《内部存储器》课件2

内部存储器内部存储器是计算机系统中直接与CPU交互的核心部件。它是用于临时存储正在运行的程序和数据，并允许CPU快速访问信息。什么是内部存储器计算机系统的核心组件内部存储器是计算机系统中最重要的组成部分之一。数据的临时存储空间用于存放当前正在运行的程序和数据。直接访问数据CPU可以直接访问内部存储器中的数据。内部存储器的特点速度快内部存储器是直接与CPU交互的存储器，速度极快，可以满足CPU高速处理数据的需求。容量小内部存储器的容量通常比外部存储器小，因为成本较高，但可以满足CPU处理数据的需求。内部存储器的分类11.主存储器主存储器直接与CPU交互，是计算机系统最主要的存储器，用于存放当前正在执行的程序和数据。22.辅助存储器辅助存储器用于存放长期保存的数据，例如硬盘、U盘、光盘等，容量大，速度慢，价格便宜。33.缓存存储器缓存存储器介于主存储器和CPU之间，用于存放CPU经常访问的数据，速度快，容量小，价格昂贵。主存储器主存储器概述主存储器，也称为内存，是计算机系统中用于存储数据的核心组件。它用于存放程序指令、数据、中间结果以及系统操作所需信息。内存条的形状现代计算机通常使用插槽形式的内存条，每个内存条包含多个存储芯片。内存条是主存储器的物理形式，可以方便地安装和更换。内存条的功能内存条负责存储和读取CPU访问的程序指令和数据。内存速度直接影响计算机的运行效率，因此选择性能更高的内存条至关重要。主存储器的工作原理1CPU的访问CPU通过地址总线发送地址请求，获取数据或指令。2地址译码主存储器控制器根据地址，找到存储单元。3数据传输数据或指令通过数据总线传输到CPU或从CPU传输到主存储器。主存储器的种类静态随机存取存储器(SRAM)SRAM速度快，价格贵，常用于高速缓存。动态随机存取存储器(DRAM)DRAM速度慢，价格便宜，常用于主内存。闪存(FlashMemory)闪存速度介于SRAM和DRAM之间，价格便宜，常用于固态硬盘和USB闪存盘。磁芯存储器磁芯存储器体积大，功耗高，速度慢，已经逐渐被淘汰。只读存储器(ROM)定义只读存储器(ROM)是一种非易失性存储器，这意味着即使断电后，它也能保存数据。ROM中的数据在制造过程中被写入，并不能被用户修改。特点ROM具有永久性、高可靠性和成本低等特点，通常用于存放固定的程序或数据，例如操作系统引导程序、BIOS信息或设备驱动程序。应用ROM广泛应用于各种电子设备中，例如电脑、手机、电视机、洗衣机等。它确保了设备的基本功能正常运行，并保存了一些重要的配置信息。ROM的特点与作用1非易失性ROM的内容在断电后不会丢失,即使关闭电源,数据也能保留。2读出速度快ROM的数据读取速度比RAM快,能够快速访问数据。3固定的存储内容ROM存储的内容在出厂后不能被修改,通常用来存储系统引导程序,操作系统内核等。只读存储器的分类掩膜式ROM在芯片制造过程中，数据被永久写入。容量大，成本低，适合大批量生产。可编程ROM用户可以一次性写入数据。可编程ROM只能写入一次，价格相对较低。可擦除可编程ROM用户可以多次擦除并重新写入数据。数据可以多次擦除，但速度慢。电可擦除可编程ROM用户可以使用电信号进行擦除和写入。速度快，成本高，适合小规模应用。随机存取存储器(RAM)易于访问RAM中的每个存储单元都可以直接访问，无需按顺序读取。易失性断电后，存储在RAM中的数据会丢失。速度快RAM是CPU可以直接访问的存储器，读取速度快。容量大RAM的容量通常比其他类型的存储器更大。RAM的特点与作用随机存取RAM可以随机访问任何存储位置，无需按照顺序访问，提高了数据访问速度，使计算机运行更加高效。易失性RAM是一种易失性存储器，当电源关闭时，存储在其中的数据将会丢失，需要重新加载。RAM的分类按功能划分RAM可以分为静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)两种。SRAM速度快，但价格高，一般用于缓存存储器。DRAM速度相对慢，但成本低，一般用于主存储器。按数据宽度划分根据一次可以读写的数据位数，RAM可以分为8位、16位、32位、64位等。数据宽度越大，数据传输速度越快。按工作方式划分RAM可以分为单通道和多通道两种。多通道RAM可以同时访问多个存储器模块，可以提高数据传输速度。按存储技术划分RAM还可以分为SDRAM、DDRSDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM、DDR4SDRAM等。这些类型的RAM主要在工作频率和功耗方面有所区别。动态随机存取存储器(DRAM)工作原理DRAM使用电容存储数据，需要定期刷新以保持数据。电容会逐渐放电，因此需要定期为其充电，以防止数据丢失。