3存储器层次机构-2
存储器的层次结构与作用
存储器的层次结构与作用计算机的存储器是指用于存储和获取数据以及指令的部件。
它在计算机系统中起着至关重要的作用，不仅影响着计算机的性能和功能，还直接关系到计算机体系结构的设计和优化。
存储器按照其访问速度和容量大小的差异，可以划分为多个层次，并通过不同的存储介质实现，这就是存储器的层次结构。
1. 寄存器寄存器是位于CPU内部的最快速的存储器，其容量非常有限，一般以字节为单位。
寄存器直接参与计算机指令的执行，用于暂时存放指令和数据，速度非常快，可以达到纳秒级别。
由于寄存器的速度非常高，因此在计算机体系结构中被用来存储最常使用的数据和指令，用来提高计算机的运行速度。
2. 高速缓存存储器（Cache）高速缓存存储器是位于CPU和主存之间的存储器，其作用是作为CPU和主存之间的“缓冲区”，以减少CPU访问主存的次数。
高速缓存存储器的容量相对来说比寄存器大，可以达到几十KB或者几百KB级别，但是仍然远远小于主存。
由于高速缓存存储器的访问速度比主存快得多，因此可以有效提高CPU对数据和指令的访问速度，缓解了CPU访问主存的瓶颈。
3. 主存储器（RAM）主存储器是计算机中容量最大的存储器，用来存放正在被执行的程序和数据。
主存储器的容量通常以GB为单位，其访问速度相对较慢，但是比较便宜。
主存储器是CPU和外部存储器之间的桥梁，CPU通过访问主存中的数据和指令来执行程序。
主存储器中存放的数据具有易失性，断电后数据会丢失，因此需要定期进行数据的备份和恢复。
4. 辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）辅助存储器主要指的是硬盘、固态硬盘等外部存储介质，其容量通常非常大，可以达到TB或者PB级别。
辅助存储器的访问速度相对较慢，但是可以长期保存数据，不会丢失。
辅助存储器中的数据需要通过主存储器复制到CPU中才能执行，因此访问速度较慢，但是它具有容量大、价格便宜等优点，适合存储大量的数据和程序。
存储器的层次结构可以形象地比喻为水缸和水桶的关系，寄存器和高速缓存存储器相当于水桶，容量虽然小但是访问速度快；主存储器相当于水缸，容量大但是访问速度相对较慢；辅助存储器则相当于水库，容量巨大但是访问速度最慢。
计算机存储器层次结构
计算机存储器层次结构计算机存储器层次结构是指计算机内部存储器的层次组织结构，用于实现高效的数据存取和处理。
它按照存取速度、容量和成本的不同，将存储器划分为不同的层次，每一层次都有其特定的作用和性能要求。
本文将介绍计算机存储器层次结构的基本原理和各层次的特点。
一、计算机存储器层次结构的概述计算机存储器层次结构由快速访问相对较小的高速缓存(Cache)、较慢但容量更大的主存储器(Main Memory)和更大但访问速度较慢的辅助存储器(Auxiliary Storage)三部分组成。
这些存储器以不同的速度、容量和成本提供对数据的存取，形成了存储器层次结构。
它的设计目标是在满足计算机性能要求的情况下，尽量降低成本。
二、高速缓存高速缓存是计算机存储器层级结构中最快速的一层，它位于CPU内部或者CPU与主存储器之间，用于存储近期频繁访问的数据和指令。
高速缓存的目的是通过减少CPU等待数据的时间，提高计算机的运行速度。
高速缓存有多级结构，分为L1、L2、L3等多个级别。
其中L1缓存离CPU最近，速度最快，容量最小。
它一般由数据缓存和指令缓存组成，以提供对数据和指令的快速访问。
L2和L3缓存容量较大，速度较L1缓存慢一些。
它们的作用是进一步提高CPU的性能。
三、主存储器主存储器是计算机中最重要的存储器之一，也是CPU能直接访问的主要存储区域。
它通常是由动态随机存取存储器(DRAM)构成。
主存储器的容量相对较大，能够存储大量的数据和指令。
主存储器的访问速度介于高速缓存和辅助存储器之间，它的数据和指令可以传输到高速缓存中，供CPU进行处理。
主存储器的速度较快，但相对于高速缓存而言还是较慢，因此，当CPU无法从高速缓存中获取所需数据时，需要从主存储器中获取。
四、辅助存储器辅助存储器是计算机存储器层次结构中速度最慢但容量最大的一层，用于长期存储数据和程序。
常见的辅助存储器包括硬盘驱动器、光盘和闪存等。
辅助存储器的访问速度较主存储器慢很多，但它的容量很大，足以存储大量的数据和程序。
简述计算机存储器的层次结构
简述计算机存储器的层次结构计算机存储器是计算机系统的重要组成部分，它用于存储数据和程序。
在计算机存储器的层次结构中，存储器按照访问速度和容量递减的顺序划分为不同的层次。
这样可以实现快速访问大量数据的目的。
首先，计算机存储器的最高层次是寄存器。
寄存器是在CPU内部的高速缓存区域，可以存储CPU需要处理的指令和数据。
其速度非常快，是其他存储设备的数十甚至数百倍。
由于寄存器容量非常小，一般只有几十个字长，它所存储的指令和数据都是CPU直接操作的。
其次，计算机存储器的第二层是高速缓存。
高速缓存是位于CPU和主存储器之间的存储单元。
它的作用是存储最常用的数据和指令，以便CPU快速访问。
由于高速缓存的访问速度比主存储器快很多，在大部分情况下，CPU都可以直接访问高速缓存。
高速缓存的容量通常为数百KB至数MB，比寄存器大很多。
接下来是主存储器，也称为内存储器。
主存储器是计算机的核心组件之一，可以存储程序和数据，是计算机中最常用的存储器设备。
主存储器的容量通常在GB级别，其读写速度比较快，但是相对于寄存器和高速缓存来说，还是比较慢的。
其次是辅助存储器，这是计算机存储器层次结构中容量最大、速度最慢的存储器。
辅助存储器包括硬盘、光盘、U盘等。
