《chapter内存储器》课件

《章节内存储器》章节内存储器是一种特殊的内存区域，用于存储当前正在执行的程序代码和数据。它位于计算机的主内存中，与CPU紧密相连，提供快速访问数据的通道。章节内存储器通常被称为“工作区”，因为它是程序执行时的核心工作区域。课程大纲存储器概述介绍存储器的概念和分类，重点讲解存储器的性能指标和层次结构主存储器深入探讨主存储器的类型、工作原理和特点，包括RAM和ROM高速缓存存储器讲解Cache的作用、分类和工作机制，重点分析Cache的替换算法和写策略虚拟存储器介绍虚拟存储器的概念和工作原理，重点讲解页面置换算法和相关问题存储器的性能指标存储器的性能指标主要包括：容量、访问时间和带宽。容量是指存储器能够存储的信息量，通常以字节或位为单位。访问时间是指存储器从接收访问请求到返回数据的时间，通常以纳秒为单位。带宽是指存储器在单位时间内能够传输的信息量，通常以字节每秒为单位。存储器的容量存储器的容量指存储器所能存储的信息量。通常以字节(Byte)为单位，1字节等于8位。存储器容量越大，能够存储的信息就越多。不同类型的存储器容量差别很大。存储器的访问时间存储器的访问时间是指从发出访问指令到从存储器中取出数据或写入数据所需的时间。访问时间是衡量存储器速度的关键指标，影响着计算机系统整体的性能。10nsSRAM静态随机存储器50nsDRAM动态随机存储器100ns硬盘机械存储器存储器的带宽存储器带宽衡量的是单位时间内CPU能够访问存储器的总数据量。存储器带宽是衡量计算机系统性能的重要指标。100GB/s现代PC现代PC的内存带宽通常在100GB/s以上。1TB/s高性能服务器高性能服务器可以达到1TB/s以上的带宽。存储器层次结构层次化存储不同类型的存储器以层次化方式组织，速度更快但成本更高的存储器位于层次结构的顶端。缓存高速缓存存储器位于层次结构的顶端，用于存储最常访问的数据，以加快访问速度。主存储器主存储器位于层次结构的中间，用于存储正在运行的程序和数据。辅助存储器辅助存储器位于层次结构的底部，用于存储大量数据，但访问速度较慢。主存储器定义主存储器是计算机系统中用于存放程序和数据的核心部件。它是一种随机存取存储器(RAM)，可以快速读取和写入数据。特点主存储器具有速度快、容量大、价格低的特点，它是CPU直接访问数据的区域，对于计算机的性能至关重要。只读存储器(ROM)定义只读存储器(ROM)是一种非易失性存储器，这意味着即使在断电后，它也能保存数据。ROM中存储的数据在制造过程中被写入，通常无法更改。用途ROM常用于存储固件、启动代码和系统参数等重要数据，这些数据需要在系统启动时访问。类型ROM的类型包括掩模ROM(MROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)和电可擦除可编程ROM(EEPROM)。优点ROM的优点包括非易失性、可靠性和低功耗。随机存取存储器(RAM)可读写RAM允许CPU快速读取和写入数据。易失性RAM在断电后会丢失所有存储信息。主要存储器RAM是计算机系统的主要工作内存，用于存放当前正在运行的程序和数据。RAM的分类RAM主要分为两种类型：静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器(DRAM)。1RAM2SRAM速度快，功耗高，价格贵3DRAM速度慢，功耗低，价格便宜SRAM和DRAM的主要区别在于存储数据的方式不同。静态随机存取存储器(SRAM)存储单元SRAM使用触发器作为存储单元，每个触发器存储一个位信息。结构SRAM的结构比DRAM复杂，但速度更快，功耗更低。访问速度SRAM的访问速度比DRAM快得多，因为不需要刷新操作。动态随机存取存储器(DRAM)11.存储单元DRAM使用电容存储数据,每位数据用一个电容表示。22.刷新操作电容会随着时间推移而泄漏,DRAM需要定期刷新以保持数据。33.速度DRAM比SRAM速度慢，但成本更低，容量更大。44.应用DRAM是现代计算机的主存储器，用于存储程序和数据。