计算机组成原理第三章存贮系统

03
辅助存贮器
辅助存贮器的类型与特点
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磁带
以磁记录方式保存信息， 容量大、价格低、速度慢。
磁盘
以磁记录方式保存信息， 存取速度较快、容量较大、 价格适中。
光盘
以光记录方式保存信息， 容量大、价格低、速度较 慢。
磁盘存贮器的工作原理与性能指标
工作原理
磁盘存贮器采用磁记录方式，在磁盘表面涂有一层磁性材料，通过磁头在磁盘表面的读写操作来实现信息的存储 和读取。
实现方式
虚拟存贮器的实现方式主要有请求分页和请求分段两种。在请求分页方式下，系统将程序的页面按照 需要加载到物理内存中，并通过页表来管理页面的映射关系。在请求分段方式下，系统将程序划分为 多个逻辑段，每个段对应一个连续的地址空间，并通过段表来管理段的映射关系。
请求分页管理方式下的虚拟存贮器
• 请求分页的基本原理：请求分页是一种基于页面的虚拟存贮器管理方式。它将 程序的页面按照需要加载到物理内存中，并通过页表来管理页面的映射关系。 当程序需要访问某个页面时，系统会检查该页面是否已经在物理内存中，如果 不在，则会产生一个页面请求，将所需的页面从外存中加载到物理内存中。
存储效率
随着数据量的增长，存储效率成为一个重要问题，包括如何提高存储 设备的利用率、降低存储成本等。
管理复杂性
随着存贮系统规模的扩大和复杂性的增加，管理复杂性也在不断提高， 如何简化管理、提高管理效率是一个重要问题。
未来存贮系统的展望
全闪存阵列 随着闪存技术的不断成熟和成本 的降低，全闪存阵列将成为未来 存贮系统的一个重要发展方向。
智能化存储 通过人工智能、机器学习等技术 手段，实现存贮系统的智能化管 理和优化，提高存储资源的利用 率和性能表现。
软件定义存储 通过软件定义存储技术，可以实 现存储资源的灵活配置和管理， 提高存储资源的利用率和管理效 率。
分布式存储 分布式存储技术可以提高存储系 统的可扩展性和可靠性，是未来 存贮系统的一个重要发展方向。
• 请求分页的实现过程：在请求分页方式下，系统需要维护一个页表来记录每个 页面的映射关系。页表中包含了每个页面的页号、物理块号以及页面的访问权 限等信息。当程序需要访问某个页面时，系统会首先通过页表来查找该页面的 物理块号，如果找到，则直接访问物理内存中的对应页面；如果找不到，则会 产生一个页面请求，将所需的页面从外存中加载到物理内存中，并更新页表。
VS
优化方法
为了提高Cache的性能，可以采用以下优 化方法：增加Cache容量、提高Cache的 访问速度、优化替换算法和写策略、采用 多级Cache结构等。
05
虚拟பைடு நூலகம்贮器
虚拟存贮器的概念与实现方式
虚拟存贮器的概念
虚拟存贮器是一种存储管理技术，它允许程序使用比实际物理内存更大的内存空间。虚拟存贮器通过 将程序划分为多个大小固定的块（称为页面），并将这些页面映射到物理内存中的不同位置，从而实 现了内存的高效利用。
泛的应用前景。
04
Cache存贮器
Cache存贮器的组成与工作原理
Cache存贮器的基本结构
由高速的SRAM组成，位于CPU和主存之间，用于缓存CPU频繁访问的数据和指令。
Cache的工作原理
基于局部性原理，利用程序访问的局部性特征，把程序中正在使用的部分数据或指令复制到 Cache中，使CPU能够直接访问Cache，减少访问主存的次数，提高程序运行速度。
• 请求分页的优缺点：请求分页的优点在于可以充分利用物理内存的空间，实现 内存的高效利用；同时，由于页面大小固定，管理起来相对简单。但是，请求 分页也存在一些缺点，例如页面置换算法可能导致抖动现象（即频繁地换入换 出页面），影响系统性能。
请求分段管理方式下的虚拟存贮器
• 请求分段的基本原理：请求分段是一种基于段的虚拟存贮器管理方式。它将程 序划分为多个逻辑段，每个段对应一个连续的地址空间，并通过段表来管理段 的映射关系。当程序需要访问某个段时，系统会检查该段是否已经在物理内存 中，如果不在，则会产生一个段请求，将所需的段从外存中加载到物理内存中 。
性能指标
磁盘存贮器的性能指标主要包括存储容量、存取时间、数据传输速率和可靠性等。其中，存储容量指磁盘可以存 储的总数据量；存取时间指从发出读写命令到完成读写操作所需的时间；数据传输速率指单位时间内可以传输的 数据量；可靠性则是指磁盘在长时间使用过程中保持数据稳定性和可读写性的能力。
光盘存贮器的工作原理与性能指标
存贮器的分类与发展
分类
根据存储介质的不同，存贮器可分为半导体存储器、磁表面存 储器和光表面存储器等。半导体存储器如RAM和ROM，磁表 面存储器如硬盘和磁带，光表面存储器如光盘。
发展
随着技术的不断进步，存贮器的容量不断增大，速度不断提 高，价格不断降低。未来，新型存储器技术如生物存储、光 存储和量子存储等将不断涌现，为计算机存贮系统的发展带 来新的机遇和挑战。
工作原理
光盘存贮器采用光记录方式，在光盘表面涂有一层特殊的光学材料，通过激光束在光盘 表面的读写操作来实现信息的存储和读取。