它们可以长期保存大量的数据和程序，但是它们的读写速度相对比较慢。
不同层次存储器的存储速度和容量不同，因此根据应用的不同需要，可以选择最适合的存储器级别来进行操作。
例如，在做一些需要实时处理的计算过程中，需要使用到寄存器和高速缓存这种存储器；而对于需要大量长期存储的数据，辅助存储器是最好的选择。
因此，存储器的层次结构可以提高计算机的计算效率，减少资源浪费和时间浪费。
存储器层次结构
存储器层次结构计算机存储器层次结构是指在计算机系统中用于存储和访问数据的不同层级的存储设备。
它按照速度、容量和成本的不同划分为多个层级，以达到高效地存取数据的目的。
存储器层次结构的设计影响着计算机系统的性能和运行速度。
本文将介绍计算机存储器层次结构的基本概念以及各个层级的特点。
1. 导言计算机存储器层次结构是指计算机系统中用于存储和访问数据的多个层级，其目的是提高计算机系统的性能和运行速度。
存储器层次结构由速度、容量和成本不同的存储设备组成，按照速度从快到慢排列，形成存储器层次结构。
2. 寄存器寄存器是存储器层次结构中最快的存储设备，位于CPU内部。
它可以快速存取数据，但容量有限。
寄存器是计算机处理数据时的临时存储空间，用于存储指令、操作数和中间结果等。
由于寄存器的高速度和小容量，它常用于存储最频繁使用的数据，以加快数据的存取速度。
3. 高速缓存高速缓存是存储器层次结构中位于寄存器和主存之间的一层存储设备。
它采用了高速存取的方式，能够快速响应CPU的读写请求。
高速缓存分为多个级别，通常分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2Cache）。
一级缓存一般与CPU集成在同一芯片上，速度更快但容量较小；而二级缓存则位于CPU和主存之间，速度较慢但容量更大。
4. 主存主存是存储器层次结构中容量最大的一层，用于存储程序和数据。
它是CPU直接与外部存储设备之间的桥梁，具有较高的读写速度。
主存通常由动态随机存取存储器（DRAM）构成，容量较大，但速度相对较慢。
主存以字节为单位进行寻址和存取，通过地址总线与CPU进行数据的传输。
5. 辅助存储器辅助存储器是存储器层次结构中速度最慢、容量最大、且相对便宜的存储设备。
它通常包括硬盘、光盘、闪存等。
辅助存储器主要用于长期存储大量的程序和数据。
相比于主存，辅助存储器的读写速度较慢，但容量大且价格低廉。
计算机在运行过程中，需要将辅助存储器中的数据加载到主存中进行处理，以提高运行效率。
存储器的层次结构及组成原理
存储器的层次结构及组成原理一、引言存储器是计算机中非常重要的组成部分，它用于存储和读取数据。
随着计算机技术的发展，存储器也在不断地升级和改进。
存储器的层次结构是指不同类型的存储器按照速度、容量和成本等方面的差异被组织成一种层次结构。
本文将介绍存储器的层次结构及其组成原理。
二、存储器的层次结构1. 存储器分类根据存取速度不同，可将存储器分为主存（RAM）、高速缓存（Cache）、二级缓存、三级缓存等多级缓存以及辅助存储器（ROM、磁盘等）。
2. 层次结构主要分为三个层次：CPU内部高速缓冲寄存器（L1 Cache）、CPU外部高速缓冲寄存器（L2 Cache）和主内存（RAM）。
3. 层次结构优点层次结构能够充分利用各种类型的硬件设备，使得计算机系统能够更加高效地运行。
在执行指令时，CPU首先从最快的L1 Cache中查找数据，如果没有找到，则会查找L2 Cache，最后才会查找主内存。
这样的层次结构设计可以大大提高CPU访问数据的速度，减少CPU等待的时间。
三、存储器的组成原理1. 静态随机存取存储器（SRAM）SRAM是一种使用静电场来存储数据的存储器。
它由多个存储单元组成，每个单元由一个触发器和两个传输门组成。
SRAM的读写速度非常快，但是它比较昂贵，并且需要更多的电源。
2. 动态随机访问存储器（DRAM）DRAM是一种使用电容来存储数据的存储器。
它由多个存储单元组成，每个单元由一个电容和一个开关组成。
DRAM比SRAM更便宜，但是读写速度相对较慢。
3. 双倍数据率SDRAM（DDR SDRAM）DDR SDRAM是一种高速内存技术，可以在每个时钟周期传输两次数据。
这使得DDR SDRAM比普通SDRAM更快。
4. 图形双倍数据率SDRAM（GDDR SDRAM）GDDR SDRAM是一种专门为图形处理器设计的高速内存技术。
它具有更高的频率和带宽，适用于处理大量图像和视频数据。
5. 闪存闪存是一种非易失性存储器，可以在断电时保存数据。
组成原理（三）存储器的层次结构
组成原理（三）存储器的层次结构第三章存储器的层次结构3.1 存储器分类1. 按存储介质分类（1）半导体存储器：TTL，MOS，SSD。
易失（2）磁表⾯存储器：磁头，载磁体⾮易失（3）磁芯存储器：硬磁材料，环状元件⾮易失（4）光盘存储器：激光，慈光⾮易失2. 按存取⽅式（1）存取时间与物理地址⽆关（随机存取）类⽐于数据结构中的线性表数组(取数组某个元素的时间和物理地址⽆关，只和index有关)（a）随机存储器：程序执⾏过程中可读可写（b）只读存储器：程序执⾏过程中只读（2）存取时间与物理地址有关（串⾏访问）类⽐于数据结构中的链表（a）顺序存取存储器：磁带（b）直接存取存储器：磁盘（根据物理地址，直接移动磁头）3. 按在计算机中的作⽤分类（1）主存（a）RAM：操作系统被加载到RAMSRAM：（Static Random Access Memory）静态随机存储器。
常⽤制作⼆级缓存。
不必刷新电路就能保存数据。
但体积⼤，集成度低DRAM：（Dynamic Random Access Memory）动态随机存取存储器。
