《计算机内部存储器》课件

计算机内部存储器计算机的内部存储器是用于存放数据的核心组件，它直接影响计算机的运行效率和性能。计算机存储器概述存储器的定义计算机存储器是计算机系统中用于存储数据和程序的设备，是计算机的重要组成部分。存储器的作用存储器用来保存程序和数据，并提供给中央处理器（CPU）使用，从而实现计算机的各种功能。存储器的层次结构层次结构存储器系统被组织成一个分层的结构，每个层级都具有不同的速度、成本和容量。速度和成本速度越快的层级通常更昂贵，容量也更小。速度较慢的层级通常更便宜，容量也更大。数据流动数据通常在层次结构之间流动，从速度更快、成本更高的层级移动到速度更慢、成本更低的层级。主存储器11.中央处理器直接与CPU交互，存储指令和数据，供CPU读取和写入。22.临时存储存储CPU当前正在执行的程序和数据，内存速度快，容量较小。33.存储单元每个存储单元都有唯一的地址，CPU通过地址访问数据。44.易失性电源关闭后，存储的数据会丢失，需要定期保存到硬盘。主存储器分类随机存取存储器(RAM)用于存储正在运行的程序和数据，可以快速随机访问任何位置。只读存储器(ROM)存储系统启动所需程序和数据，内容无法修改，只能读取。高速缓存(Cache)作为主存储器与CPU之间的缓冲，提高数据访问速度。随机存取存储器随机存取能够直接访问任何一个存储单元，存取时间与存储单元的物理位置无关。易失性断电后数据会丢失，需要定期保存到非易失性存储器。主要用途存放当前正在执行的程序和数据，支持计算机快速运行。关键技术主要分为动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）。动态随机存取存储器11.动态存储动态RAM使用电容存储数据。22.刷新操作数据会随着时间的推移逐渐消失，需要定期刷新。33.结构简单成本较低，功耗也相对较低。44.应用广泛由于价格低廉，广泛应用于主存储器。静态随机存取存储器速度快SRAM访问速度快于DRAM，通常用于高速缓存(cache)中。成本高SRAM的结构复杂，需要更多的晶体管，因此成本更高。功耗低SRAM的功耗比DRAM低，在嵌入式系统和移动设备中广泛使用。只读存储器只读存储器（ROM）ROM的数据在制造时写入，无法更改。ROM数据保存到芯片上，即使断电也不会丢失。用途ROM常用于存储固件，例如启动程序，硬件配置参数。辅助存储器磁盘存储器磁盘存储器使用磁性介质记录数据，它是一种常见的辅助存储器。磁性介质以磁盘的形式出现，例如硬盘和软盘。光盘存储器光盘存储器利用激光在光盘表面刻录数据，常用的光盘类型包括CD、DVD和蓝光光盘。固态硬盘固态硬盘（SSD）使用闪存芯片存储数据，没有机械部件，因此访问速度快，功耗低。磁盘存储器磁盘存储器是一种常用的辅助存储器，主要由磁性材料制成的盘片组成。信息记录在磁盘表面上的磁性材料上，通过磁头读写。磁盘存储器价格低廉，容量大，可靠性高，易于备份和恢复，广泛应用于计算机系统中，用于保存各种数据和程序。光盘存储器光盘存储器利用激光束读取和写入数据。常见的类型包括CD-ROM、DVD-ROM和蓝光光盘。光盘存储器具有容量大、成本低等优点，但存取速度相对较慢。光盘存储器可用于存储大量数据，例如电影、音乐和软件。它也是备份数据的理想选择，因为光盘对环境变化具有较强的抵抗力。固态硬盘固态硬盘(SSD)是一种基于闪存的存储设备，它使用闪存芯片来存储数据。与传统的硬盘驱动器(HDD)相比，SSD具有更高的读写速度、更低的功耗和更高的耐用性。SSD通常被用作系统驱动器，因为它可以显著提高计算机的启动速度、应用程序加载速度和整体性能。存储器的性能指标存储器性能指标反映了存储器性能的优劣。存取时间是指CPU从存储器中读取或写入一个数据所需的时间。带宽是指存储器每秒所能传输的数据量。容量是指存储器所能存储的数据量。功耗是指存储器工作时消耗的能量。存储器存取方式单字节存取一次访问一个字节的数据，是常见的存储器存取方式。双字存取一次访问两个字节的数据，用于提高数据传输效率。突发存取连续访问多个字节的数据，例如一次读取一个数据块。分页存取将内存划分为大小相同的页面，每次访问一个页面。单字节存取1定义单字节存取是指计算机系统一次只能访问一个字节的数据，每次操作必须单独进行。