但更复杂虚拟存储器扩展主存储器提高内存利用率虚拟地址空间提高系统性能虚拟存储器是一种利用磁盘空虚拟存储器通过将程序和数据虚拟存储器使用虚拟地址空间虚拟存储器可以提高系统性能间来扩展主存储器的技术，为的一部分加载到内存中，而将，它与物理地址空间不同，允，因为它允许多个程序共享内应用程序提供更大的地址空间其他部分存储在磁盘上，提高许程序使用比物理内存更大的存资源，并且可以减少程序之内存利用率，允许运行更大的地址范围间的内存冲突程序页式虚拟存储器页式虚拟存储器页式虚拟存储器将逻辑地址空间划分为固定大小的页面，物理地址空间划分为相同大小的页框程序运行时，操作系统将页表用于将逻辑地址转换为物理地址页面置换算法最佳页面置换算法OPT1该算法选择未来最长时间不会被访问的页面进行替换，但无法在实际环境中实现先进先出FIFO2最早进入内存的页面被优先替换，简单易实现，但效率较低最近最少使用LRU3选择最近最少使用的页面进行替换，实际应用广泛，效率较高抖动与工作集抖动工作集页面频繁地进出内存，导致系统性能急剧下降，这种现象称为抖工作集是指进程在一段时间内访问的页面集合工作集越大，抖动动现象越明显抖动发生时，CPU大量时间浪费在页面调度上，而不是执行实际为了减少抖动，需要将工作集尽可能地保留在内存中，可以采用程序代码局部性原理和页面置换算法来实现小结与展望本章介绍了计算机系统中的存储器体系结构和工作原理从存储器的性能指标、层次结构、类型、工作原理以及相关技术等方面进行了详细阐述。