《存储系统小结》课件

存储系统小结本文将深入探讨存储系统的重要概念，涵盖数据存储、访问和管理的关键要素。课程导言学习目标深入理解存储系统的基本概念，掌握各种存储器类型的工作原理和性能特点。课程内容涵盖主存储器、缓存、外存储器、虚拟存储器以及存储管理等关键主题。学习方法通过理论讲解、案例分析、实验实践等方式，帮助学生掌握存储系统的知识和技能。存储器的基本概念存储器存储器是计算机系统中用来存储数据的物理设备。存储器存储器是计算机系统中用来存储数据的物理设备。存储器的分类主存储器也称为内存，是计算机系统中直接与CPU交互的存储器。速度最快、容量最小、成本最高。辅助存储器也称为外存储器，是用来存放海量数据的存储器。速度较慢、容量最大、成本最低。高速缓存也称为缓存，是位于主存储器和CPU之间的一级存储器。速度更快、容量更小、成本更高。主存储器系统主存储器（也称为内存）是计算机系统中用于存放程序和数据的核心部件。主存储器是**CPU**直接访问的存储器，它与CPU速度匹配，速度很快，但容量较小，数据容易丢失。主存储器系统的性能指标1访问速度访问速度是指CPU访问一次存储器所花费的时间，通常用纳秒(ns)表示。2存储容量存储容量是指存储器能存储的信息量，通常用字节(B)或其倍数表示。3数据传输率数据传输率是指存储器每秒钟能传输的数据量，通常用MB/s或GB/s表示。4成本成本是指每单位存储容量的成本，通常用美元/MB或美元/GB表示。主存储器系统的可扩展性扩展需求随着数据量的增长和计算能力的提升，对主存储器容量的需求也随之增加。模块化设计现代主存储器系统通常采用模块化设计，允许用户根据需要添加或移除内存模块。互连技术高速总线和互连技术保证了多个内存模块之间的高效数据传输。SDRAM和DRAMSDRAM同步动态随机存取存储器，其工作时钟与系统总线同步，提高了数据传输效率。DRAM动态随机存取存储器，数据存储需要周期性刷新，降低了存储器速度。DDRSDRAMDDRSDRAM使用双倍数据速率技术，通过在时钟周期的上升沿和下降沿传输数据，提高了数据传输速率。DDRSDRAM是目前主流的内存类型，应用于各种电子设备，包括电脑、手机和服务器等。DDRSDRAM不断发展，新的版本如DDR4和DDR5具有更高的传输速率、更低的功耗和更高的容量。SRAM1速度快SRAM速度比DRAM快得多，但成本更高。2静态SRAM使用晶体管存储数据，不需要刷新，即使在断电状态下也能保持数据。3成本高SRAM的成本比DRAM高得多，因此通常用于需要快速访问速度且成本不是主要因素的应用中。Cache内存高速缓冲存储器Cache是位于CPU和主内存之间的一级高速缓冲存储器，用于存放CPU经常访问的数据和指令。加速访问速度Cache的访问速度远快于主内存，可以有效减少CPU等待数据的时间，提高系统性能。Cache的基本工作原理1地址映射CPU首先检查缓存中是否存在需要访问的数据。地址映射机制将主存储器地址转换为缓存地址，以便快速查找数据。2命中如果数据存在于缓存中，称为缓存命中。CPU直接从缓存中读取数据，速度快。3未命中如果数据不存在于缓存中，称为缓存未命中。CPU必须访问主存储器，速度较慢。Cache性能优化策略局部性原理利用程序代码和数据访问的局部性，将经常访问的数据存储在缓存中。替换策略当缓存满了时，需要选择一个缓存块替换掉，常见的策略有LRU、FIFO、OPT等。缓存一致性确保多个处理器或线程访问同一个数据时，缓存中的数据始终一致。