常⽤语制作系统内存DRAM⽤电容存储数据，需要定时充电，刷新电路，否则出处的数据丢失。
集成度⾼（b）ROM：存储机器⾃检和引导程序，BIOS等程序MROM：（Mask Read-Only Memory）掩模式只读存储器。
MROM的内容在出⼚前⼀次写⼊，之后不能更改PROM：（Programmable Read-Only Memory）－可编程只读存储器。
只能写⼊⼀次数据的只读存储器，写⼊错误只能更换存储芯⽚ EPROM：（Erasable Programmable Read Only Memory）可擦除可编程只读寄存器EEPROM： (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，电可擦可编程只读存储器。
SSD（2）辅存磁盘，磁带，光盘3.2 存储器的存储结构1. 存储结构综述（1）cpu只能和主存，cache进⾏数据交互，⽽不能直接获得辅存的数据（2）辅存的数据只能调⼊主存，不能直接进⼊缓存中。
存储器层次结构课件
优化成本：通过降低存储器的成 本来提高系统的性价比。例如， 使用更便宜的存储元件、优化设
计和批量生产等。
04 存储器层次结构性能评估 与优化方法
存储器层次结构性能评估指标
01
02
03
04
读取命中率
评估层次结构在读取操作中的 性能，衡量从存储器中获取所
需数据的速度和效率。
带宽
评估层次结构在数据传输方面 的性能，包括每秒传输的字节 数和每秒进行的操作次数。
存储器层次结构特点：存储器层次结构具有以下特点：1）访问速度逐层递减， 价格逐层递增；2）离CPU越近的存储器访问速度越快，价格也越高；3）离CPU 越远的存储器访问速度越慢，价格也越低。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构应用场景- 嵌入式系统
服务器和数据中心：在服务器和数据中心中，由于需要处理大量的数据 和要求，通常采用较大的存储器层次结构，如主存储器、辅助存储器和
磁盘优化
采用更高效的磁盘技术 ，如SSD、HDD等，提 高磁盘I/O性能和存储容
量。
系统优化
通过优化操作系统、文 件系统和网络协议等，
提高整体系统性能。
存储器层次结构性能提升策略
负载均衡
通过公道分配负载，避免系统 过载或空载，提高整体性能。
缓存预热
在程序运行前，将热点数据提 前加载到缓存中，提高读取命 中率。
散布式文件系统等。
个人计算机：在个人计算机中，由于需要处理多种任务和应用程序，通 常采用适中的存储器层次结构，如高速缓存、主存储器和硬盘驱动器等 。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构优化策略- 优化 访问速度
优化容量：通过增加存储容量来 满足不断增长的数据需求。例如 ，使用更大容量的硬盘驱动器、 内存模块和散布式文件系统等。
理解计算机存储器的层次结构
理解计算机存储器的层次结构计算机存储器的层次结构，是指计算机中各种存储设备按照速度、容量和价格等指标进行分层次的组织和安排。
这种层次结构的设计旨在提高计算机的存储器性能，使得数据的访问更加高效和快速。
下面将介绍计算机存储器的层次结构以及其在实际应用中的重要性。
一、存储器层次结构的基本概念存储器层次结构按照存取速度的快慢以及价格的高低，可以分为多层结构，其中包括高速缓存、内存和辅助存储等不同层次。
具体来说，从最快到最慢的顺序依次是：寄存器、高速缓存、内存以及辅助存储。
1. 寄存器寄存器是位于CPU内部的高速存储器，用于存储最近、最常用的数据和指令。
由于其距离CPU非常近，寄存器的存取速度非常快，但容量有限，一般只有几百到几千个字节。
2. 高速缓存高速缓存是位于CPU和内存之间的一级缓存，用于加速CPU对内存的访问。
它可以存储CPU最常用的数据和指令，速度比内存要快。
高速缓存的容量一般比较小，通常在几十KB到几十MB之间。
3. 内存内存是计算机中主要的存储介质，用于存储运行中的程序和数据。
内存的速度介于寄存器和辅助存储之间，容量一般比寄存器和高速缓存大，但相对较小，通常在几百MB到几十GB之间。
4. 辅助存储辅助存储主要包括硬盘、光盘、磁带等介质，用于存储大量的数据和程序。
辅助存储的容量非常大，但存取速度较慢。
二、存储器层次结构的重要性存储器层次结构的设计能够在满足数据存储需求的同时，提高计算机系统的性能。
以下是存储器层次结构的重要性体现：1. 提高数据访问速度层次结构的设计能够使得常用的数据和指令尽可能地存储在较快的存储层次中，从而大幅度提高数据的访问速度。
CPU可以直接从高速缓存或者寄存器中读取数据，不需要每次都到内存或者辅助存储中进行访问，大大加快了计算机的运行速度。
2. 提高计算机系统的吞吐量通过将数据存储在更接近CPU的存储层次中，存储器层次结构能够减少存储系统的瓶颈，提高计算机系统的吞吐量。
计算机存储器类型与层次结构解析
计算机存储器类型与层次结构解析计算机存储器是计算机中的一个关键组成部分，用于存储和读取数据。
根据存储介质和访问速度的不同，计算机存储器可以分为不同的类型和层次结构。
本文将详细解析计算机存储器的类型与层次结构，帮助读者更好地理解计算机存储器的工作原理。
一、计算机存储器的类型1. 内部存储器（主存储器）：内部存储器是计算机中直接与中央处理器（CPU）相连的部分，用于存储程序和数据。
它是计算机中最快的存储器，也是最重要的存储器之一。
内部存储器的容量较小，价格相对较高。
2. 外部存储器（辅助存储器）：外部存储器是计算机中与中央处理器间接连接的存储器，用于大容量和长期存储数据。
