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文档简介
存储程序工作原理存储程序是现代计算机的核心概念之一,它使计算机能够执行各种任务,从简单的计算到复杂的游戏和应用程序。课程介绍课程目标介绍存储程序工作原理,帮助学生理解计算机系统的工作机制。课程内容涵盖存储程序的概念、基本原理、特点、CPU工作过程、指令周期、指令执行、访存方式、存储器结构等。课程要求学生应能理解存储程序的基本原理,掌握相关概念和术语,并能运用所学知识解决实际问题。什么是存储程序存储程序的概念是冯·诺依曼提出的,它指的是将指令和数据一起存放在存储器中。计算机在运行时,从存储器中逐条读取指令,并将指令中的操作码和操作数解析出来,再进行相应的操作。这种方式使得计算机可以自动执行一系列指令,并能根据程序逻辑进行跳转和循环,从而实现复杂的计算和控制。存储程序的基本原理程序存储将程序指令存储在计算机内存中,而不是使用硬线逻辑。指令执行CPU从内存中逐条读取指令并执行,完成程序逻辑。数据存储程序执行过程中所需的数据也存储在内存中,方便CPU访问和操作。指令集计算机设计一套指令集,用于定义CPU可以执行的指令类型。存储程序的特点11.通用性存储程序计算机可以执行各种类型的程序。22.灵活性存储程序可以轻松修改和更新。33.自动性存储程序可以自动执行指令。44.高效性存储程序可以提高计算机的运行效率。CPU工作的基本过程1取指令从主存中取出要执行的指令。2译码将取出的指令翻译成CPU可执行的机器指令。3执行CPU执行指令操作,完成相应的运算和数据处理。4写回将执行结果写入主存。CPU的工作过程是一个循环,不断重复以上四个步骤,直到程序结束。指令周期取指CPU从内存中读取下一条指令,并将其存储在指令寄存器中。译码CPU将指令寄存器中的指令进行解码,确定要执行的操作和操作数。执行CPU根据译码后的指令,执行相应的操作,例如算术运算、数据传送或逻辑运算。写回CPU将执行结果写入内存或寄存器,完成指令的执行。指令的执行CPU读取并执行指令是计算机工作的核心。指令的执行过程是一个复杂的操作,涉及多个步骤。每个指令都会被分解成一系列微操作,由CPU内部的控制单元协调执行。1取指令从存储器中读取指令2译码解码指令,确定指令的操作3执行执行指令,完成指令的操作4写回将结果写入存储器这些步骤相互配合,完成指令的执行。每个步骤都有特定的硬件和软件支持,确保指令能够被正确地执行。访存的方式随机存取CPU可以直接访问内存中的任何位置,无需按顺序访问。顺序存取需要从起始位置开始,依次访问每个数据块,例如磁带驱动器。直接存取可以通过地址直接访问数据块,例如磁盘驱动器。存储器的基本结构存储器是计算机系统中最重要的组成部分之一。它用来存放程序和数据。存储器主要分为主存储器和外存储器两类。主存储器又称内存,是CPU可以直接访问的存储器。外存储器是用来存储数据的辅助存储器,CPU不能直接访问外存储器的数据。主存储器通常由芯片组成,每个芯片包含多个存储单元。每个存储单元可以存放一个字节的数据。存储单元的大小取决于芯片的类型和容量。存储器结构图可以更清楚地展示这些存储单元之间的关系。主存储器主存储器是计算机系统中用于存放程序和数据的存储器。它是CPU可以直接访问的存储器,也称为内存或RAM。主存储器具有速度快、容量大、价格昂贵等特点。它一般由半导体器件构成,可以快速读写数据。主存储器的容量通常用字节或字来表示,它直接影响着计算机的性能。容量越大,可以存储更多程序和数据,计算机的性能就越好。主存储器是计算机系统中不可或缺的一部分,它为CPU提供了快速访问数据的通道,是计算机正常运行的基础。ROM和RAM11.ROM只读存储器,存储系统启动程序,内容不可更改。22.RAM随机存取存储器,存储运行程序和数据,可读写,断电后数据丢失。33.ROM和RAM特点比较ROM存储器用于保存永久性数据,RAM存储器用于保存临时性数据。存储单元存储单元的基本概念存储单元是存储器中最小的存储单位,用来存储一个字节的数据。每个存储单元都有一个唯一的地址,CPU可以通过地址访问存储单元中的数据。存储单元的构成存储单元由多个触发器组成,每个触发器存储一个二进制位。触发器可以是D触发器或RS触发器,通过控制门的控制,实现数据的写入和读出。数据的寻址1地址空间CPU使用逻辑地址来访问内存,但物理内存使用的是物理地址。2地址映射操作系统会将逻辑地址转换为物理地址,以便CPU能够访问到正确的物理内存位置。3寻址方式不同的寻址方式会影响CPU访问内存的效率,例如直接寻址、间接寻址、寄存器间接寻址等。地址译码地址转换将逻辑地址转换为物理地址,确保每个存储单元都有唯一的物理地址。地址映射将逻辑地址空间映射到物理地址空间,实现内存管理和保护机制。地址解码将逻辑地址中的单元号与物理地址空间中的存储单元进行对应,完成地址解析。