《部分存储器》课件

部分存储器部分存储器（PartiallyFilledMemory）是一种内存管理技术，用于优化内存分配和管理，在提高应用程序性能方面发挥重要作用。课程导言课程目标介绍部分存储器的基本概念、分类和工作原理。课程内容涵盖存储器体系结构、存储器技术、存储器管理等方面。学习目标理解存储器的基本概念，掌握部分存储器的类型和工作原理。存储器的基本概念存储器概述存储器是计算机系统中用于存储数据的物理设备。它保存着运行程序、数据和操作系统的指令，使计算机能够正常工作。存储器的作用存储器作为计算机系统中重要的组成部分，负责保存和读取信息，为CPU提供指令和数据，确保计算机的正常运行和指令的执行。存储器的分类存储器可以分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）两种类型。内存速度快但容量有限，用于存放正在运行的程序和数据。外存速度慢但容量大，用于长期保存信息。内存分类按访问速度分类高速缓存主存储器辅助存储器按存储介质分类半导体存储器磁存储器光存储器按读写特性分类只读存储器(ROM)随机存取存储器(RAM)内存地址空间内存地址空间逻辑地址空间物理地址空间由CPU分配给内存的逻辑地址范围CPU发出的逻辑地址内存芯片的物理地址范围逻辑地址通过地址转换映射到物理地址逻辑地址可以是连续的物理地址必须是连续的存储器的编址方式存储器的编址方式是指为存储器中的每个存储单元分配一个唯一的地址。存储器地址是CPU用来访问存储单元的标识符。1线性编址每个存储单元被赋予唯一的连续地址。2段式编址将存储器划分为多个段，每个段有独立的地址空间。3页式编址将存储器划分为固定大小的页，每个页有独立的地址空间。ROM的基本特点非易失性ROM中的数据可以永久保存，即使断电也不会丢失。这使得它非常适合存储引导程序、系统固件和常量数据。读出速度快与RAM相比，ROM的读取速度更快。这是因为它不依赖于外部电荷，而是存储了永久性编码数据。ROM的主要类型1掩模ROM在制造过程中写入数据，不可更改。2可编程ROM一次性写入数据，可擦除并重新编程。3可擦除可编程ROM可擦除并重新编程多次，通常使用紫外线擦除。4电可擦除可编程ROM可擦除并重新编程多次，使用电信号擦除。RAM的基本特点11.随机存取任意地址的数据都可以直接存取，不受物理位置的影响。22.易失性断电后数据会丢失，需要电源保持数据。33.读写速度快与ROM相比，RAM的读写速度更快，适合频繁读写的场景。44.价格较高与ROM相比，RAM的价格较高，存储容量通常较小。RAM的主要类型静态RAM(SRAM)SRAM使用晶体管作为存储单元，速度快，成本高，体积小。动态RAM(DRAM)DRAM使用电容器作为存储单元，速度慢，成本低，体积大。同步动态RAM(SDRAM)SDRAM的读写操作同步于系统时钟，提高了数据传输效率。双倍数据速率同步动态RAM(DDRSDRAM)DDRSDRAM在每个时钟周期内传输两次数据，进一步提高了数据传输速率。静态RAM的工作原理1数据存储SRAM使用晶体管和电阻来存储数据，每个存储单元由六个晶体管组成，并使用触发器结构保持数据状态。2数据读取读取数据时，将数据位写入选定存储单元，然后通过输出缓冲器读取数据。3数据写入写入数据时，将数据位写入选定存储单元，并使用控制逻辑修改数据状态。动态RAM的工作原理电容存储动态RAM使用电容存储数据，每个存储单元由一个晶体管和一个电容组成。数据存储在电容的电荷量中。刷新周期电容上的电荷会随着时间流逝而衰减，因此需要定期刷新数据。刷新周期是指每隔一段时间就重新写入一次数据以保持数据的完整性。刷新操作刷新操作由专门的电路完成，它周期性地读取存储单元中的数据，并将数据重新写入电容，以补充电荷。刷新控制动态RAM通常具有刷新控制电路，它负责管理刷新周期和刷新操作，确保数据的可靠性。SRAM与DRAM的对比SRAM速度快，价格高，功耗高，体积小，集成度低。DRAM速度慢，价格低，功耗低，体积大，集成度高。SRAM适合用作高速缓存，DRAM适合用作主存储器。存储器的访问操作1地址译码地址译码是指将逻辑地址转换为物理地址2读/写控制选择读或写操作，并控制数据流向3数据传输CPU与存储器之间的数据传输4数据刷新动态RAM需要周期性刷新，避免数据丢失存储器的访问操作是指CPU与存储器之间进行数据交换的过程存储器访问操作分为读操作和写操作两种存储器的读操作地址传输CPU将要读取的数据的地址信息传输到存储器控制器。寻址存储器控制器根据地址信息找到对应的数据存储单元。数据传输存储器控制器从指定的存储单元读取数据并将其传输到CPU。数据存储CPU将读取到的数据存储到内部寄存器中，以便后续的处理。