外部存储器的容量较大，价格相对较低。
常见的外部存储器包括硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）和光盘。
二、计算机存储器的层次结构1. 高速缓存存储器（Cache Memory）：高速缓存存储器位于内部存储器和中央处理器之间，用于提供更快的访问速度。
它采用了较小但更快的存储器芯片，并通过存储和取回最常用的数据和指令，以减少中央处理器的等待时间。
2. 主存储器（Main Memory）：主存储器是内部存储器的一种，是计算机存储器的核心部分。
它以字节为单位存储数据和程序，并可以直接被中央处理器访问。
主存储器通常采用随机存取存储器（RAM）技术。
3. 辅助存储器（Secondary Storage）：辅助存储器是外部存储器的一种，用于存储大量的数据和程序。
辅助存储器通常采用磁盘或固态存储技术，并具有较大的存储容量。
它的访问速度相对较慢，但可以长期保持数据。
三、计算机存储器的工作原理1. 数据存储：计算机存储器通过将数据以二进制形式存储在内存或磁盘中。
每个数据单元在存储器中都有一个唯一的地址，计算机可以通过地址来访问特定的数据单元。
2. 数据读取：计算机可以根据指令从存储器中读取数据。
读取数据的过程是通过计算机总线进行的，总线将数据传输到中央处理器中进行处理。
计算机存储器的层次结构
计算机存储器的层次结构计算机存储器的层次结构是一种按照速度、容量和成本等因素进行优化的层次化设计，用于满足计算机对数据存储和读写的要求。
一般情况下，计算机存储器系统包括几个主要层次：寄存器、缓存、主存和辅助存储器。
下文将详细介绍每个层次的特点和作用。
1. 寄存器（Register）：寄存器是计算机中速度最快的存储器，位于CPU内部，通常由硬件实现。
寄存器既可以存储指令，也可以存储数据。
它的特点是容量小且成本高，但读写速度非常快。
寄存器的主要作用是存储CPU当前的工作数据，如指令地址、运算结果等。
2. 缓存（Cache）：缓存是位于CPU和主存之间的高速存储器，用于解决CPU和主存之间的速度不匹配问题。
由于主存的读写速度无法满足CPU的高速计算需求，缓存可以暂时存储主存中的部分数据，以提高CPU的访问速度。
缓存分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache），一级缓存一般嵌入在CPU内部，容量较小但速度很快，而二级缓存位于CPU和主存之间，容量较大但速度稍慢。
3. 主存（Main Memory）：主存也称为内存，是计算机中用于存储数据和指令的主要存储器。
主存分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。
随机存储器是一种易失性存储器，具有读写功能，其内容在断电后会丢失。
而只读存储器是一种不可擦写、只读的存储器，用于存储固定不变的数据和程序。
主存的特点是容量大但速度较慢，价格适中。
4. 辅助存储器（Auxiliary Storage）：辅助存储器通常是指硬盘、光盘等外部的大容量存储介质。
与主存相比，辅助存储器的容量更大，价格更便宜，但读写速度更慢。
辅助存储器一般被用于长期存储大量的数据和程序，以及作为主存的扩展。
存储器的层次结构的设计原理是通过将数据和指令分级存储在各个层次，根据访问频率和速度要求将数据从慢速的层次复制到快速的层次中，以提高计算机的运行效率。
具体而言，数据和指令首先从辅助存储器加载到主存中，当CPU需要访问数据时，首先在缓存中查找，如果找不到则从主存中读取，如果还是找不到则从辅助存储器中读取。
计算机存储器的层次结构
起始地址 8K 16K 9K 30K
段表
段式虚拟存储器的地址映象
0 8K 9K 16K
30K 主存储器
2003.3.1
A
5
段式虚拟存储器的优点如下：
1. 程序的模块性能好。对于大程序，可以划分成多个程 序段，每个程序 段赋予不同的名字，由多个程序员并行编写，分别编译和调试。由于 各个程序段在功能上是相互独立的，因此，一个程序段的修改和增删 等不会影响其他程序段，从而可以缩短程序的编制和调试时间。
号是在虚地址空间中编排的；实地址空间按页的大小划分得到的一个长度 单位称为“实页”。
页式管理方法的主要缺点是按固定长度分出来的同一页内常有不同属 性的信息，不便于信息保护的实现。
页式管理方法的虚实变换算法是查页表(P152)。
0页
页号 主存页号
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1
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2
3
3页
页表
用户程序
页式虚拟存储器的地址映象 主存储器
的序号。物理地址的取值范围称为物理地址空间、实空间或实存。 从M1到Mn各层都有自己的物理地址空间，而对当前执行的程序模块来说，逻
辑地址空间只有一个。
地址映象方式指的是虚页集合与实页集合的对应规则，或者说是约束关系。 地址变换（又叫虚实变换）指逻辑地址到物理地址的变换过程或者算法。
页失效指当前被访问存储级中没有所需的信息，也就是不命中现象。 实页争用又叫实页冲突，指虚页调入时，根据地址映象方式划定的实空间范 围内已没有空闲实页的状况。
2. 主存储器的利用率往往比较低。由于每个程序段的长度不同的，一个 程序段通常要装在一个连续的主存空间中，程序段在主存储器中不断 地调入调出，有些程序段在执行过程中还要动态增加长度，从而使得 主存储器中有很多的空隙存在。当然，也可以采用一些好的算法来减 少空隙的数量，或者通过定时运行回收程序来合并着这些空隙，但这 无疑增加了系统的开销。
