存储器组织结构课件

存储器组织结构课件REPORTING2023WORKSUMMARY目录CATALOGUE存储器基本概念与分类存储器层次结构解析主存储器组织结构剖析辅助存储器组织结构探讨Cache存储器组织结构研究虚拟存储器组织结构探讨PART01存储器基本概念与分类用于存储和访问数据的硬件设备，是计算机系统中的重要组成部分。存储器定义在计算机系统中，存储器用于存储程序、数据和中间结果，以供CPU或其他设备访问和使用。存储器作用存储器定义及作用可分为半导体存储器、磁表面存储器、光存储器等。按存储介质分类按存取方式分类按存储内容分类可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。可分为程序存储器和数据存储器。030201存储器分类方法常见存储器类型介绍RAM（随机存取存储器）可读写，掉电后数据丢失，常用于计算机内存。ROM（只读存储器）只读不可写，数据在制造时就已经写入，常用于存储固件等。FlashMemory（闪存）可读写，掉电后数据不丢失，常用于U盘、存储卡等。HardDiskDrive（机械硬盘）磁表面存储器，可读写，容量大，常用于计算机外部存储。PART02存储器层次结构解析程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，程序的执行仅限于某个部分。局部性原理利用局部性原理，将程序中频繁访问的数据存放在高速缓存中，以加快访问速度。高速缓存原理根据存储器的速度、容量和价格等因素，将存储器划分为多个层次，形成存储层次结构。存储层次结构存储器层次结构原理随着存储器层次的升高，存储容量逐渐增大，但访问速度逐渐降低。容量与速度各层次之间需要保持数据一致性，以确保程序在不同层次的存储器中访问到正确的数据。数据一致性数据在各层次之间传输时，需要考虑数据的传输方式、传输延迟和带宽等因素。数据传输各层次之间关系与特点寄存器-高速缓存-主存-辅存在这种结构中，寄存器位于CPU内部，速度最快；高速缓存位于CPU与主存之间，用于存放频繁访问的数据；主存是计算机的主要存储设备；辅存包括磁盘、光盘等外部存储设备，容量大但访问速度较慢。寄存器文件-高速缓存-主存在某些高性能计算机中，采用寄存器文件作为最高速的存储层次，用于存放频繁访问的操作数和中间结果；高速缓存和主存的作用与上述结构类似。多级高速缓存-主存为了提高存储系统的性能，一些计算机系统采用多级高速缓存结构，每一级高速缓存的容量和速度都有所不同，以更好地利用局部性原理。典型存储器层次结构案例PART03主存储器组织结构剖析03数据寄存器（MDR）用于存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某单元存入的数据。01存储体由存储单元组成，用于存储数据和指令。02存储单元地址寄存器（MAR）用于存放欲访问的存储单元的地址。主存储器基本组成单元读操作CPU将有效地址送至MAR，经地址译码器译码后选中某一单元，同时发出读命令，将数据从该单元读至数据总线，再送到MDR。写操作CPU将要写入的数据送至MDR，经数据总线送入选中的存储单元，同时发出写命令。主存储器工作原理及操作过程采用层次结构Cache-主存层次和主存-辅存层次。采用高速器件采用存取周期短的芯片，提高主存速度。调整主存结构如采用单体多字系统、多体并行系统。提高主存性能方法论述PART04辅助存储器组织结构探讨

辅助存储器类型和特点磁带存储器顺序存取、容量大、价格低、速度慢。磁盘存储器直接存取、容量大、价格适中、速度较快。光盘存储器激光读写、容量巨大、价格低廉、速度较慢。通过磁头对磁带进行读写操作，数据以磁信号形式存储在磁带上，通过磁带机的机械运动实现数据的顺序存取。磁带存储器工作原理通过磁头对磁盘进行读写操作，数据以磁信号形式存储在磁盘上，通过磁盘的高速旋转和磁头的径向移动实现数据的直接存取。磁盘存储器工作原理通过激光束对光盘进行读写操作，数据以微小的凹凸形式存储在光盘上，通过光盘的旋转和激光头的移动实现数据的读取。光盘存储器工作原理辅助存储器工作原理及操作过程辅助存储器作为主存的扩展当主存容量不足时，可以通过辅助存储器进行扩展，将部分不常用的数据转移到辅助存储器中，需要时再调入主存。辅助存储器与主存的层次结构计算机存储系统中，主存与辅助存储器之间形成一个层次结构，主存位于顶层，直接与CPU交换信息，辅助存储器位于底层，通过I/O系统与主存交换信息。辅助存储器与主存之间关系PART05Cache存储器组织结构研究Cache存储器是一种高速缓冲存储器，位于主存和CPU之间，用于存储CPU频繁访问的数据和指令，以加快CPU的访问速度。原理Cache存储器通过局部性原理，将CPU近期可能访问的数据和指令预先从主存中取出，存放在Cache中，当CPU需要访问这些数据和指令时，可以直接从Cache中读取，避免了访问主存的延迟，提高了系统的性能。作用Cache存储器原理和作用直接映射01每个主存块只能映射到Cache中的一个特定位置。实现简单，但冲突率较高，可能导致Cache利用率降低。全相联映射02主存中的任意一块可以映射到Cache中的任意位置。这种方式冲突率较低，Cache利用率较高，但实现复杂，需要较大的标签存储空间和较长的查找时间。组相联映射03将Cache分成若干组，每组内采用全相联映射，组间采用直接映射。这种方式在冲突率、Cache利用率和实现复杂度之间取得了折中。Cache映射方式分析比较通过增加Cache的容量，可以存储更多的数据和指令，降低失效率，提高性能。但需要注意的是，增加Cache容量也会增加成本和功耗。增加Cache容量当Cache已满时，需要选择一个块进行替换。常见的替换算法有LRU、FIFO等。通过改进替换算法，可以更准确地预测哪些块将被再次访问，从而降低失效率。改进替换算法通过预取和预测技术，可以提前将CPU可能访问的数据和指令加载到Cache中，进一步提高Cache的命中率。例如，分支预测技术可以预测程序的分支走向，提前加载相应的指令；数据预取技术可以根据程序的访存模式，提前加载相应的数据。预取和预测技术通过采用多级Cache结构，可以在不同级别上存储不同访问频率的数据和指令，进一步提高Cache的性能。例如，L1Cache用于存储CPU最频繁访问的数据和指令；L2Cache用于存储次频繁访问的数据和指令；L3Cache用于存储更大范围内的共享数据和指令。多级Cache结构优化Cache性能策略分享PART06虚拟存储器组织结构探讨虚拟存储器是一种将内存与外存统一管理的存储系统，通过硬件和软件的结合，为用户提供一个比实际物理内存大得多的逻辑地址空间。虚拟存储器可以解决内存空间不足的问题，提高内存利用率，实现内存共享和保护，以及简化内存管理等。虚拟存储器概念及优势介绍虚拟存储器优势虚拟存储器定义虚拟地址空间划分虚拟地址空间通常被划分为用户空间和内核空间两部分，其中用户空间用于存储用户程序和数据，内核空间用于存储操作系统代码和数据。虚拟地址映射虚拟地址通过页表映射到物理地址，页表由操作系统管理，实现虚拟地址到物理地址的转换。内存管理策略操作系统采用分段、分页等内存管理策略，实现虚拟存储器的有效管理。虚拟地址空间划分和管理方法当物理内存空间不足时，操作系统需要将部分页面置换到外存中，页面置换算法决定了哪些页面被置换出内存。页面置换算法