DRAM的工作原理1存储单元DRAM的存储单元是电容器，每个电容器代表一个比特信息。2数据读写数据读写通过对存储单元进行充放电操作来实现。3刷新操作由于电容会泄漏电荷，因此需要定期刷新以保持数据。DRAM的特点成本低廉DRAM的制作工艺相对简单，成本较低，适合用于大容量存储器的构建。存储容量大DRAM可以实现高密度集成，从而提供更大的存储容量，满足现代计算机对存储空间的需求。读写速度快DRAM的读写速度比其他类型的存储器，如硬盘或闪存，要快得多。功耗低DRAM的功耗相对较低，尤其是在待机状态下。高速缓存存储器(Cache)速度快比主存储器速度快得多，可以更快地访问数据。容量小由于成本和技术限制，高速缓存的容量远小于主存储器。位于CPU附近靠近CPU，减少数据传输时间，提高访问效率。Cache的作用减少内存访问时间Cache存储器存储最常访问的数据，这样CPU可以更快地访问这些数据，提高系统性能。提高数据访问效率Cache可以将经常使用的指令和数据缓存在其中，减少CPU访问主存储器的次数，从而提高数据访问效率。Cache的分类直接映射Cache直接映射Cache是最简单的Cache组织方式，每个主存块只能映射到Cache中的一个特定位置。组相联Cache组相联Cache是介于直接映射和全相联之间的一种折衷方案，它将Cache分成若干组，每个组包含多个Cache行。全相联Cache全相联Cache是最灵活的Cache组织方式，主存中的任何一个块都可以映射到Cache中的任何一个位置。直接映射Cache映射方式每个主存块只能映射到一个特定的Cache块。地址标记主存地址的一部分用作Cache块的标记。冲突多个主存块映射到同一个Cache块会导致冲突。组相联Cache1分组划分将主存分成若干个大小相等的组，每个组包含若干个块。2Cache索引将Cache也分成相同数量的组，每个组包含若干个块。3地址映射主存块的组号与Cache组号对应，块号则与Cache组内块号对应。4冲突概率降低冲突概率，提高Cache命中率，但实现比直接映射复杂。全相联Cache灵活映射每个主存块可以映射到任何一个Cache行，没有地址限制。高速命中率提高了Cache命中率，因为数据可以存储在任何位置，减少了冲突。复杂实现需要比较所有Cache行，实现起来比较复杂，成本较高。Cache的替换算法1FIFO先入先出算法2LRU最近最少使用算法3LFU最不常使用算法4OPT最佳置换算法Cache替换算法决定哪个块被替换，以便为新的块腾出空间。FIFO算法按照块进入Cache的顺序进行替换，LRU算法替换最近最少使用的块，LFU算法替换最不常使用的块，OPT算法替换未来最长时间不会被访问的块。Cache的写策略1写直通数据直接写入主存2写回数据先写入Cache3写分配数据写入Cache和主存写直通性能最高，但会造成主存带宽压力。写回性能较好，但可能导致数据不一致。写分配兼顾性能和数据一致性，但更复杂。虚拟存储器扩展主存储器虚拟存储器是一种利用磁盘空间来扩展主存储器的技术，为应用程序提供更大的地址空间。提高内存利用率虚拟存储器通过将程序和数据的一部分加载到内存中，而将其他部分存储在磁盘上，提高内存利用率，允许运行更大的程序。虚拟地址空间虚拟存储器使用虚拟地址空间，它与物理地址空间不同，允许程序使用比物理内存更大的地址范围。提高系统性能虚拟存储器可以提高系统性能，因为它允许多个程序共享内存资源，并且可以减少程序之间的内存冲突。页式虚拟存储器页式虚拟存储器页式虚拟存储器将逻辑地址空间划分为固定大小的页面，物理地址空间划分为相同大小的页框。程序运行时，操作系统将页表用于将逻辑地址转换为物理地址。页面置换算法1最佳页面置换算法(OPT)该算法选择未来最长时间不会被访问的页面进行替换，但无法在实际环境中实现。2先进先出(FIFO)最早进入内存的页面被优先替换，简单易实现，但效率较低。3最近最少使用(LRU)选择最近最少使用的页面进行替换，实际应用广泛，效率较高。抖动与工作集抖动页面频繁地进出内存，导致系统性能急剧下降，这种现象称为抖动。抖动