计算机组成原理存储器的层次结构
计算机组成原理存储器的层次结构在计算机组成原理中，存储器是非常重要的组成部分之一。
存储器可以被看作是计算机系统的大脑，它用于存储和访问各种数据和指令。
存储器的层次结构是指不同速度、容量和价格特性的存储器层次，从高速、小容量和高价格的寄存器到低速、大容量和低价格的磁盘存储器。
1. 寄存器寄存器是存储器层次结构的最高层，它位于中央处理器（CPU）内部。
寄存器是最快速的存储器，它们用于存储 CPU 在执行指令时需要的数据和指令。
寄存器有很小的容量，通常以字长（word）的大小来衡量。
2. 高速缓存高速缓存是位于CPU 和主存之间的一层存储器，它用于缓存从主存中读取的数据和指令。
高速缓存可以分为一级缓存（L1）和二级缓存（L2），L1 缓存位于 CPU 内部，速度更快，容量较小，而 L2 缓存则位于 CPU 外部，速度相对较慢，容量较大。
3. 主存储器主存储器又称为内存（RAM），是存储器层次结构的中间层。
主存储器用于存储操作系统、应用程序和数据等信息。
主存储器通常由动态随机存取存储器（DRAM）构成，具有较快的访问速度和较大的容量。
主存储器的容量通常以字节（Byte）为单位来衡量，例如1GB （Gigabyte）。
4. 辅助存储器辅助存储器是存储器层次结构的最低层，它通常被用作长期存储数据和程序的介质。
常见的辅助存储器包括硬盘驱动器、光盘和闪存存储器等。
辅助存储器的容量通常非常大，并且可以持久保存数据。
但相对于主存储器和高速缓存来说，辅助存储器的访问速度较慢。
在计算机执行程序时，数据和指令需要从辅助存储器逐级调入到寄存器中进行处理。
这种层次结构的设计是为了实现数据和指令的快速访问和有效管理。
不同层次存储器之间的数据传输是以块（block）为单位进行的，块是存储器读写的最小单位。
除了上述层次结构，还可以根据存储介质的特性进行分类。
例如，半导体存储器（如RAM）是在电子器件中构造的，而磁盘存储器（如硬盘）是利用磁道、扇区和柱面等物理结构进行存储。
存储器的层次结构及组成原理
存储器的层次结构及组成原理一、概述存储器是计算机系统中重要的组成部分，它用于存储和访问数据和指令。
存储器的层次结构是根据存储器的速度、容量和成本等因素将其分为多个层次，以实现高效的数据访问和管理。
二、存储器层次结构存储器的层次结构通常分为以下几个层次： ### 1. 寄存器(Register) 寄存器是存储在CPU内部的最快速的存储器。
它用于存放指令、数据和地址等临时信息，可以直接被CPU访问。
寄存器的容量较小，一般只有几百个字节。
2. 高速缓存(Cache)高速缓存位于CPU和主存之间，其目的是加快存储器的访问速度。
缓存通过存储近期被频繁访问的数据和指令，以提高CPU对存储器的命中率。
3. 主存储器(Main Memory)主存储器是计算机系统中最主要的存储器，也是存储器的最大层次。
主存储器被划分为许多地址连续的存储单元，每个存储单元可以存储一个字节或多个字节的数据。
主存储器由半导体或磁介质制成。
4. 辅助存储器(Auxiliary Memory)辅助存储器用于长期存储大量的数据和程序。
它的容量大于主存储器，但访问速度较慢。
常见的辅助存储器包括硬盘、光盘和闪存等。
三、存储器的组成原理存储器的组成原理多样，下面介绍几种常见的存储器类型： ### 1. 静态随机存储器(SRAM) 静态随机存储器是一种使用触发器来存储数据的存储器。
它的访问速度快，但成本较高。
SRAM的存储单元通过6个晶体管构成，每个存储单元可以存储一个比特的数据。
2. 动态随机存储器(DRAM)动态随机存储器是一种使用电容器来存储数据的存储器。
它的访问速度较慢，但成本较低。
DRAM的存储单元通过一个电容器和一个晶体管构成，每个存储单元可以存储一个比特的数据。
3. 只读存储器(ROM)只读存储器中的数据是永久性的，不可更改。
它通常用于存储固定的程序和数据。
常见的ROM类型包括可编程只读存储器(PROM)、可擦写只读存储器(E-PROM)和电可擦写只读存储器(EEPROM)等。
第3章存储器层次结构2PPT课件
储 器
EEPROM
Flash Memory
高速缓冲存储器（Cache）
辅助存储器
磁盘、磁带、光盘、磁盘阵列、 网络存储系统等
二、存储器的层次结构
1. 对存储器的要求：容量大、速度快、成本低 2. 存储器三个主要特性的关系
速度 容量 价格／位
快小高
寄存器
CPU CPU
主 机
缓存
主存
磁盘 光盘 磁带
辅 存
二、存储器的层次结构
三级存储架构：高速缓存，主存储器，辅存存储器 目标：主存储器为核心，缓存（cache）速度，辅存容量
存储器
作用
性能 种类
cache 主存 辅存
存储当前经常使用的程 序和数据
高速存取指令和数据
速度快 容量小
半导体
存放当前使用的程序和 数据，能和cache交换
数据和指令
中间
半导体
存放大量的后备程序和 容量大
从CPU看，速度接近cache的速度，容量是主存的容量， 价格接近主存价格。
由于cache存储系统全部用硬件来调度，因此它对系统 程序员和应用程序员都是透明的。
10ns
20ns
200ns
二、存储器的层次结构
虚拟存储系统是为解决主存容量不足而提出来的。在 主存和辅存之间，增加辅助的软硬件，让它们构成一 个整体。
慢大低
二、存储器的层次结构
2. 目前存储器的特点：
速度快的存储器价格贵，容量小； 速度慢的存储器价格低，容量大；
3. 存储器的设计思路：
① 为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾，在计 算机存储器系统设计时，应当在三个方面作折中考虑。
