计算机组成原理第三章存储系统(四)课件

计算机组成原理第三章存储系统(四)课件存储系统概述主存储器辅助存储器高速缓存文件系统contents目录01存储系统概述存储系统是指计算机系统中用于存储数据和指令的硬件和软件的集合。存储系统是计算机的重要组成部分，负责存储数据、指令以及程序运行时产生的中间结果，支持计算机的快速读写、可靠存储和数据共享等功能。存储系统的定义与作用作用定义可分为半导体存储器、磁表面存储器、光学存储器等。按存储介质按存储容量按读写方式可分为海量存储器、大容量存储器、小容量存储器等。可分为只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、输入输出存储器（I/O）等。030201存储系统的分类存储系统的性能指标指存储器读写数据的速度，通常以存取时间或读写周期来表示。指存储器可以存储的数据量和指令的数量，通常以字节（Byte）为单位。指存储器的稳定性和可靠性，包括数据的持久性、可靠性和可用性等。指存储器的能耗，通常以功率或能量效率表示。存取速度存储容量可靠性能耗02主存储器主存储器的分类随机存取存储器（RAM）可随机读写任意地址的数据，存取速度较快，但断电后数据会丢失。只读存储器（ROM）只能读取数据，不能写入数据，断电后数据不会丢失。快闪存储器（FlashMemory）可擦除、可编程的存储器，具有非易失性，读写速度快。相变存储器（PCM）利用相变材料在电流作用下发生结晶和无定形状态的变化来实现存储数据的存储器。主存储器的组成地址寄存器读写控制电路用于存放要访问的存储单元的地址。用于控制数据的读写操作。存储单元数据寄存器译码电路每个存储单元可以存储一个二进制数。用于存放要写入或读出的数据。用于将地址寄存器中的地址译码为对应的存储单元。当需要读取某个存储单元的数据时，先由地址寄存器给出地址，然后译码电路将该地址译码为对应的存储单元，接着数据寄存器将该存储单元中的数据读出并传送到数据总线上。数据读取当需要将数据写入某个存储单元时，先由地址寄存器给出地址，然后译码电路将该地址译码为对应的存储单元，接着数据寄存器将要写入的数据传送到数据总线上，最后通过读写控制电路将数据写入该存储单元中。数据写入主存储器的工作原理03辅助存储器软盘存储器是一种便携式的辅助存储器，使用柔软的可涂覆的塑料片作为存储介质。它具有体积小、携带方便、价格便宜等优点，但存储容量较小，读写速度较慢，已经逐渐被淘汰。软盘存储器主要分为3.5英寸和5.25英寸两种规格，常见容量有1.44MB和2.88MB等。软盘存储器它具有存储容量大、读写速度快、可靠性高等优点，是计算机系统中最重要的存储设备之一。硬盘存储器主要分为机械硬盘和固态硬盘两种类型，其中机械硬盘主要由磁盘、马达、磁头等部分组成。硬盘存储器是一种固定式的辅助存储器，使用磁性材料作为存储介质。硬盘存储器光盘存储器是一种光学存储器，使用激光束和光敏材料作为存储介质。它具有存储密度高、寿命长、可靠性高等优点，但读写速度较慢。光盘存储器主要分为CD、DVD和蓝光光盘等类型，常见容量有700MB、4.7GB和25GB等。光盘存储器04高速缓存高速缓存的作用高速缓存是一种用于提高CPU访问内存速度的硬件设备，通过将常用的数据和指令存储在高速缓存中，可以减少CPU直接访问内存的次数，从而提高计算机系统的性能。高速缓存的原理高速缓存采用局部性原理，即程序在访问内存时存在一定的局部性，包括时间局部性和空间局部性。时间局部性是指程序中访问某个内存地址后，在不久的将来可能会再次访问该地址；空间局部性是指程序中访问某个内存地址时，可能会同时访问其附近的内存地址。高速缓存利用这种局部性原理，将常用的内存数据存储在高速缓存中，从而加快CPU对内存的访问速度。高速缓存的作用与原理高速缓存的分类根据数据在高速缓存中的存放方式，高速缓存可以分为直连式高速缓存和组相连高速缓存。直连式高速缓存中，每个缓存块可以存放任意数据；组相连高速缓存中，每个缓存块只能存放具有相同组地址的数据。高速缓存的组织高速缓存的组织通常采用分级结构，分为L1、L2、L3等各级别。各级别的高速缓存根据其离CPU的距离和容量大小进行组织，离CPU越近的高速缓存容量越小，但访问速度越快；离CPU越远的高速缓存容量越大，但访问速度相对较慢。高速缓存的分类与组织由于高速缓存的容量有限，当新的数据需要被加载到高速缓存中时，如果已经存在一些数据，就需要选择一些数据进行替换。这个替换数据的选择策略就称为替换策略。替换策略的概念常见的替换策略有最近最少使用（LRU）策略和先进先出（FIFO）策略。LRU策略将最近最少使用的数据替换掉；FIFO策略则将最先进入高速缓存的数据替换掉。此外，还有一些更复杂的替换策略，如随机替换、二路替换等。常见的替换策略高速缓存的替换策略05文件系统定义文件系统是一种用于存储和管理文件数据的软件机制，它提供了一种组织、存储、检索和访问文件的方式。作用文件系统为操作系统提供了一个统一的接口，使得应用程序可以方便地访问文件数据，同时提供了数据保护、数据安全和数据完整性等功能。文件系统的定义与作用文件系统由文件、目录、索引节点、磁盘空间等组成。组成文件系统通常采用树形结构来组织文件和目录，根目录是最顶层的目录，其他目录和文件都是根目录的子节点。结构文件系统的组成与结构文件系统的操作与命令操作文