2024年度第6章存储器ppt教案

在分段系统的基础上，增加了请求调段和段置换功能。当 需要访问的段不在内存中时，会产生缺段中断，系统将外 存中相应的段调入内存。
请求段页式系统
结合了请求分页和请求分段两种系统的优点，既具有分页 系统的内存管理效率，又具有分段系统的灵活性和便于共 享的优点。
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虚拟存储器的性能分析
• 命中率：指访问内存时能够直接命中的概率，即所需页面已经在内存中的概率 。命中率越高，虚拟存储器的性能越好。
才能访问该单元。
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内存扩充技术
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覆盖技术
将程序分为多个段，常用的段常驻内存，不常用的段在需 要时调入内存。
交换技术
将内存中暂时不能运行的进程或暂时不用的程序和数据换 出到外存上，以腾出足够的内存空间，再把已具备运行条 件的进程或进程所需的程序和数据换入内存。
虚拟存储技术
利用大容量的外存来扩充内存，产生一个比实际内存空间 大得多的虚拟内存空间。
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存储器的层次结构
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主存储器
也称为内存，用于暂时存 放CPU中的运算数据，与 硬盘等外部存储器交换的 数据。
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辅助存储器
也称为外存，是主存储器 的扩充，用于存放系统文 件和大型文件。
缓冲存储器
位于主存储器和CPU之间 ，用于缓解主存储器和 CPU之间速度不匹配的矛 盾。
包括硬盘、软盘等，具有存储容量大 、价格相对较低、数据可长期保存等 特点。
包括存储容量、数据传输速率、寻道 时间、旋转延迟时间等。
磁盘存储器的读写原理
通过磁头在磁盘表面读写数据，利用 磁性材料的磁化状态来记录二进制信 息。
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光盘存储器
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光盘存储器的类型和特点
包括CD、DVD、蓝光光盘等，具有存储容量大 、价格适中、数据可长期保存等特点。
第6章存储器ppt教案
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目录
• 存储器概述 • 主存储器 • 辅助存储器 • Cache存储器 • 虚拟存储器 • 存储器管理策略
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存储器概述
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存储器的定义与分类
定义
存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
分类
按存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器等；按存取方 式可分为随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、顺序存取存储器（ SAM）和直接存取存储器（DAM）等。
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Cache存储器的地址映像
直接映像
每个主存块只能映射到Cache中 的唯一指定位置。优点是硬件实 现简单，缺点是冲突率高，可能
导致Cache空间利用率降低。
全相联映像
主存中的任一块都可以映射到 Cache中的任意位置。优点是灵 活，Cache利用率高，缺点是硬
件实现复杂，查找速度慢。
音等特点。
固态盘存储器的读写原理
02
通过控制芯片在闪存芯片上进行读写操作，利用闪存芯片的电
荷状态来记录二进制信息。
固态盘存储器的性能指标
03
包括存储容量、读写速度、IOPS（每秒进行读写操作的次数）
等。
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Cache存储器
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Cache存储器的基本原理
要点一
局部性原理
程序在执行时，往往呈现出局部性规 律，即在一段时间内，CPU访问的数 据和指令通常集中在存储器的一个较 小区域。Cache利用这一原理，将近 期可能用到的数据和指令提前加载到 高速缓存中。
• 缺页率：指访问内存时产生缺页中断的概率。缺页率越低，虚拟存储器的性能 越好。
• 页面置换算法：当内存空间不足时，需要选择某些页面进行置换。不同的页面 置换算法会对虚拟存储器的性能产生不同的影响。常见的页面置换算法有先进 先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）、最不经常使用（LFU）等。
• 内存分配策略：不同的内存分配策略也会对虚拟存储器的性能产生影响。例如 ，固定分配策略将内存空间固定分配给各个进程，而可变分配策略则根据进程 的实际需求动态分配内存空间。
组相联映像
结合了直接映像和全相联映像的 特点，将Cache分成若干组，每 组内采用全相联映像。这样既保 证了映射的灵活性，又降低了硬
件实现的复杂度。
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Cache存储器的替换算法
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先进先出（FIFO）算法
选择最早调入Cache的块进行替换。实现简单，但未考虑块的访问频 率，可能导致性能不佳。
段式编址
将主存空间划分为若干个 段，每个段内独立编址， 段间通过段基址和段内偏 移进行访问。
页式编址
将主存空间划分为大小相 等的页，每个页内独立编 址，页间通过页号和页内 偏移进行访问。
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主存储器的读写操作
读操作