② 把各种不同速度、容量、价格的存储器，按一定的体系 结构组织起来，形成一个统一整体的存储系统。
了解计算机的存储器层次结构
了解计算机的存储器层次结构计算机的存储器层次结构计算机是一种拥有强大运算能力的现代工具，而存储器是计算机体系结构中至关重要的组成部分。
了解计算机的存储器层次结构对于理解计算机的运行原理、优化程序性能以及选择适当的硬件配置都十分重要。
存储器层次结构是指计算机内部组织的层次化结构，按照速度和容量的大小将存储器划分为多个层次。
每个层次的存储器都具有不同的特点和访问速度，以满足计算机在不同场景下的存储需求。
存储器层次结构通常包括以下几个层次：寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。
1. 寄存器寄存器是存储器层次结构中访问速度最快的部分。
它们位于处理器内部，用于存储指令和数据。
寄存器的容量相对较小，但由于其高速度，可以快速地提供指令和数据，供处理器立即使用。
寄存器在处理器内部直接与ALU（算术逻辑单元）进行交互，因此在计算机的存储器层次中处于最顶层。
2. 高速缓存高速缓存是介于寄存器和主存储器之间的存储器层次。
它是为了弥补主存储器和处理器之间速度差异而设计的，能够提供快速的数据访问。
高速缓存通常分为多级，如L1、L2、L3缓存。
L1缓存位于处理器内部，L2缓存和L3缓存则位于处理器芯片外部。
高速缓存中保存了最常用的指令和数据，以便快速地供处理器访问。
高速缓存通过预取和替换算法，提高了程序执行的性能。
3. 主存储器主存储器是计算机中用于存储程序和数据的核心部件。
它通常是以字节为单位进行寻址的，可以随机读写。
主存储器的容量相对较大，可以容纳大量的程序和数据，但其访问速度相对于寄存器和高速缓存来说较慢。
主存储器通过地址总线和数据总线与处理器进行通信，将指令和数据传递给处理器。
4. 辅助存储器辅助存储器是存储器层次结构中容量最大的部分，用于存储大量的程序、数据和文件。
常见的辅助存储器包括硬盘、固态硬盘、光盘和磁带等。
辅助存储器与主存储器的区别在于其访问速度相对较慢，但容量远大于主存储器。
辅助存储器在计算机系统中扮演着长期存储和备份数据的角色。
存储器层次结构名词解释
存储器层次结构名词解释
存储器层次结构是计算机中存储器的组织方式，本文将对存储器层次结构中的相关名词进行解释。
存储器层次结构是计算机系统中用于存储数据的一种组织方式，它基于存储器的访问速度和成本之间的矛盾，通过将存储器分为多个层次，每个层次的存储器具有不同的访问速度和成本，以实现较高的存储器性能和经济性。
1. 寄存器：寄存器是存储器层次结构中最快速但也最昂贵的一层存储器。
它通常位于处理器内部，用于存储处理器的指令和数据，具有非常快的读写速度。
2. 高速缓存：高速缓存是存储器层次结构中位于寄存器和主存之间的一层存储器。
它用于存储最常用的指令和数据，以提高处理器的访问速度。
高速缓存分为多级，每级的容量和访问速度逐渐降低，但相对于主存来说仍然更快。
3. 主存：主存是存储器层次结构中的一层，也是计算机系统中最主要的存储介质。
主存用于存储程序和数据，其容量通常较大，但相对于寄存器和高速缓存来说访问速度较慢。
4. 辅助存储器：辅助存储器是存储器层次结构中最低层的存储器，也是计算机系统中容量最大且成本最低的存储介质。
辅助存储器可以是硬盘、磁带等，用于长期存储大量的程序和数据。
存储器层次结构的设计目标是尽量使用速度较快的存储器来存储最频繁访问的数据，以提高计算机系统的整体性能。
不同层次的存储器之间通过数据传输和访问机制进行数据的交换和传递。
总结起来，存储器层次结构是计算机系统中存储器的分层组织方式，包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等不同层次的存储器。
计算机存储器的层次结构ppt课件
2020/4/16
计算机系统结构
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3.3.2 直接相联(P176)
直接相联是一种最强的约束关系，规定每个虚页只对应唯一实页。为便 于虚实变换，用求模运算作为变换关系式：将虚页号对实页总数求模得到实 页号。实现简单，二进制中，任何数X对2的整次幂n求模等价于截取X的最低 log2n位。
• 例 已知虚页号 = 7，实页总数 = 4，用直接相联求实页号。 解：可用十进制形式求：7 mod 4 = 3； 也可用二进制形式求：由于n = 4，所以log2n = 2， 取7的二进制形式111B的最低2位，得11B，即3。
2020/4/16
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段式虚拟存储器的缺点：
1. 地址变换所花费的时间比较长。从多用户虚地址变换到主存实地址需 要查两次，做两次加法运算。
2. 主存储器的利用率往往比较低。由于每个程序段的长度不同的，一个 程序段通常要装在一个连续的主存空间中，程序段在主存储器中不断 地调入调出，有些程序段在执行过程中还要动态增加长度，从而使得 主存储器中有很多的空隙存在。当然，也可以采用一些好的算法来减 少空隙的数量，或者通过定时运行回收程序来合并着这些空隙，但这 无疑增加了系统的开销。
2020/4/16
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页式虚拟存储器的优点是：
