《存储器系统rev》课件

存储器系统探讨计算机存储系统的最新架构和技术发展。从存储设备、缓存及内存管理等方面全面深入解析存储系统的基础知识与前沿动态。课程简介课程目标本课程旨在深入探讨计算机存储系统的基础知识、工作原理和设计策略。从基础的存储器分类和工作机制开始,全面系统地介绍半导体存储器、非易失性存储器以及存储系统的设计与优化。课程内容课程涵盖存储器的基本概念、分类、工作原理,DRAM、SRAM、ROM、闪存等存储器技术,以及存储系统的设计和优化,包括存储层次架构、缓存设计、虚拟内存管理等内容。授课方式课程采用理论讲解、实践案例分析、学生讨论等多种授课方式,帮助学生全面掌握存储系统的知识体系。存储器基础知识计算机结构中的存储器存储器是计算机系统的核心组成部分,负责临时存储和长期保存各种数据与程序。它是连接CPU和输入输出设备的关键环节。存储器的基本工作原理存储器通过地址、数据和控制信号实现对数据的存取。读写操作由CPU通过控制信号进行管理,确保数据准确无误地在存储器和CPU之间传输。存储器的容量和速度存储器的容量决定了它能存储的数据量,而存取速度则影响计算机的整体性能。大容量、高速度的存储器是当今计算机技术发展的重要目标。存储器分类按存储介质分包括半导体存储器和磁性存储器两大类。前者代表性产品为DRAM和SRAM，后者代表为硬盘和磁带。按数据访问方式分包括随机访问存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。前者可读写，后者只可读取不可写入。按数据保存方式分包括易失性存储器和非易失性存储器。前者供电断开后数据丢失，后者断电仍能保存数据。半导体存储器半导体存储器是最常见的存储器类型,基于集成电路技术制造,具有速度快、功耗低、体积小等优点。主要包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两大类。RAM可分为静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)。它们广泛应用于计算机、手机、物联网等电子设备的主存储器和缓存。ROM则主要用于存储固定的程序代码和数据,广泛应用于嵌入式系统。DRAM工作原理1内存单元DRAM由大量微型电容器组成,每个电容器存储一位数据。2读取数据通过读出线和列译码器选择电容器,将存储的电荷传送到放大器。3刷新操作电容器会因漏电而丢失数据,需要定期刷新重新充电。4动态特性DRAM需要持续供电和刷新,是一种动态存储器。DRAM(DynamicRandomAccessMemory)是一种基于电容器的动态随机存取存储器。每个存储单元由一个晶体管和一个电容器组成,电容器存储数据位。DRAM需要定期刷新以维持数据,因此是一种动态存储器,与静态SRAM不同。SRAM工作原理1电路结构SRAM采用双稳态锁存器电路作为基本存储单元,由六个晶体管组成。2读取过程通过选通位和读位获取存储单元中的数据,无需刷新电路即可保持数据。3写入过程通过写入电路将新数据写入存储单元,覆盖原有的数据内容。非易失性存储器记忆保持非易失性存储器可以在断电后继续保留数据,避免了数据丢失的问题。这使其成为存储重要信息的理想选择。可编程非易失性存储器允许用户多次重复编程和擦除,提供了灵活的数据存储和更新能力。抗干扰非易失性存储器的存储结构对电源波动和环境噪声具有较强的抗干扰能力,保证了数据的稳定性。广泛应用非易失性存储器被广泛应用于智能手机、工业控制、汽车电子等领域,满足各种数据存储需求。ROM和RWM只读存储器(ROM)ROM在制造时就写入了程序和数据,内容不可更改,用于存储基础固件和引导程序。可读写存储器(RWM)RWM可以读取和写入数据,用于临时存储程序运行时的变量和参数。包括SRAM和DRAM等。非易失性存储器ROM是非易失性存储器,断电后数据不会丢失。而RWM则需要持续供电以保持数据。应用场景ROM用于存储固定不变的系统程序和数据,RWM用于存储运行时的变化数据。