二级缓存和多级缓存二级缓存二级缓存是CPU缓存层次结构中的第二级，它比一级缓存更大，速度略慢，但仍然比主内存快得多。多级缓存现代CPU通常使用多级缓存系统，包括一级缓存、二级缓存和三级缓存，以进一步提高性能。外存储器系统外存储器是计算机系统中用于长期保存数据的存储设备。它与主存储器不同，数据不会在断电后丢失。外存储器主要用于存储操作系统、应用程序、用户数据等。常见的类型包括磁盘存储器、光盘存储器、固态存储器等。磁盘存储器数据存储磁盘存储器使用旋转的磁盘来存储数据。数据被写入磁盘上的磁性表面，并使用读写头读取。访问速度磁盘存储器比主存储器慢，但比其他辅助存储器快。访问速度取决于磁盘转速、磁头寻址时间和数据传输率。光盘存储器读取速度光盘存储器读取速度比磁盘存储器慢。存储容量光盘存储器存储容量较大，可以存储大量数据。成本低廉光盘存储器成本相对较低，适合存储备份数据。易于携带光盘存储器体积小，便于携带和运输。固态存储器高速性能固态存储器以其快速的读写速度而闻名，从而显著提升了计算机的响应速度和整体性能。可靠性由于没有移动部件，固态存储器比传统硬盘更耐用，更不容易受到震动和冲击的影响。尺寸紧凑固态存储器的尺寸远小于传统硬盘，非常适合笔记本电脑、平板电脑和小型设备等需要节省空间的应用。存储层次结构1高速缓存速度最快，容量最小2主存储器速度较快，容量中等3外存储器速度最慢，容量最大存储层次结构通过分层组织，将不同速度、容量和成本的存储设备结合起来，提高系统整体性能。虚拟存储器虚拟存储器是一种将主存储器与辅助存储器结合起来使用的技术。它可以将比物理内存大得多的程序和数据加载到内存中，并以一种高效的方式进行管理。虚拟存储器可以提高系统的性能和内存利用率，但也增加了系统开销。页式虚拟存储器1分页将逻辑地址空间划分为固定大小的页，并将物理地址空间划分为相同大小的页框。2页表记录每个页在内存中的物理地址，用于将逻辑地址转换为物理地址。3页面置换当发生页面失效时，需要选择一个页面从内存中移出，以腾出空间给新的页面。页面替换算法FIFO(先进先出)最先进入内存的页面先被替换出去。LRU(最近最少使用)最近最少使用的页面先被替换出去。OPT(最佳置换)未来最长时间不会被访问的页面先被替换出去。分页管理机制页面分配操作系统将物理内存划分为大小相同的页面，并为每个进程分配一定数量的页面。页面映射建立页面地址到物理地址的映射关系，实现逻辑地址到物理地址的转换。页面置换当进程需要访问不在内存中的页面时，操作系统会从内存中选择一个页面替换出去。存储管理的主要功能1内存分配为进程分配内存空间，确保每个进程拥有足够的空间运行。2内存保护防止进程访问其他进程的内存空间，确保系统安全和稳定。3内存共享允许多个进程共享相同的内存区域，提高内存利用率和程序间通信效率。4内存回收释放不再使用的内存空间，避免内存浪费，提高系统效率。分区式存储管理内存分区将内存划分成多个固定大小的分区。进程分配将进程分配到不同的分区中，并根据分区大小进行管理。外部碎片当进程大小与分区大小不匹配时，会造成内存空间的浪费。文件存储管理文件组织文件系统以目录结构的形式组织文件，方便用户访问和管理数据。文件访问用户通过文件名或路径名访问文件，系统提供相应的读写操作。文件保护文件系统提供权限控制和备份机制，确保文件安全性和可靠性。设备存储管理设备独立性允许应用程序访问存储设备，而无需了解设备的物理特性。缓冲管理优化数据传输速度，减少设备访问延迟。错误处理确保数据完整性和可靠性，防止数据丢失或损坏。综合实践应用通过实际案例，学习如何在