1. 主存储器的利用率比较高。每个用户程序只有不到一页（平均为半页） 的浪费，与段式虚拟存储器每两个程序段之间都有浪费相比要节省许多。
2. 页表相对比较简单。它需要保存的字段数比较少，一些关键字段的长度 要短许多，因此，节省了页表的存储器容量。
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4种常见的地址映象方式
3.3.1 全相联(P174)
全相联就是无约束对应，或者说是一个完全关系，意思就是一个虚页 可以调入任何一个实页。
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3.7 高速缓冲存储器CacheCache引入:•为解决CPU和主存之间的速度差距,提高整机的运算速度,在CPU和主存之间插入的由高速电子器件组成的容量不大,但速度很快的存储器。
组成:由高速小容量的SRAM和高速缓存控制器组成。
Cache特点：•存取速度快（数倍于主存），容量小，价格高，存储控制和管理由硬件实现。
•透明性：由于转换速度快，软件人员丝毫未感到Cache的存在，这种特性称为Cache的透明性。
程序访问的局部性•在较短时间内，由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。
这种对局部的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址范围甚少的现象就称为程序访问的局部性。
Cache功能: 将CPU当前快要用到的部分数据块由主存复制到容量小、速度快的Cache 中,再由Cache 向CPU 直接提供它所需要的数据。
Cache内部存放的是部分主存内容的副本。
CPU与Cache之间的数据交换是以字为单位，而Cache与主存之间的数据交换是以块(页）为单位，一个块（页）是由若干字组成，是定长度的。
Cache内部是用同主存内部同样大小的块组成，由于Cache存储容量小，所以块的数目少。
在Cache中，每一块外加有一个标记，指明它是主存的哪一块的副本，所以该标记的内容相当于主存中块的编号，块内字节数与主存相同。
CPU送出主存（大）地址，命中（hit），此大地址变换成Cache（小）地址并送Cache，将读出的字传送到CPU的DB；不命中（miss），主存将读出的字送到DB，同时，将该字所在块（若干个字）送到Cache，若Cache中可以装入就直接写入，不能装入就根据一定的算法进行置换。
地址映像：访问前，用某种函数或规则使主存地址与Cache地址具有某种逻辑对应关系，即把主存地址定位到Cache中。
地址变换：访问时，将主存地址按映像规则换成Cache地址的过程。
Cache的基本映像方式：•全相联映像•直接映像•组相联映像允许主存中的每一个字块映像到Cache存储器的任何一个字块位置上，也允许从确实已被占满的Cache存储器中替换出任何一个旧字块。
标记位数多，是主存总位数减去块内的位数，使Cache标记容量加大。
访问Cache时，需要和Cache的全部标记进行比较，才能判断出所访主存地址的内容是否已在Cache中。
全部“比较”操作都要用硬件实现，通常由“按内容寻址的”相联存储器完成。
在具体操作时需要设立一个块号对照表，凡已装入Cache 中的主存块号其标识位都要置1，以便快速使用。
全相联映像方式是最灵活，但成本最高的一种方式。
实际中较少使用。
全相联映象主存中的任一块可以映象到缓存中的任一块。
字块2m －1字块2c －1字块1字块0……字块2c －1字块1字块0…标记标记标记主存字块标记字块内地址主存地址m = t + c 位b 位m =t +cCache 存储器主存储器直接映像函数可定义为：j= i mod 2c其中，j 是Cache 的字块号，i 是主存的字块号，主存中有2m 个块，字块大小为2b 字，Cache中有同样大小的2c 个块。
c是Cache高位地址位数,b是Cache低位地址位数。
先将主存分成与Cache同样大小的若干个区（组），每个区中的某个块只能固定调入Cache 中的对应块，如第0 块，第2c 块，第2c+1块，…，只能映像到cache 的第0 块，而主存的第1 块，第2c＋1块，第2c+1+1块，…,只能映像到Cache的第1块等。
对应关系是固定的并有一定限制。
字块2m －1字块2c +1字块2c +1－1字块2c +1字块2c 字块2c －1字块1字块0………主存储体字块1标记字块0标记字块2c －1标记Cache 存储体t 位01C －1…字块字块地址主存字块标记t 位c 位b 位主存地址比较器（t 位）=≠不命中有效位=1？*m 位Cache内地址否是命中每个缓存块i 可以和若干个主存块对应每个主存块j 只能和一个缓存块对应i = j mod C直接映像cache 组织优点：实现简单，只需利用主存地址，按某些字段直接判断，即可确定所需字块是否已在Cache存储器中。
缺点：不够灵活，即主存的2t个字块只能对应唯一的Cache存储器字块。
因此，即使Cache存储器别的许多地址空着也不能占用。
这使得Cache存储空间得不到充分利用，并降低了命中率。
组相联映像方式是直接映像和全相联映像方式的一种折中方案。
即在高速缓冲区内将其容量先分成以组为单位，然后每组内再包含若干页。
组相联映像方式的性能与复杂性介于直接映像与全相联映像之间。
设Cache共包含2c个字块，按组划分，每组包含2r个字块，即可分为Q=2c-r个组，其映像关系为：•j=(i mod Q)×2r +h (0≤h ≤2r-1),其中，j 是Cache 的字块号，i 是主存的字块号。
当r = 0 时，它就成为直接映像方式,当r = c 时，就是全相联映像方式。