闪存技术闪存是一种非易失性半导体存储器,具有快速访问、低功耗和高可靠性等特点。它采用电子编程和擦除,可重复编程数百万次。闪存广泛应用于智能手机、平板电脑、MP3播放器和数码相机等便携式设备。与传统硬盘相比,闪存具有更快的读写速度、更小的尺寸和更高的耐冲击性。这些特点使其成为多种电子产品的首选存储解决方案。存储器接口设计总线标准存储器接口设计需要遵循统一的总线标准,如DDR、SATA等,确保设备之间的互连和通信。这些标准定义了信号线、时序、协议等关键规范。控制逻辑存储器接口还需要复杂的控制逻辑,用于处理读写操作、地址映射、错误检测等功能,确保数据正确传输和存储。这需要高度集成的硬件电路设计。性能优化为了提高系统性能,接口设计需要针对存储器特性进行优化,如缓存机制、并行访问等。这需要深入理解存储技术,权衡成本与效能。可靠性保证存储器接口还要考虑数据的可靠性,包括错误检测纠正、突发性故障处理等。这需要完善的容错设计,确保系统能稳定运行。存储器性能指标5存储容量指存储系统的总存储量，通常以GB或TB计10ns访问时间从CPU发出读写请求到数据可用的时间,影响系统整体性能100MB/s带宽存储系统单位时间内能传输的最大数据量,决定数据吞吐能力存储系统设计1性能需求快速响应低延迟的需求2容量需求海量数据存储的需求3成本控制在性能和容量之间的权衡4可靠性需求数据安全和备份的需求5系统集成与整体系统的兼容性需求存储系统设计需要平衡多个关键因素,包括性能、容量、成本、可靠性以及与整体系统的集成。通过合理分配不同层次的存储资源,采用多级缓存和虚拟内存技术,可以有效地满足现代计算系统的存储需求。存储层次架构1多级存储系统现代计算机系统采用多级存储器结构,从硬盘到高速缓存,形成层次化的存储体系。2层次划分存储层次从上到下包括寄存器、高速缓存、主存、磁盘等,容量逐步增大,访问速度逐步降低。3空间局部性程序倾向于访问相邻存储单元,利用这一特性可进行高速缓存技术优化。4时间局部性程序倾向于重复访问同一存储单元,利用这一特性可进行缓存技术优化。多级存储层次主存储器主存储器是计算机系统的核心，提供了直接访问内存的能力。具有中等容量和速度的特点。高速缓存高速缓存介于CPU和主存之间，利用局部性原理提高访问速度。采用快速的半导体技术制造。非易失性存储非易失性存储如硬盘、固态硬盘等为计算机提供大容量的长期数据存储。读写速度相对较慢。代价-性能折衷成本权衡在设计存储系统时,需要权衡不同存储技术的成本,以确保系统在性能和预算之间达到最佳平衡。空间效率存储系统需要考虑存储容量和物理占用空间,以优化有限的空间资源。能耗控制能耗管理是设计存储系统的关键因素之一,需要在性能和功耗之间进行权衡。可扩展性存储系统应具有良好的可扩展性,以应对未来容量和性能需求的增长。高速缓存设计1局部性原理高速缓存设计利用程序的时间局部性和空间局部性,将最常访问的数据存储在快速的缓存中。2映射策略高速缓存使用直接映射、组相联或全相联等不同的映射策略,对应数据存储位置的选择方式。3替换算法当缓存满时,需要使用LRU、FIFO等替换算法来决定淘汰哪些数据,以容纳新的数据。局部性原理时间局部性指在某个时间段内，同一个数据项很可能被多次访问。空间局部性指在某个时间段内，与某个数据项相邻的数据项很可能被访问。顺序性指指令或数据访问的模式往往具有一定的规律性和顺序性。直接映射缓存1关联性低直接映射缓存中，每个主存地址块对应着唯一的缓存行。2访问简单通过简单运算就能找到数据所在的缓存行。3命中率较低由于关联性低，容易产生冲突，使命中率降低。直接映射缓存是最简单的缓存组织形式。它通过简单的运算就能确定数据所在的缓存行，但由于缺乏关联性，容易产生冲突并降低命中率。因此，在追求高性能的系统中，通常会采用更复杂的组相联或全相联缓存设计。组相联缓存分组映射组相联缓存将缓存分成多个组，每个组包含多个缓存行。地址的一部分用于选择组，另一部分用于在组内搜索。