操作系统第四章课件-第四章存储器

第四章存储器本章将深入探讨计算机系统的核心组件之一：存储器。我们将了解存储器的基本概念、类型、工作原理以及在计算机系统中的重要作用。通过学习本章内容，您将能够更好地理解计算机系统如何存储和访问数据。老魏by老师魏4.1存储器的层次结构寄存器寄存器是CPU内部的高速存储单元，用来保存正在执行的指令和数据。它们速度最快，容量最小，通常用于存储CPU的通用寄存器、程序计数器、状态寄存器等。高速缓存高速缓存（Cache）是位于主存储器与CPU之间的小容量高速存储器。它的速度比主存储器快，但容量比主存储器小。缓存用于存放最近被访问的内存数据，以提高CPU的访问速度。主存储器主存储器（RAM）是计算机系统中直接与CPU交换数据的存储器。它比高速缓存容量更大，但速度比高速缓存慢。主存储器用于存放正在运行的程序和数据，供CPU随时访问。辅助存储器辅助存储器（SecondaryStorage）是容量大、速度慢的存储器，用于长期保存数据。它包括硬盘、光盘、U盘等。辅助存储器用于存储系统文件、应用程序、用户数据等，当CPU需要访问时，需要先将其中的数据加载到主存储器中。4.1.1寄存器寄存器是CPU内部的高速存储单元，用于保存CPU正在处理的数据和指令。寄存器速度最快，容量最小，直接与CPU相连，能够直接被CPU访问。寄存器数量有限，通常用于保存最常用的数据和指令，以加快CPU的运算速度。寄存器是CPU内部最快的存储器，也是最昂贵的存储器。1寄存器CPU内部2高速缓存CPU外部3主存储器CPU外部4辅助存储器CPU外部存储器的层次结构从速度、容量、成本三个方面进行划分，寄存器位于最顶层，速度最快、容量最小、成本最高，而辅助存储器位于最底层，速度最慢、容量最大、成本最低。4.1.2高速缓存1高速缓存的概念高速缓存，简称Cache，是位于CPU和主内存之间的一种高速存储器。它用来保存经常使用的数据，以提高CPU访问数据的速度。当CPU需要访问数据时，首先会查看高速缓存，如果数据存在于高速缓存中，则直接从高速缓存中读取，速度很快；如果数据不存在于高速缓存中，则需要从主内存中读取，速度较慢。2高速缓存的工作原理高速缓存的工作原理是基于局部性原理。局部性原理是指程序在执行时，经常会访问到同一区域的数据或指令。高速缓存利用这一原理，将最近访问的数据或指令存储在高速缓存中，以便下次访问时直接从高速缓存中读取。3高速缓存的分类高速缓存可以分为一级缓存（L1Cache）、二级缓存（L2Cache）和三级缓存（L3Cache）。一级缓存是最靠近CPU的，速度最快，容量最小；二级缓存位于一级缓存和主内存之间，速度较慢，容量较大；三级缓存位于二级缓存和主内存之间，速度最慢，容量最大。4.1.3主存储器1定义主存储器是计算机系统中直接与CPU交换数据的存储器。2特点速度快、成本高、容量小，用于存放当前正在执行的程序和数据。3类型包括DRAM和SRAM两种类型，分别对应不同的存储技术。主存储器是计算机系统中最为重要的部件之一，它直接影响着计算机的运行速度和效率。主存储器作为CPU的直接工作空间，其速度和容量直接决定着计算机的性能。4.1.4辅助存储器辅助存储器也称为外存储器或次级存储器。它用于存储大量数据，而且可以长期保存。辅助存储器通常比主存储器速度慢，但成本更低，容量更大。1磁性存储器磁性存储器使用磁性材料来存储数据，例如硬盘驱动器和磁带驱动器。2光学存储器光学存储器使用光束来读取和写入数据，例如光盘和蓝光光盘。3固态存储器固态存储器使用闪存芯片来存储数据，例如固态硬盘（SSD）和USB闪存盘。辅助存储器是计算机系统中不可或缺的一部分，它允许用户存储大量数据，并提供长期保存的功能。4.2主存储器主存储器的作用主存储器是计算机系统中存放程序和数据的核心部件。程序执行前需要先加载到主存储器中，CPU才能直接访问并执行程序。主存储器也是CPU与外设之间进行数据交换的桥梁。主存储器的分类主存储器主要分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM是可读写的，通常用于存放程序和数据。ROM是只读的，通常用于存放系统引导程序或BIOS，在系统启动时发挥重要作用。主存储器的性能指标衡量主存储器性能的主要指标包括存储容量、访问速度、数据带宽等。存储容量是指主存储器所能存放数据的总量。访问速度是指CPU从主存储器中读取或写入数据所需的时间。数据带宽是指单位时间内主存储器能够传输的数据量。