也就是各组是直接映像方式，组内的页执行的是全相联映像方式。
命中与未命中缓存共有C 块主存共有M 块M >> C主存块调入缓存主存块与缓存块建立了对应关系用标记记录与某缓存块建立了对应关系的主存块块号命中未命中（失效）主存块与缓存块未建立对应关系主存块未调入缓存3.7.3 Cache的命中率Cache的命中率•设N C 表示Cache 完成存取的总次数，N m 表示主存完成存取的总次数，h 定义为命中率，则有h= N C /(N C + N m ) 命中率：CPU所要访问的信息在Cache中的比率。
h= 访问到Cache的次数/所有访问的次数 Cache的命中率与地址映像的方式和Cache的容量有关。
Cache容量大,则命中率就高，但达到一定容量后，命中率的提高就不明显了。
ta= htc+(1-h)(tm+tc)= tc+(1-h)tm≈htc+(1-h)tm（Cache访问和主存访问同时启动）访问效率：设r=tm/tc表示主存慢于Cache的倍率，则访问效率e为：e=tc/ta=tc/[htc+(1-h)tm]=1/[h+(1-h)r=1/[r+(1-r)h]为提高访问效率，h 接近1 好。
一、单项选择题：1．存储器是计算机系统的记忆设备，它主要用来存放__D___。
A．数据B．程序C．微程序D．程序和数据2．计算机的存储系统是指__ D ____。
A．RAM B．ROM C．主存储器D．Cache、主存储器和辅助存储器3．若某单片机的系统程序不允许用户在执行时改变，则可以选用 C 作为存储芯片。
A．SRAM B．Cache C．EEPROM D．辅助存储器4．与外存储器相比，内存储器的特点是__C___。
A. 容量大、速度快、成本低B．容量大、速度慢、成本高C．容量小、速度快、成本高D．容量小、速度快、成本低5．下列存储器中，属于非易失性存储器的是__D____。
A．RAM B．静态存储器C．动态存储器D．ROM6．下列部件中存取速度最快的是___A___。
A．寄存器B．Cache C．内存D．外存7.设某静态RAM 芯片容量为8K×8位，若由它组成32K×8的存储器，所用的芯片数及这种芯片的片内地址线的数目分别是A___。
A．4片，13根B．4片，12根C．6片，11根D．4片，16根8．存储器随机访问方式是___D___。
A ．可随意访问存储器B ．按随机文件访问存储器C ．可对存储器进行读出与写入D ．可按地址访问存储器任一编址单元，其访问时间相同且与地址无关9.半导体静态存储器SRAM能够存储信息是 A 。
A．依靠双稳态电路B．依靠定时刷新C．依靠读后再生D．信息不再变化10．在主存和CPU之间增加Cache的目的是__ C ____A．增加内存容量B．提高内存的可靠性C．解决CPU与内存之间的速度匹配问题D．增加内存容量，同时加快存取速度A．只能在CPU以外B．CPU内外都可设置CacheC．只能在CPU以内D．若存在Cache，CPU就不能再访问内存12. 下列因素下，与Cache的命中率无关的是__A__。
A.主存的存取时间B.块的大小C.Cache的组织方式D.Cache的容量13．直接映像的优点不包括__D___A．地址变换速度快B．操作简单C．不需替换策略D．命中率高14. 如果一个高速缓存系统中，主存的容量为12MB，Cache 的容量为400KB，则该存储系统的总容量为 B 。
A.12MB+400KBB.12MBC.400KBD.12MB-400KB15. 下列有关RAM和ROM的叙述中，正确的是__A__。
I、RAM是易失性存储器，ROM是非易失性存储器II、RAM和ROM都是采用随机存取的方式进行信息访问III、RAM和ROM都可用作CacheIV、RAM和ROM都需要进行刷新A. 仅I和IIB. 仅II和IIIC.仅I, II，IIID. 仅II，III，IV1．有一主存—Cache层次的存储器，其主存容量1MB，Cache容量64KB，每块8KB，采用直接映像方式。
（1）求主存地址格式？（2）求主存地址为27301H的单元位于主存的哪个区？可映像到Cache的哪个块？解：（1）Cache容量64KB=216B，每块8KB=213B，所以块内地址为13位，块地址为16－13=3位，又因主存容量1MB=220B，所以标记为20－16=4位。
主存的地址分为三段：标记（区号）、Cache块地址（块号）、块内地址号。
分别为标记4位、块号3位、块内地址为13位。
块内地址（13位）Cache字块地址（3位）字块标记（4位）（2）27301H= 001001110011 0000 0001B，所以区号=0010B，块号=011B，块内地址=1 0011 0000 0001B。
25301H的单元位于主存的2区，可映像到Cache的第3块19 16 15 13 12 0主存地址格式如下：二、综合题2. 某计算机的主存容量为1MB，按字节编址。
假定共有8个Cache行（Cache行号从0开始），每个Cache行大小为64B，采用直接映像方式。
则主存标记（Tag）字段的位数应为多少？36CH 号单元所在的主存块应放入的Cache行号是什么？解：每块64B=26B，所以块内地址为6位，8个Cache行，行（块）地址为3位，又因主存容量1MB=220B，所以标记（Tag）字段为20－3-6=11位。
主存的地址分为三段：标记（区号）、Cache行地址（行号）、行内地址号。
分别为标记11位、行号3位、行内地址为6位。
36CH=0011 0110 1100 B =001 101101100 B36CH 号单元所在的主存块应放入的Cache行号为5。