关联度组关联度决定了每个组内可以存放的最大缓存行数。较高的关联度可提高命中率，但硬件复杂度也会上升。替换策略当一个新的缓存行需要填充时，需要决定替换哪个现有的缓存行。常用策略包括LRU、随机等。性能权衡组相联缓存在命中率和硬件复杂度之间进行权衡。较高的关联度可提高性能，但成本也会更高。全相联缓存1直接映射每个块只有一个缓存行存放2组相联每个缓存组可存放多个块3全相联所有缓存行可存放任意块全相联缓存没有组的概念,所有的缓存行都可以存放任意的内存块。这种缓存结构提供了最大的灵活性和利用效率,但需要复杂的硬件电路来实现地址比较和替换策略。相比其他缓存结构,全相联缓存有更高的命中率,但硬件成本也更高。替换算法最近最少使用(LRU)LRU算法会淘汰最长时间未被访问的缓存行。它基于基本思想是最近被访问的数据最有可能被再次访问。随机替换(Random)随机替换算法会随机选择一个缓存行进行替换。这种算法简单易实现,但不能充分利用缓存空间。先进先出(FIFO)FIFO算法会淘汰最早进入缓存的数据。它能保证每个缓存行都有机会被访问,但无法考虑访问频率。缓存一致性数据可见性缓存一致性确保多个处理器对同一数据的读写操作是可见和有序的。写策略写策略决定何时将数据从缓存回写到主存储器,影响系统性能和复杂度。总线嗅探通过监听系统总线上的读写操作来维护缓存一致性是一种有效方法。MESI协议MESI协议是一种常用的缓存一致性协议,可确保多核CPU缓存之间的数据一致性。虚拟内存内存地址扩展虚拟内存通过将内存地址扩展为更大的虚拟地址空间,使得程序可以访问更大的内存容量。按需调入虚拟内存只在需要时才将页面从磁盘调入内存,提高了内存利用率并减少载入时间。内存保护虚拟内存为每个进程提供独立的地址空间,防止进程之间的内存访问冲突。分页机制虚拟内存采用分页机制,将内存划分为固定大小的页面,提高了内存管理的灵活性。页表和段表虚拟内存地址虚拟内存地址通过页表和段表进行映射，将虚拟地址映射到物理内存地址。页表页表保存了虚拟页号到物理页帧号的映射关系，用于实现页式虚拟内存。段表段表保存了虚拟段号到物理内存基地址的映射关系，用于实现段式虚拟内存。页面置换算法1FIFO先进先出的页面替换策略2LRU最近最少使用的页面替换策略3LFU最不常用的页面替换策略页面置换算法是虚拟内存管理中的一个关键概念。当内存不足时,需要通过某种算法选择合适的页面进行置换,以腾出空间容纳新的页面。常见的算法有FIFO、LRU和LFU,分别基于先进先出、最近最少使用和最不常用的原则进行页面替换。这些算法在实际应用中都有各自的优缺点,需要根据具体需求进行选择。内存管理单元1内存管理功能内存管理单元负责管理计算机系统的虚拟内存和物理内存空间,提供内存地址转换和内存保护等功能。2页表和段表管理内存管理单元维护页表和段表,用于存储虚拟地址到物理地址的映射关系。3内存访问控制内存管理单元可以设置内存访问权限,防止非法访问或越权访问内存。4页面置换算法内存管理单元负责实现页面置换算法,决定将哪些页面换出以腾出内存空间。外存系统多种外部存储设备外部存储系统包含硬盘、光驱、闪存等多种设备,为计算机系统提供大容量、永久性的数据存储。高性能存储解决方案采用RAID技术的磁盘阵列可提供高速、可靠的外部存储,广泛用于云计算、大数据等领域。智能化存储管理专业的存储管理软件可实现自动化备份、虚拟化、分层存储等功能,提高存储系统的可靠性和使用效率。磁盘子系统数据存储磁盘驱动器是重要的大容量数据存储设备，能够提供TB级别的数据存储空间。快速访问磁头可快速定位到特定磁道和扇区，实现快速数据读写。数据备份磁盘驱动器可用于重要数据的备份和归档，提供长期数据存储能力。高传输速率现代磁盘驱动器可提供高达数百MB/s的数据传输速率。总线和接口标准1总线标准总线是连接计算机各个部件的信号传输通道,常见标准包括ISA、PCI、PCIExpress等。2接口标准计算机外围设备需要符合特定的接口标准,如USB、HDMI、RJ-45网线等。3