《微机的存储器》课件

微机的存储器存储器是计算机系统中必不可少的组成部分，它负责存储数据和程序。微机中的存储器主要分为两种类型：主存储器和辅助存储器。什么是存储器存储数据和指令存储器是计算机系统中用于存储数据和指令的部件，是计算机的重要组成部分。提供信息访问存储器可以提供对存储数据的快速访问，为CPU执行指令和程序提供必要的信息。连接CPU和外设存储器作为CPU和外部设备之间的桥梁，实现数据交换和信息传递。存储器的分类1按存储介质分类存储器可分为半导体存储器和磁存储器。2按存取方式分类存储器可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。3按用途分类存储器可分为主存储器和辅助存储器。4按存储层次分类存储器可分为高速缓存(Cache)、主存储器和辅助存储器。随机存取内存(RAM)随机存取RAM是一种可以随机访问的存储器，这意味着可以快速访问存储器中的任何位置。易失性RAM是一种易失性存储器，这意味着当电源关闭时，存储在其中的数据会丢失。高速RAM是计算机中最快的存储器类型，用于存储正在运行的程序和数据。RAM的特点易失性RAM中的数据是易失的，即当电源关闭时，数据会丢失。速度快RAM是计算机系统中最快的存储器，可以直接与CPU进行交互，用于存放当前正在运行的程序和数据。静态RAM(SRAM)SRAM的特点SRAM使用晶体管和电容来存储数据，数据能够被长期保持。速度快，能够快速存取数据，适合用作高速缓存。SRAM的结构SRAM由多个触发器组成，每个触发器存储一个数据位。触发器包含晶体管，构成稳定状态。SRAM的结构相对复杂。SRAM的应用SRAM主要用作高速缓存，因为它速度更快。由于价格昂贵，SRAM在主存储器中使用较少。动态RAM(DRAM)动态RAMDRAM使用电容来存储数据。电容会泄漏，需要定期刷新才能保持数据。DRAM模块DRAM通常以模块的形式出现，方便安装到主板上。DRAM技术DRAM是目前最主要的内存类型，价格低廉，容量大。ROM的分类掩蔽ROM(MROM)在芯片制造过程中，ROM的内容就被永久写入，不能修改。可编程ROM(PROM)用户可以一次性写入数据，写入后不能修改。可擦除可编程ROM(EPROM)可以使用紫外线照射擦除内容，然后重新写入。电可擦除可编程ROM(EEPROM)可以使用电信号擦除内容，可多次擦写。掩蔽ROM(MROM)11.掩蔽ROM的概念掩蔽ROM是一种在芯片制造时就写入数据的只读存储器，数据无法更改。22.掩蔽ROM的特点存储容量大，价格低廉，但生产周期长，无法修改数据。33.掩蔽ROM的应用适用于大规模生产，需要固定数据的场合，例如嵌入式系统，游戏机等。44.掩蔽ROM的限制无法修改数据，生产周期长，不适合小批量生产。可编程ROM(PROM)一次性编程PROM在出厂时是空白的，用户可通过编程器写入数据。不可擦除一旦数据写入，就不能擦除或修改，只能用新的PROM来替换。应用场景适合用于存储固定的程序和数据，例如在嵌入式系统中存储引导程序。可擦除可编程ROM(EPROM)特点EPROM是一种可擦除可编程只读存储器。它可以通过紫外线照射来擦除信息。擦除后可以使用专门的编程器写入新的数据。优点EPROM具有可擦除的特点，方便更新程序。它在工业控制、仪器仪表等领域得到了广泛应用。缺点EPROM的擦除过程需要使用紫外线照射，时间较长。并且只能擦除整个芯片，无法擦除单个字节。电可擦除可编程ROM(EEPROM)电可擦除可编程只读存储器EEPROM是一种可以反复擦除和编程的非易失性存储器。它比EPROM更容易擦除，可以在电路板上直接擦除，不需要特殊设备。数据存储芯片EEPROM通常用于存储系统配置参数、固件代码和用户数据。它具有较高的耐用性，可以承受反复的读写操作。电路板应用EEPROM广泛应用于计算机、手机、嵌入式系统、工业设备等领域。它提供了一种可靠的非易失性存储解决方案。闪存(FlashMemory)非易失性存储器闪存是一种非易失性存储器，这意味着即使断电，数据也不会丢失。闪存是一种固态存储器，它基于浮栅晶体管，并具有电可擦除可编程特性。闪存的读写速度比传统的硬盘快得多，并且更加耐用和轻便。存储器的容量单位表示比特(bit)一个二进制位，可以表示0或1字节(Byte)8个比特，表示一个字符千字节(KB)1024个字节兆字节(MB)1024个千字节吉字节(GB)1024个兆字节太字节(TB)1024个吉字节存储器的访问时间存储器的访问时间是指从发出读写命令到完成读写操作所需要的时间。