《计算机的存储系统》课件

计算机的存储系统计算机存储系统是计算机的核心部件之一，负责存储数据和程序。存储系统可以分为主存储器和辅助存储器。计算机系统的组成中央处理器(CPU)CPU负责执行指令，是计算机的大脑，控制整个系统。主存储器(RAM)RAM是计算机工作时用于临时存放数据的空间，就像计算机的记忆，速度很快，但数据丢失。辅助存储器硬盘等存储器负责长期保存数据，速度较慢，但数据不会丢失。输入/输出设备键盘、鼠标、显示器等设备，负责与用户交互和接收外部数据。存储系统的分类按存储介质分类存储系统可分为两类：主存储器和辅助存储器。主存储器主要用于存放当前正在运行的程序和数据，而辅助存储器用于存放大量的程序和数据。按存储方式分类存储系统可分为随机存取存储器（RAM）和顺序存取存储器（例如磁带）。RAM可以随机访问任何存储单元，而顺序存取存储器需要按顺序访问存储单元。按读写方式分类存储系统可分为只读存储器（ROM）和读写存储器（RAM）。ROM中的数据只能读取不能写入，而RAM可以读写数据。存储的基本单元：存储单元存储单元计算机存储系统中，存储单元是最基本的组成部分。它是存储数据的基本单位，可以存储一个二进制位（bit）信息。地址每个存储单元都有一个唯一的地址，以便计算机能够快速地访问和操作。存储容量存储单元的容量通常以字节（byte）为单位，每个字节包含8个二进制位。常见的存储单元技术静态随机存取存储器(SRAM)SRAM使用晶体管和电容器来存储数据。SRAM速度快，但成本高，存储容量有限。动态随机存取存储器(DRAM)DRAM使用电容器来存储数据。DRAM比SRAM速度慢，但成本低，存储容量大。ROM：只读存储器11.永久存储ROM中的信息在出厂后就固定下来了，无法轻易修改。22.存储内容ROM通常存储一些固定的程序或数据，例如引导程序、系统参数等。33.常用类型常见的ROM类型包括PROM、EPROM和EEPROM。RAM：随机存取存储器快速访问RAM允许计算机直接访问和修改数据，速度比磁盘快得多。临时存储RAM用作计算机的“工作区”，用于存储正在运行的程序和数据，当计算机关闭时，数据会丢失。多种类型RAM有多种类型，例如DDR4和DDR5，它们在速度和容量方面有所不同。主存储器11.核心组件主存储器是计算机系统中最重要的组成部分之一，负责临时存储程序和数据。22.高速访问主存储器与CPU直接交互，提供快速的数据访问速度，支持程序的高效运行。33.易失性存储主存储器中的数据在断电后会丢失，因此需要辅助存储器来保存持久数据。44.不同类型主存储器主要包括RAM和ROM，它们在功能和特性上有所区别。缓存存储器速度快缓存存储器比主存储器速度快得多，可以更快地访问数据，从而提高系统性能。容量小由于速度快，缓存存储器通常比主存储器容量小，因为它更昂贵。层次结构缓存存储器通常被组织成一个层次结构，包括L1、L2和L3缓存，每个级别都有不同的速度和容量。命中率缓存命中率是指数据在缓存中被找到的概率，它直接影响系统性能。辅助存储器定义辅助存储器是计算机系统中用于长期保存数据的存储设备。它通常与主存储器相比容量更大、速度更慢、成本更低。辅助存储器用于存储程序和数据，以便在需要时加载到主存储器中。类型常见的辅助存储器类型包括硬盘、光盘、固态硬盘和磁带。硬盘是最常用的辅助存储器，它提供高容量和可靠性。光盘通常用于存储备份数据或多媒体文件。固态硬盘速度更快、更轻便，但成本更高。磁带则主要用于备份和存档。磁盘存储系统数据存储磁盘存储系统是现代计算机系统中重要的组成部分，用于长期存储数据。磁盘存储设备通常由一个或多个磁盘组成，数据存储在磁盘的表面上。旋转磁盘大多数磁盘存储系统使用旋转磁盘，数据存储在磁盘的磁性表面上，通过磁头读取和写入数据。数据访问磁盘存储系统使用寻道机制和旋转机制访问数据。寻道机制用于将磁头移动到正确的磁道，旋转机制用于将数据旋转到磁头下方。光盘存储系统CD-ROM紧凑型光盘只读存储器，读取速度较慢，但成本低廉，适用于存储大量数据，如音乐、电影和软件.DVD数字视频光盘，存储容量更大，读取速度更快，广泛应用于视频存储和数据备份.蓝光光盘蓝光光盘拥有更高的存储密度和更快的读取速度，适用于高清晰度视频和大型游戏.可刻录光盘CD-R和DVD-R允许用户一次写入数据，无法擦除或重写，而CD-RW和DVD-RW则可以反复写入和擦除数据.固态硬盘闪存芯片使用闪存芯片作为存储介质，没有机械部件。快速读写读写速度比传统硬盘快很多，提高系统性能。耐用性强抗震、抗冲击，没有移动部件，寿命更长。低能耗功耗比传统硬盘更低，减少设备发热。存储系统的性能指标指标描述容量存储系统能够存储的数据量速度存储系统访问数据的快慢可靠性存储系统能够可靠地存储和访问数据成本存储系统的购买和维护成本存储系统的容量、速度和可靠性容量存储系统的容量指的是它可以存储的数据量。