2特点简单易实现，但效率较低，对于大数据量访问不利，通常用于小型嵌入式系统或对数据访问速度要求不高的应用。3举例例如，读取一个字符或一个8位整数需要进行一次独立的存取操作。双字存取1定义一次读写两个连续字2优势提高数据传输效率3应用适用于数据密集型应用双字存取是一种高效的数据传输方式，它允许计算机一次性读取或写入两个连续的字。这显著提高了数据传输效率，特别适用于处理大量数据的应用场景。例如，在处理图像、音频或视频数据时，双字存取可以大幅提升数据传输速度。突发存取突发存取是一种高效的内存访问方式，可以提高数据传输效率。1连续读取CPU一次性发出多个连续地址的读请求。2数据块传输内存控制器一次性将数据块传输到CPU。3减少请求次数降低了内存访问延迟。4提高效率整体提高了内存访问速度。这种方式适合读取连续存储的数据，例如数组或图像。分页存取页面大小将主存空间划分为大小相同的页面，并用页号进行标识。页面映射建立页表，记录页面在主存中的物理地址，将虚拟地址转换为物理地址。页面置换当需要访问的页面不在内存时，需从磁盘中调入内存，并选择一个页面进行置换。优点提高了内存利用率，简化了内存管理，支持多用户并发访问。内存管理内存管理高效利用内存资源，分配和回收内存空间，避免内存泄漏和内存碎片。地址空间管理将逻辑地址映射到物理地址，实现程序代码的加载和执行。虚拟内存使用硬盘作为扩展内存，扩大可用内存空间，提升程序运行效率。地址空间管理逻辑地址程序员使用的地址，独立于物理地址，方便编程。物理地址存储器单元在内存中的实际地址，由硬件控制。虚拟内存11.地址空间扩展虚拟内存允许程序使用比物理内存更大的地址空间。22.多任务处理多个程序可以同时运行，共享物理内存。33.内存保护防止程序访问其他程序的内存区域。44.页面调入和调出将程序代码和数据分块加载到内存，并根据需要进行调入和调出。置换算法最佳置换算法选择未来最长时间不会被访问的页面进行置换。无法实现，理论参考。先进先出算法先进入内存的页面先被置换。简单易懂，但效率较低。最近最少使用算法选择最近最少使用的页面进行置换。性能较好，但实现复杂。时钟算法模拟一个时钟，记录页面最近被访问时间，选择最久未被访问的页面置换。综合考虑效率和复杂度。缓存存储器缓存存储器是一种高速、小型、昂贵的存储器。通常作为主存储器与CPU之间的桥梁。CPU缓存直接与CPU相连，存储最近被CPU访问过的指令和数据，速度非常快，但容量较小。数据缓存存储从主存储器读取的数据，减少数据访问时间，提高系统性能。缓存工作原理当CPU访问数据时，首先检查缓存，如果命中则直接读取；否则从主存储器读取并放入缓存。缓存基本工作原理检查缓存当CPU需要访问数据时，它首先检查缓存。如果数据在缓存中，称为缓存命中。缓存命中CPU从缓存中快速读取数据，继续执行操作。缓存未命中如果数据不在缓存中，称为缓存未命中。访问主内存CPU从主内存中获取数据并将其加载到缓存中。更新缓存数据同时存储在缓存和主内存中，以便下次访问时可以直接从缓存中获取。缓存性能指标缓存性能指标是评估缓存系统效率的关键参数，它们反映了缓存命中率、缓存延迟和缓存容量对系统性能的影响。99%命中率指缓存中找到所需数据的概率，越高表示缓存效率越高。10-100ns延迟指从缓存中获取数据所需的时间，越短表示缓存速度越快。KB-MB容量指缓存能够存储的数据量，越大表示缓存可以容纳更多数据。缓存设计与优化策略缓存大小缓存大小直接影响缓存命中率，过小会导致频繁访问主存储器，过大则会浪费内存空间。替换算法选择合适的替换算法，例如LRU、FIFO等，可以有效提高缓存效率。缓存一致性保证数据一致性是缓存设计的重要问题，可以使用各种方法来确保数据一致性。缓存管理缓存管理策略包括缓存的分配、释放、替换、一致性维护等，需要根据具体场景选择合适的策略。存储器层次结构优化层次化设计通过合理设计存储器层次结构，提高系统性能，降低成本。容量和速度平衡更高层级的存储器容量较小，速度更快，但价格更贵。缓存策略利用缓存技术，提高数据访问速度，减少主存储器访问次数。算法优化采用先进的页面置换算法，有效管理虚拟内存，提高系统效率。存储器发展趋势1容量不断提升存储器容量大幅度提升，满足日益增长的数据存储需求。