CPU通过地址总线将欲访问的存储单元的地址送到地址寄存器中，然后发出读命令，控制电路根据地址译码器的 输出选择对应的存储单元，将数据读出并送到数据寄存器中，最后数据通过数据总线送回CPU。
01
界限寄存器
通过一对界限寄存器存放进程的上下界地址，CPU访问内存时检查访问
地址是否在上下界之间。
02
基址寄存器和限长寄存器
基址寄存器存放进程在内存中的起始地址，限长寄存器存放进程的长度
，CPU访问内存时将访问地址与基址寄存器和限长寄存器进行比较。
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保护键法
为每个被保护单元设一把锁和一把钥匙，程序执行时只有钥匙与锁匹配
最近最少使用（LRU）算法
选择最近一段时间内最少被访问的块进行替换。考虑了访问的时间局 部性，性能较好，但需要记录块的访问历史，实现较复杂。
最不经常使用（LFU）算法
选择一段时间内访问次数最少的块进行替换。考虑了访问的频率局部 性，但需要记录块的访问次数，实现较复杂。
随机替换算法
随机选择一块进行替换。实现简单，但性能不稳定，可能导致重要数 据被替换。
写操作
CPU通过地址总线将欲访问的存储单元的地址送到地址寄存器中，同时将要写入的数据通过数据总线送到数据寄 存器中，然后发出写命令，控制电路根据地址译码器的输出选择对应的存储单元，将数据写入该单元中。
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03
辅助存储器
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磁盘存储器
磁盘存储器的类型和特点
磁盘存储器的性能指标
要点二
Cache与主存的层次 结构
Cache位于CPU和主存之间，构成一 个层次结构。CPU首先访问Cache， 若Cache中有所需数据（命中），则 直接读取；否则（未命中），再从主 存中读取，并同时将该数据块调入 Cache。
要点三
Cache的读写操作
对Cache的读操作，根据地址判断数 据是否在Cache中，若在则直接读取 ；若不在，则从主存中读取并调入 Cache。对Cache的写操作，可采用 写直达法（同时写入Cache和主存） 或写回法（只写入Cache，当该块被 替换时再写回主存）。
5
存储器的性能指标
01
02
03
04
存储容量
指存储器可以容纳的二进制信 息量，通常用字节（Byte）
或位（bit）来表示。
存取时间
指从启动一次存储器操作到完 成该操作所经历的时间，分为
读出时间和写入时间。
存储周期
指连续启动两次独立的存储器 操作所需间隔的最小时间，通 常用来衡量主存储器的性能。
可靠性
光盘存储器的读写原理
通过激光束在光盘表面读写数据，利用光盘表面 的反射和透射特性来记录二进制信息。
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光盘存储器的性能指标
包括存储容量、数据传输速率、访问时间等。
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固态盘存储器
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固态盘存储器的类型和特点
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包括SSD、USB闪存盘等，具有读写速度快、抗震抗摔、无噪
优点
虚拟存储器技术可以扩大内存的容量，提高内存的利用率，同时为用户提供一个统一的、 连续的、可扩展的地址空间。
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虚拟存储器的实现方式
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请求分页系统
在分页系统的基础上，增加了请求调页和页面置换功能。 当需要访问的页面不在内存中时，会产生缺页中断，系统 将外存中相应的页面调入内存。
请求分段系统
地址译码器
将地址寄存器中的地址信号翻译 成对应存储单元的选择信号。
存储体
主存储器的主体部分，由大量存 储单元组成，用于存储数据和指 令。
控制电路
根据CPU的命令控制主存储器的 读写操作。
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主存储器的编址方式
线性编址
将主存空间看作一维的线 性空间，地址从0开始顺序 编址。
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THANKS
感谢观看
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虚拟存储器
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虚拟存储器的基本概念
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定义
虚拟存储器是一种计算机存储管理技术，它通过硬件和软件的结合，为用户提供比实际物 理内存更大的可用内存空间。
原理
虚拟存储器利用外存（如硬盘）作为后援存储器，将部分不常用的程序和数据从内存调出 到外存，以腾出空间存放新的程序和数据。同时，通过地址映射机制，使用户程序能够透 明地访问这些被调出到外存的程序和数据。
指存储器在规定的条件下和规 定的时间内，完成规定的功能
的能力。
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主存储器
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主存储器的基本组成
数据寄存器（MDR）
地址寄存器（MAR）
用于存放欲访问的存储单元的地 址，其位数对应存储单元的个数 。
用于存放从存储体某单元取出的 代码或者准备往某存储单元存入 的代码。
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存储器管理策略
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内存分配策略
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连续分配策略
为进程分配连续的内存空间，包 括单一连续分配、固定分区分配 和动态分区分配。
非连续分配策略
允许进程分散地装入内管理。
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内存保护机制