存储器的写操作1写入地址指定目标内存单元2写入数据传输到内存单元3写入控制启动写操作写入操作是将数据写入到内存单元的操作。写操作过程需要经历一系列步骤，包括指定写入地址、传输写入数据以及启动写入控制信号。存储器总线的工作原理存储器总线是连接CPU、存储器和其他外设的桥梁，用于传输数据和控制信号。1地址总线用于指定存储器中数据的地址。2数据总线用于传输数据。3控制总线用于控制存储器操作，例如读写操作。存储器总线通常采用并行传输方式，可以同时传输多位数据，提高数据传输效率。存储器读写时序存储器读写时序是指存储器进行读写操作时，各信号的时序关系。时序图显示了数据在存储器和CPU之间的传输顺序，以及各控制信号的有效时间。通过分析时序图，可以了解存储器的操作过程，以及不同信号之间的相互关系。1地址建立时间在读写操作开始之前，CPU需要将地址信号稳定地发送到存储器。2读写命令CPU向存储器发出读或写命令，指示存储器执行相应的操作。3数据传输数据在存储器和CPU之间传输，读操作是从存储器读取数据，写操作是向存储器写入数据。4数据有效时间数据传输完成后，需要保持一段时间，以确保CPU可以正常读取或写入数据。存储器的性能指标访问速度存储器访问速度直接影响计算机的整体性能。更快的访问速度意味着更快的程序执行。容量存储器的容量指的是它可以存储的数据量，通常以字节为单位。容量越大，可以存储的信息越多。功耗存储器功耗是衡量其能效的关键指标。低功耗存储器可以降低计算机的整体能耗。带宽带宽指的是存储器在单位时间内可以传输的数据量。带宽越高，数据传输速度越快。存储器的容量和速度容量(GB)速度(ns)存储器容量和速度是影响计算机性能的关键因素。容量越大，存储更多数据。速度越快，访问数据速度越快。存储器的可靠性指标MTBF平均无故障时间（MeanTimeBetweenFailures）衡量存储器在两次故障之间正常工作的平均时间。MTTR平均修复时间（MeanTimeToRepair）衡量存储器发生故障后，从故障发生到修复完成所需要的平均时间。数据完整性确保存储的数据在读取时与写入时完全一致。通过校验码、纠错码等技术实现数据完整性。数据安全性防止数据丢失或被篡改，包括物理安全和逻辑安全。采用加密、访问控制等措施提升数据安全性。存储器的电源需求电源电压存储器需要稳定的电源电压才能正常工作。电压过高或过低都会导致存储器损坏。功耗存储器在工作时会消耗一定的电力。功耗过高会影响系统性能，甚至导致系统过热。电源管理为了保证存储器的稳定运行，需要对电源进行管理，例如对电压进行调节、对电流进行限制等。存储器的散热需求散热问题存储器运行时会产生热量，需要有效的散热方案来防止过热，影响性能和寿命。冷却方案常用的散热方法包括风冷和液冷，选择合适的方案取决于存储器类型、工作环境和散热要求。热量管理良好的热量管理可以提高存储器可靠性和稳定性，延长使用寿命，降低能耗。存储器的物理封装11.DIP封装双列直插式封装，是最早期的封装形式，引脚排列在两侧，易于插拔。22.SIP封装单列直插式封装，引脚排列在一侧，适合空间有限的应用场景。33.SOJ封装表面贴装封装，引脚排列在芯片的底部，适合高密度电路板。44.TSOP封装薄型小外形封装，引脚排列在芯片的两侧，适用于小型设备。存储器的发展趋势容量不断提升存储器的容量正在不断提升，从最初的KB到如今的TB和PB。速度不断提高存储器速度不断提高，从最初的几微秒到如今的纳秒级别。集成度不断提高存储器集成度不断提高，单个芯片可以存储更多数据。技术不断革新存储器技术不断革新，例如新型存储器技术的出现。混合存储器系统速度优势混合存储器系统使用多种类型的存储器，例如高速缓存和主存储器，以提高性能。成本效益混合存储器系统可以通过优化存储器分配和访问来降低整体成本。数据安全性通过使用多种存储器类型，可以确保数据安全性和可靠性。虚拟存储器技术地址映射虚拟地址被映射到物理内存地址，允许程序访问超出物理内存大小的数据。分页机制虚拟地址空间被划分为固定大小的页面，每个页面对应物理内存中的一个物理块。页面置换算法当虚拟内存需要被加载到物理内存时，选择合适的页面替换出内存，以腾出空间。优点虚拟内存可以提高程序的运行效率，并允许程序使用比物理内存更大的地址空间。高速缓存存储器高速缓存存储器高速缓存存储器是位于CPU和主存储器之间的极高速存储器。缓存层次结构通常存在多个级别的缓存，例如L1、L2和L3缓存，每级缓存的速度和容量不同。缓存命中率缓存命中率是指CPU访问数据时直接从缓存中找到的概率。存储器技术发展方向更高密度随着技术进步，存储器芯片的密度不断提高，每个芯片可以存储更多数据。这使得存储器变得更小、更轻便，也更节能。更低功耗随着对移动设备和云计算的需求增加，人们需要更低功耗的存储器。研发人员正在开发低功耗存储器技术，例如MRAM和PCR