4.2.1主存储器的作用主存储器是计算机系统中最重要的存储器，它直接与CPU交互，用于存放当前正在运行的程序和数据。1程序执行程序指令和数据2数据处理运算、逻辑操作3数据存储临时存储中间结果主存储器的速度和容量直接影响着计算机系统的性能，它是计算机正常运行的基础。4.2.2主存储器的分类1随机存取存储器(RAM)RAM是最常用的主存储器类型。它是一种易失性存储器，这意味着当电源关闭时，数据将丢失。RAM通常由DRAM或SRAM构成。2只读存储器(ROM)ROM是一种非易失性存储器，这意味着数据即使在电源关闭后也能保留。ROM通常用于存储引导程序和其他系统软件。3闪存(FlashMemory)闪存是一种非易失性存储器，它结合了RAM和ROM的优点。它比ROM更快，比RAM更持久。4.2.3主存储器的性能指标1容量存储器中能够容纳的信息量2速度存储器存取信息的快慢程度3价格存储器成本与容量之间的比值主存储器的性能指标主要包括容量、速度和价格。容量是指存储器中能够容纳的信息量，通常用字节数表示。速度是指存储器存取信息的快慢程度，通常用存取时间表示。价格是指存储器成本与容量之间的比值，通常用每字节的成本表示。这三个指标之间存在着相互制约的关系。例如，容量越大，速度越慢，价格越贵；速度越快，容量越小，价格越贵。因此，在选择主存储器时，需要根据实际应用需求，综合考虑这三个指标。4.3辅助存储器辅助存储器，也称为外存，是指计算机系统中用来存储大量数据的设备。1磁性存储设备磁盘、磁带2光学存储设备光盘、蓝光盘3固态存储设备闪存、SSD辅助存储器的特点是容量大、价格低，但存取速度慢。与主存储器相比，它更适合用于长期保存数据，而不是频繁访问的数据。辅助存储器通常与主存储器配合使用，将主存储器中暂时不需要的数据存放到辅助存储器中，以便腾出主存储器的空间。4.3.1磁性存储设备磁带磁带是一种线性存储设备。数据存储在磁带上的磁性材料中。它通常用于备份和归档。磁带存储成本低廉，容量大，但访问速度慢。磁盘磁盘是一种圆形存储设备。数据存储在磁盘上的磁性材料中。它通常用于操作系统、程序和数据存储。磁盘存储速度快，容量大，但成本比磁带高。软盘软盘是一种小型可移动存储设备。它最初用于数据存储和程序分发，但现在已经被闪存驱动器取代。4.3.2光学存储设备1CD-ROMCD-ROM是只读光盘，只能读取数据，不能写入数据。CD-ROM的存储容量较大，价格较低，通常用于存储软件、游戏、音乐等。2CD-RCD-R是可记录光盘，只能写入数据一次，然后就可以多次读取数据。CD-R的存储容量较大，价格较低，通常用于备份数据、存储照片、音乐等。3CD-RWCD-RW是可擦写光盘，可以多次写入数据和擦除数据。CD-RW的存储容量较大，价格较低，通常用于存储数据、备份数据、制作光盘等。4DVD-ROMDVD-ROM是只读光盘，只能读取数据，不能写入数据。DVD-ROM的存储容量更大，价格较低，通常用于存储电影、游戏、软件等。5DVD-R/DVD-RWDVD-R/DVD-RW是可记录/可擦写光盘，与CD-R/CD-RW的功能类似，但存储容量更大。6蓝光光盘蓝光光盘的存储容量更大，数据传输速度更快，通常用于存储高清晰度电影、游戏、软件等。4.3.3固态存储设备固态存储设备（SSD）是现代计算机中使用最广泛的存储器之一。与传统的硬盘驱动器（HDD）相比，SSD具有更高的速度、更低的功耗以及更长的使用寿命。SSD的核心部件是闪存芯片，这种芯片能以电子方式存储数据，而不是使用机械部件来存储。1速度更快读取和写入速度比传统硬盘快得多2功耗更低由于没有机械部件，SSD的功耗比硬盘低3寿命更长闪存芯片具有更高的耐用性4更轻更小体积更小，便于携带SSD的优势使其成为各种设备的理想选择，包括笔记本电脑、台式机、服务器以及移动设备。4.4存储器的层次管理1存储器层次结构存储器层次结构是为了提高系统性能而设计的。它将速度、成本和容量不同的存储器组合在一起，形成一个分层结构，使速度快的存储器用于存放经常访问的数据，而速度慢、容量大的存储器用于存放不常访问的数据。2存储器管理策略存储器管理策略是用于管理存储器层次结构的策略，例如缓存替换策略和页面置换算法，目的是优化数据在不同层次存储器之间的移动，提高系统性能。3高速缓存一致性高速缓存一致性是指在多处理器系统中，多个处理器可能同时访问同一块数据，因此需要确保每个处理器所看到的都是一致的数据，这需要通过一些硬件和软件机制来实现。