容量大小通常以字节（Byte）为单位，常见的容量单位包括KB、MB、GB、TB等。存储系统的容量决定了它可以存储多少数据，容量越大，可以存储的数据越多。容量是衡量存储系统大小的重要指标。速度存储系统的速度指的是它读写数据的速度。速度通常以数据传输率（DataTransferRate）来衡量，例如MB/s或GB/s。存储系统的速度决定了它可以多快地读取或写入数据。速度越快，数据访问速度越快，系统的性能越好。可靠性存储系统的可靠性指的是它长时间稳定运行的能力。可靠性通常用MTBF（MeanTimeBetweenFailures）来衡量，表示两次故障之间的平均时间。可靠性是存储系统的一个重要指标，因为数据丢失会导致巨大的损失。高可靠性的存储系统可以保障数据安全，并减少系统维护成本。存储层次结构层次化存储将不同速度、成本和容量的存储设备组合在一起，形成一个多级存储系统。速度-成本权衡速度较快的存储器成本较高，容量较小，反之亦然。数据访问效率频繁访问的数据存储在速度较快的存储器中，以提高系统整体性能。常见层次结构高速缓存主存储器辅助存储器主存和辅助存储器主存储器主存储器（RAM）是计算机系统中速度最快、价格最贵的存储器，用于存放当前正在运行的程序和数据，直接与CPU交互。辅助存储器辅助存储器（例如硬盘）是计算机系统中速度较慢、价格较低的存储器，用于长期保存数据和程序，容量较大，可保存大量信息。虚拟存储技术11.扩展主存虚拟存储技术是一种扩展主存容量的技术，可以访问比物理内存更大的地址空间。22.地址转换虚拟存储技术使用内存管理单元（MMU）将虚拟地址转换为物理地址。33.页面调入调出虚拟存储技术将程序和数据分块，在需要时将页面从辅助存储器加载到主内存。44.提高程序执行效率虚拟存储技术允许运行比物理内存更大的程序，提高系统效率。页式虚拟存储11.页式虚拟存储将逻辑地址空间划分成固定大小的页，物理地址空间也划分成同样大小的页框。程序运行时，将需要的页装入内存，不用的页放在磁盘上，通过页表进行地址转换。22.页面大小页面大小是固定值，通常为4KB或8KB，可以根据程序的大小和内存容量进行调整。33.页表页表存储了逻辑地址到物理地址的映射关系，每个条目代表一个页面。44.优点提高了内存利用率，允许运行比物理内存更大的程序，并减少了内存碎片。段式虚拟存储段式存储管理将程序地址空间划分为多个逻辑段。每个段可以是不同的长度。段表每个段在内存中都有一个唯一的段号。段表中包含每个段的起始地址和长度。页面置换算法1FIFO先进入内存的页面先被换出2LRU最近最少使用页面先被换出3OPT最优页面置换算法4CLOCK时钟页面置换算法页面置换算法是虚拟存储器中不可或缺的部分，它决定了哪些页面要被换出内存以腾出空间供新页面进入。常见的页面置换算法有FIFO、LRU、OPT和CLOCK等，每种算法都有其特点和优缺点，在实际应用中要根据具体情况选择合适的算法。页面置换算法FIFO先进先出算法，最简单的置换算法LRU最近最少使用算法，根据页面使用时间判断OPT最佳置换算法，完美理论，实际无法实现磁盘存储管理磁盘存储管理系统磁盘存储管理系统负责管理磁盘空间，并为用户提供访问磁盘数据的功能。文件分配表文件分配表(FAT)记录每个文件占用磁盘块的信息。索引分配方式索引分配方式使用索引块来记录每个文件占用磁盘块的信息。文件分配表FAT文件系统文件分配表是磁盘上的一种文件系统，用于管理文件存储位置。分配表它记录着磁盘中每个存储块的使用情况，可以是已分配给文件，还是空闲的。存储结构FAT通常是一个线性表，每个条目代表一个存储块，记录其状态和所属文件。文件访问操作系统通过FAT查找文件存储块，从而访问文件内容。索引分配方式索引分配方式索引分配方式使用索引表记录文件在磁盘上的存储位置。每个文件都有一个索引表，记录每个文件块在磁盘上的地址。索引表可以存储在主存中，也可以存储在磁盘上，方便快速访问。日志文件系统数据写入和更新日志文件系统将所有数据变更记录在日志文件中，即使操作失败也能恢复。恢复操作通过回滚日志文件，系统可以将数据恢复到任何一个操作点，确保数据一致性和完整性。提高性能日志文件系统可以并行处理多个操作，提升系统性能。RAID技术1冗余阵列RAID，即独立磁盘冗余阵列，通过将多个磁盘驱动器组合成一个逻辑驱动器来提高可靠性和性能。2数据冗余RAID使用各种数据冗余技术来保护数据，即使一个磁盘发生故障，也不会导致数据丢失。3性能提升通过数据条带化和并行访问，RAID可以显着提高磁盘子系统的吞吐量和读写速度。4类型不同的RAID级别提供了不同的数据冗余和性能权衡，根据具体需求选择合适的RAID级别。磁盘阵列系统提高存储性能通过数据并行访问和负载均衡，磁盘阵列提高了数据读取和写入速度。增强数据可靠性冗余技术保证即使部分磁盘失效，数据也能