刷新周期刷新周期是指DRAM芯片需要进行一次刷新操作的时间间隔。刷新周期通常为几十毫秒到几百毫秒。优势DRAM的成本较低，存储容量较大，适合用于主存储器。缺点DRAM的速度相对较慢，功耗较高。DRAM的工作原理1刷新定期对每个存储单元进行“充电”，以防止存储的电荷逐渐消失。2读操作通过读取存储单元中电荷的电压，获取数据。3写操作通过向存储单元写入电荷，完成数据写入。4地址译码将逻辑地址转换为物理地址。DRAM采用电容来存储数据，由于电容会逐渐放电，因此需要定期进行“刷新”操作。静态随机存取存储器(SRAM)1存储单元由晶体管和电容组成，每个单元保存一位信息。2读写速度读写速度比DRAM快，访问时间更短。3功耗功耗高于DRAM，但性能更佳。4成本成本高于DRAM，容量较小。SRAM是静态随机存取存储器，通过晶体管保持数据，因此不会像DRAM一样随着时间的推移而丢失数据。SRAM拥有更快的读写速度、更高的可靠性、更低的延迟，但成本更高，容量更小。SRAM的工作原理1静态存储SRAM使用锁存器来存储数据，锁存器保持稳定状态直到数据被修改。2高速访问SRAM具有较快的访问速度，因为它不需要刷新数据。3高成本SRAM的构建成本高于DRAM，因为它需要更多的晶体管。缓存存储器速度快缓存存储器速度比主存储器更快，通常由SRAM组成。容量小缓存存储器的容量远小于主存储器，通常只有几兆字节或几十兆字节。价格高缓存存储器的价格比主存储器更高，成本较高。提高系统性能缓存存储器通过减少CPU访问主存储器的次数来提高系统性能。缓存存储器的作用与特点1加快数据访问速度缓存存储器比主存储器速度更快，可以更快速地提供数据。2减少对主存储器的访问次数缓存存储器存储了最近使用过的数据，避免频繁访问主存储器，提高系统效率。3提高系统性能缓存存储器通过减少数据访问延迟，提高应用程序的运行速度和响应能力。4降低系统成本缓存存储器比主存储器价格更低，可以有效降低系统成本。缓存存储器的工作原理1请求数据CPU需要数据时，首先会查看缓存2缓存命中如果数据在缓存中，直接读取3缓存未命中如果数据不在缓存中，则从主存储器读取4更新缓存读取后的数据被复制到缓存中缓存存储器的工作原理类似于我们生活中的“缓存”。例如，当你打开一个网页时，浏览器会将网页内容存储在缓存中，以便下次你访问该网页时能够更快地加载。主存储器和缓存存储器的关系缓存存储器速度更快，用于存储CPU最常访问的数据。缓存存储器是主存储器的子集，用于提高数据访问速度。缓存存储器作为CPU和主存储器之间的桥梁，提高了数据访问效率。多级缓存存储器层级结构多级缓存存储器采用层级结构，每一级缓存都比上一级容量更小、速度更快。数据访问路径CPU访问数据时，先访问最快的L1缓存，若未命中则访问L2缓存，再未命中则访问L3缓存，最后才访问主存储器。数据复制当数据被访问时，会复制到更高级别的缓存中，以便下次访问可以更快地获取数据。虚拟内存11.扩大存储空间虚拟内存可以利用硬盘空间来扩展内存容量，从而使计算机能够运行更大、更复杂的程序。22.提高内存利用率将不经常使用的程序或数据移至硬盘空间，释放内存空间给更需要访问的程序，提高内存效率。33.支持多任务处理多个程序可以共享虚拟内存，从而允许计算机同时运行多个应用程序，提高系统效率。虚拟内存的工作原理地址映射虚拟内存将逻辑地址转换为物理地址，操作系统管理虚拟内存到物理内存的映射关系，并将地址空间划分为页面。页面置换当程序需要访问的页面不在内存中时，操作系统会将该页面从硬盘调入内存，并将内存中其他页面换出到硬盘上，这一过程称为页面置换。分页机制操作系统将程序代码和数据分成固定大小的页面，然后将这些页面加载到内存中，并建立虚拟地址到物理地址的映射关系。内存分配操作系统负责分配虚拟内存空间给应用程序，并跟踪内存的使用情况，防止内存溢出和冲突。虚拟内存的优点扩充内存容量虚拟内存允许程序使用超出物理内存的地址空间，从而有效地扩大了可用内存容量。支持多任务处理虚拟内存可以为多个程序提供独立的地址空间，使得多个程序可以同时运行而不相互干扰，提高系统效率。内部存储器的性能指标内部存储器的性能指标是衡量存储器性能的关键参数，反映了存储器速度、容量、成本等方面的特性。100ns访问时间指从发出访问指令到数据被访问完成所需要的时间。16GB容量指存储器所能存储的最大数据量，通常以字节（B）为单位。100MHz带宽指存储器在单位时间内所能传输的数据量，通常以兆字节每秒（MB/s）为单位。$10成本指存储器每单位容量的成本，通常以元/GB为单位。内部存储器的性能评价访问速度读取数据所需时间，反映内存的快慢。存储容量存储器所能容纳的最大信息量，用字节或字来表示。成本单位存储容量的成本，反映内存的性价比。功耗运行时消耗的能量，反映内存的节能性。存储技术的发展趋势容量不断提升存储器容量不断提升，从最初的K