4.4.1存储器层次结构1寄存器CPU内部，速度最快2高速缓存介于寄存器和主存之间3主存储器直接与CPU交换数据4辅助存储器容量大、速度慢，长期保存存储器层次结构是一种分层存储系统，将不同速度、容量和成本的存储设备组合在一起，以提高整体系统性能。层次结构的每个级别都比上一级速度快、成本高、容量小。数据通常从最底层的辅助存储器移动到最顶层的寄存器，以便CPU访问。4.4.2存储器管理策略最佳适应算法最佳适应算法选择最小的可用分区来满足内存请求。这种算法可以最大限度地利用内存空间，但可能会导致内存碎片问题。最差适应算法最差适应算法选择最大的可用分区来满足内存请求。这种算法可以减少内存碎片，但可能会导致内存浪费。首次适应算法首次适应算法选择第一个能够满足内存请求的可用分区。这种算法简单易行，但可能会导致内存碎片问题。伙伴系统伙伴系统将内存划分为大小为2的幂的块。这种算法可以有效地管理内存空间，但需要一定的内存开销。4.5虚拟存储器虚拟存储器是一种内存管理技术，它使用硬盘空间作为额外的存储空间，以扩展主存储器的容量。虚拟存储器允许程序使用比实际物理内存更多的内存，并且可以运行比物理内存容量更大的程序。1概念将主存储器与辅存储器结合起来，扩展主存储器的容量，并对用户提供更大的存储空间。2地址转换将程序逻辑地址转换为物理地址，允许程序访问超出主存储器实际容量的空间。3页面置换当需要使用新的页面时，会选择一个旧的页面进行替换，以确保有效利用主存储器空间。虚拟存储器技术提高了系统效率，并允许运行更大型、更复杂的应用程序。然而，虚拟存储器也会带来一些性能开销，例如地址转换和页面置换操作。4.5.1虚拟存储器的概念内存空间不足当程序运行所需内存大于物理内存时，就会出现内存空间不足的问题，导致程序无法正常运行。虚拟存储器虚拟存储器是一种技术，它将一部分硬盘空间虚拟为内存空间，从而扩大可用内存，解决内存不足的问题。虚拟地址虚拟存储器使用虚拟地址来访问内存，这些地址对应于实际物理内存的地址。地址映射虚拟地址需要通过地址映射机制转换为物理地址，才能访问实际物理内存。4.5.2页式虚拟存储器1页式虚拟存储器的工作原理页式虚拟存储器将逻辑地址空间划分为固定大小的页，物理地址空间也划分为同样大小的页框。程序执行时，将页装入内存的页框中，并建立页表以记录页与页框的对应关系。2页表的建立与使用页表用于映射逻辑地址到物理地址，并记录页的访问权限等信息。操作系统负责管理页表，并在程序执行过程中根据需要进行页表更新。3页式虚拟存储器的优点页式虚拟存储器具有以下优点：内存利用率高、地址转换速度快、程序可移植性强、内存保护功能强。4.5.3段式虚拟存储器段式虚拟存储器是一种将程序地址空间划分为多个固定大小的段，每个段有独立的地址空间，并分配给不同的物理内存区域的虚拟存储器管理方式。段式虚拟存储器使得程序可以跨越多个物理内存区域，并通过页表进行地址转换，将虚拟地址转换为物理地址。4.5.4段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器是一种将虚拟地址空间划分为段和页面的内存管理方案。1段逻辑地址空间被划分成逻辑上连续的段。2页每个段被进一步划分为固定大小的页。3物理地址页被映射到物理内存中的连续页面。段页式存储器结合了段式存储器的逻辑地址空间组织方式和页式存储器的高效内存管理方法，提供了更灵活的内存管理方式。4.5.5页面置换算法页面置换算法是虚拟存储器中重要的组成部分，用于决定哪一页从内存中被换出。常用的页面置换算法有:1最佳置换算法(OPT)理想算法，但无法实现2先进先出算法(FIFO)最早进入内存的页面被换出3最近最少使用算法(LRU)最长时间未被访问的页面被换出4时钟算法结合了FIFO和LRU的优点不同的页面置换算法具有不同的性能特点，影响着内存利用率和程序运行速度。选择合适的页面置换算法可以提高系统性能。4.6存储器管理内存分配操作系统将内存分配给不同的进程和线程。分配策略包括固定分区、可变分区和分页。内存回收当进程结束时，操作系统需要回收它使用的内存。回收策略包括首次适应、最佳适应和最差适应。内存保护操作系统需要保护每个进程的内存空间。内存保护机制包括硬件和软件两种。内存共享操作系统允许不同的进程共享内存空间。共享机制包括共享内存和消息传递。4.6.1内存分配1固定分区分配将内存空间划分为固定大小的区域，每个程序占用一个分区。简单易实现，但容易造成内存碎片。2可变分区分配根据程序大小动态分配内存空间，充分利用内存，但会增加内存管理开销。3伙伴系统将内存空间划分为不同大小的块，并使用二叉树来