存储器访问根据解码后的物理地址访问对应存储单元,实现数据读写操作。数据的存取数据存储在存储器中,CPU需要访问存储器中的数据才能进行处理,这个过程就是数据的存取。1读操作CPU从存储器中读取数据2写操作CPU将数据写入存储器3地址译码确定存储器中数据的物理地址4数据传输数据在CPU和存储器之间传输存取操作涉及多个步骤,包括地址译码、数据传输等,需要协调多个硬件部件完成。缓存技术高速缓存的应用高速缓存芯片是现代计算机中不可或缺的一部分,它可以显著提高系统性能。缓存的基本工作原理缓存利用了程序访问数据的局部性原理,将常用的数据存储在更快的存储器中,以加快数据访问速度。缓存的类型常见的缓存类型包括一级缓存(L1)、二级缓存(L2)和三级缓存(L3),它们在速度和容量方面各有不同。缓存的基本工作原理1CPU访问数据CPU先检查缓存2命中直接从缓存读取数据3未命中从主内存读取数据并写入缓存4再次访问从缓存中读取数据缓存的性能指标缓存性能指标反映了缓存系统的效率和效用,主要包括命中率、平均访问时间和缓存容量等。95%命中率表示从缓存中找到所需数据的概率。命中率越高,说明缓存命中率越高,缓存性能越好。10ns平均访问时间是指访问缓存的平均时间,包括缓存命中和缓存未命中的时间。平均访问时间越短,说明缓存访问速度越快,性能越好。4GB缓存容量是指缓存可以存储的数据量。缓存容量越大,可以存储的数据越多,但同时也会增加缓存的成本。缓存的类型CPU缓存也称为一级缓存或高速缓存,直接嵌入CPU芯片中,速度最快,容量最小。二级缓存位于CPU芯片外部,速度较一级缓存慢,容量较大。三级缓存位于CPU芯片外部,速度更慢,容量更大,通常为多个CPU共享。磁盘缓存存储在内存中,用于保存最近访问过的磁盘数据,提高磁盘访问速度。虚拟存储器虚拟存储器是一种技术,它允许程序使用比物理内存更大的地址空间。这通过将程序划分为页面,并将这些页面存储在磁盘上实现。虚拟存储器使得程序可以运行在比物理内存更小的内存空间中,这对于大型程序或多任务系统非常有用。虚拟存储器的基本原理扩充主存容量虚拟存储器允许程序使用比物理内存更大的地址空间,有效扩充了可用内存容量。多任务处理多个进程可以同时运行,每个进程拥有自己的虚拟地址空间,相互隔离,提高系统效率。内存管理虚拟地址空间可以被划分成更小的页面,便于管理和分配,实现灵活的内存分配和回收。提高程序执行效率虚拟存储器通过将常用的页面保存在内存中,减少了磁盘访问次数,提高了程序执行速度。页式虚拟存储器分页原理将逻辑地址空间和物理地址空间划分为大小相同的页和块。页表页表存储页帧号,用于将逻辑地址转换为物理地址。地址转换通过页表将逻辑地址中的页号和页内偏移量转换为物理地址。页面调入调出当所需页面不在内存中时,从磁盘加载到内存,替换掉其他页面。页表的实现1页表结构页表是操作系统用来管理虚拟内存和物理内存映射关系的数据结构。页表通常以数组形式组织,每个条目对应一个页。2页表内容每个页表条目包含虚拟页号和物理页号,以及其他信息,如访问权限、修改位等。3页表管理操作系统负责管理页表,包括创建、更新、删除页表条目,以及处理页表缺页等操作。页面置换算法1FIFO先进先出2LRU最近最少使用3OPT最佳置换4CLOCK时钟算法页面置换算法用于决定哪个页面被替换出内存,以腾出空间给新页面。不同的算法会带来不同的性能。FIFO算法简单易懂,但容易出现Belady现象,导致页面置换频繁。LRU算法更能反映实际情况,但实现复杂。OPT算法是理论上的最佳算法,但无法在实际中实现。CLOCK算法是LRU算法的近似实现,兼顾性能和复杂度。高速缓存与虚拟存储器的关系高速缓存高速缓存是一个小的、快速的内存,用于存储最近访问的数据。它位于主存储器和CPU之间,可以快速访问数据,提高程序执行速度。虚拟存储器虚拟存储器使用硬盘空间来扩展主存储器的容量。它将程序和数据划分为页面,并将页面存储在硬盘上,仅将需要访问的页面加载到主存储器中。外存储器11.持久存储与主存储器不同,外存用于长期存储数据,即使电源关闭后也不会丢失。22.大容量存储外存的容量通常远大于主存储器,能够存储海量的文件和数据。33.访问速度较慢由于存储介质和访问方式的差异,外存的访问速度通常比主存储器慢得多。外存的分类硬盘硬盘是当前最常用的外存储器,它采用磁记录技术,具有容量大、成本低等特点。闪存闪存是一种固态存储器,它使用闪存芯片存储数据,特点是速度快、体积小。磁带磁带是一种古老的存储介质,主要用于数据备份和归档,具有容量大、价格低的特点。光盘光盘采用激光技术记录数据,分为CD、DVD和Blu-ray等类型,具有耐用性强、容量大的特点。外存的基本工作原理数据传输外存通过数据传输线与主
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