访问时间是衡量存储器性能的重要指标之一，它反映了存储器响应速度的快慢。50-100nsRAM随机存取存储器(RAM)10-100µs硬盘硬盘驱动器(HDD)1-10µs固态硬盘固态硬盘(SSD)1-10ms磁带磁带驱动器(Tape)存储器的数据传输速率存储器的数据传输速率是指存储器在单位时间内所能传输的数据量，通常以每秒传输的字节数（B/s）或每秒传输的位数（b/s）来表示。存储器的数据传输速率越高，数据传输速度越快，计算机的性能就越好。例如，一块内存的带宽为1600MT/s，这表示它每秒可以传输1600兆位数据。存储器的存储层次层次结构存储器系统通常按照速度和成本进行分层。缓存是最快且最昂贵的，而辅助存储器是最慢且最便宜的。数据流动数据在不同层次之间流动，从速度较快的层次到速度较慢的层次。存储位置每个层次存储着不同类型的数据，例如缓存存储着最常访问的数据，而硬盘存储着大量数据。主存储器和辅助存储器主存储器速度快，成本高，容量小，用于存放当前正在运行的程序和数据。辅助存储器速度慢，成本低，容量大，用于长期保存数据和程序。两者关系主存储器作为CPU直接访问的存储器，辅助存储器用于存储程序和数据，并定期地与主存储器交换信息。存储器的管理1地址分配操作系统负责管理系统中的内存，并为每个进程分配其所需内存空间。2内存保护防止一个进程访问其他进程的内存空间，确保每个进程的运行安全和稳定。3内存分配策略管理内存分配给各个进程的方式，例如，先进先出、最佳适应算法等。4内存碎片当分配和释放内存时，会导致内存空间分散，形成碎片，影响内存利用率。虚拟内存技术虚拟内存概念虚拟内存是一种技术，通过将部分硬盘空间用作内存来扩展物理内存容量，为程序提供更大的可用内存空间。分页管理将虚拟内存划分为固定大小的页面，并将其映射到物理内存中的页框中。分段管理将虚拟内存划分为逻辑上连续的段，每个段对应一个物理内存区域。缓存存储器(Cache)高速缓存缓存存储器，简称Cache，是介于CPU和主存储器之间的高速缓冲存储器，其速度远高于主存储器。它保存着主存储器中经常被访问的数据，使得CPU能够更快地访问数据。Cache的工作原理1CPU请求数据CPU需要访问数据时，先检查Cache2Cache命中如果数据在Cache中，直接读取3Cache未命中如果数据不在Cache中，从主存储器读取4写入Cache将数据写入Cache，以备下次使用Cache的工作原理基于局部性原理，即CPU访问的数据通常具有空间局部性和时间局部性。空间局部性是指CPU在访问某个数据后，很可能访问其附近的其他数据。时间局部性是指CPU在访问某个数据后，很可能在不久后再次访问该数据。Cache的性能指标缓存的性能指标直接影响CPU的效率，是衡量缓存效果的关键因素。1命中率缓存命中率是指CPU访问数据时在缓存中找到的概率。2缺失率缓存缺失率是指CPU访问数据时在缓存中没有找到的概率，是命中率的补集。3平均访问时间缓存平均访问时间是指CPU访问数据时平均需要的時間。4访问速度缓存访问速度是指CPU访问缓存数据的速度。Cache的分类11.直接映射Cache每个主存块只能映射到一个特定的缓存块。22.组相联Cache每个主存块可以映射到多个缓存块，但每个缓存块只映射到一个组。33.全相联Cache每个主存块可以映射到任何缓存块，提高了缓存命中率。直接映射Cache简单映射直接映射Cache是最简单的一种Cache映射方式。每个主存块只能映射到一个特定的Cache块。地址计算主存地址被分成两个部分:块号和块内偏移量，块号决定映射到哪个Cache块，偏移量用于访问Cache块内的特定数据。冲突问题如果多个主存块映射到同一个Cache块，就会发生冲突，导致性能下降。实现简单直接映射Cache的实现成本较低，易于理解和设计。组相联Cache组将主存分成多个组，每个组包含多个缓存行，每个组对应一个缓存块。映射根据主存地址的特定位确定缓存中的组号，并根据地址中的其他位确定缓存行号。比较每个缓存块包含多个缓存行，每个缓存行都有一个标记，用于判断是否命中，命中后就从缓存中读取数据。全相联Cache灵活的匹配每个主存块可以映射到任何一个Cache行。最佳性能全相联Cache的命中率最高，因为任何主存块都可以被缓存。复杂实现全相联Cache需要更复杂的硬件实现，因为它需要进行全面的比较和匹配。成本高昂由于需要大量的比较电路和存储器，全相联Cache的成本非常高。存储器的发展趋势容量不断增大存储密度