性能指标
光盘存贮器的性能指标主要包括存储容量、数据传输速率和可靠性等。其中，存储容量指光盘可以存储的总 数据量；数据传输速率指单位时间内可以传输的数据量；可靠性则是指光盘在长时间使用过程中保持数据稳 定性和可读写性的能力。此外，光盘存贮器还具有价格低、携带方便等优点，因此在某些应用场景下具有广
• 请求分段的优缺点：请求分段的优点在于可以方便地实现程序的模块化设计和 信息共享等功能；同时，由于每个段对应一个连续的地址空间，可以简化地址 转换过程。但是，请求分段也存在一些缺点，例如段的长度不固定可能导致内 存碎片问题；同时，由于每个段都需要单独进行地址转换和访问控制等操作， 可能会增加系统开销。
存贮系统的主要功能是存储和访问数 据，它提供了对数据的永久保存和快 速访问的能力，使得计算机能够高效 地运行各种应用程序。
存贮系统的层次结构
主存
主存是计算机中最重要的存储器 之一，它与CPU直接相连，用于 存储当前正在运行的程序和数据。 主存通常采用DRAM技术实现，
具有容量大、速度快的特点。
辅存
时序控制逻辑
产生存储器操作所需的时序信号。
主存贮器的性能指标
存储容量
主存贮器可以存储的总字节数，通常以KB、MB、GB等 单位表示。
存取时间
从CPU发出访问请求到主存响应并返回数据所需的时间， 通常以纳秒（ns）为单位表示。
存储周期
连续两次独立的存储器操作（如连续两次读或写操作）所需 的最小间隔时间，通常以纳秒（ns）为单位表示。
06
存贮系统的发展趋势与挑 战
存贮系统的发展趋势
容量不断增长
速度不断提升
随着数据量的爆炸式增长，存贮系统的容 量也在不断攀升，以满足日益增长的存储 需求。
存贮系统的读写速度在不断提高，以满足 高性能计算和实时数据处理等应用的需求 。
智能化管理
绿色节能
存贮系统正在向智能化管理方向发展，通 过自动化、智能化的管理手段，提高存储 资源的利用率和管理效率。
写策略
对于写操作，Cache可以采用写直达法或写回法。写直达法是指写操作时既写 入Cache又写入主存；写回法是指写操作时只写入Cache，当该数据块被替换出 Cache时才写回主存。
Cache的性能指标与优化方法
性能指标
评价Cache性能的主要指标有命中率、访 问时间、带宽等。命中率是指CPU访问 Cache时能够命中的数据或指令所占的比 例；访问时间是指从发出访问请求到获 得所需数据的时间；带宽是指单位时间 内Cache与CPU或主存之间传输的数据量 。
THANKS
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02
主存贮器
主存贮器的组成与工作原理
主存贮器的基本组成
包括存储体、地址译码器、驱动电路、读写 电路和时序控制逻辑等部分。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储单元可以存储 一个二进制代码。
地址译码器
将CPU送来的地址码转换成对应存储单元的选择 信号。
驱动电路
用于驱动存储器的读写操作。
读写电路
根据CPU的控制信号，执行对存储单元的读写操 作。
计算机组成原理第三 章存贮系统
目录
• 存贮系统概述 • 主存贮器 • 辅助存贮器 • Cache存贮器 • 虚拟存贮器 • 存贮系统的发展趋势与挑战
01
存贮系统概述
存贮系统的定义与功能
存贮系统的定义
存贮系统是指计算机中用于存储程序 和数据的设备或部件，它是计算机的 重要组成部分之一。
存贮系统的功能
Cache的读写操作
当CPU需要读取数据时，首先判断所需数据是否在Cache中，若在则直接读取；若不在， 则从主存中读取并同时将该数据块调入Cache。当CPU需要写入数据时，可采用写直达法 或写回法将数据写入Cache或主存。
Cache的替换算法与写策略
替换算法
当Cache空间不足以容纳新调入的数据块时，需要替换出Cache中的某些数据 块。常见的替换算法有先进先出（FIFO）算法、最近最少使用（LRU）算法、 最不经常使用（LFU）算法等。
寻址方式
包括直接寻址、间接寻址、寄存器寻址和基址寻址等。 直接寻址是指操作数直接存放在内存单元中，其有效地 址EA（Effective Address）就是指令中的形式地址A。 间接寻址是指操作数所在内存单元的地址通过存储器间 接给出。寄存器寻址是指操作数包含在寄存器中，寄存 器的名称由指令指定。基址寻址是将基址寄存器BX或 BP的内容加上偏移量DISP。
存储器带宽
单位时间内主存贮器与CPU之间传输的数据量，通常以字 节/秒（B/s）或位/秒（b/s）表示。
主存贮器的编址方式与寻址方式
编址方式
包括字节编址、字编址和块编址等。字节编址以一个 字节为编址单位，字编址以一个字（通常为2个字节 或4个字节）为编址单位，块编址则以一块（包含多 个字）为编址单位。
• 请求分段的实现过程：在请求分段方式下，系统需要维护一个段表来记录每个 段的映射关系。段表中包含了每个段的段号、基址、长度以及段的访问权限等 信息。当程序需要访问某个段时，系统会首先通过段表来查找该段的基址和长 度等信息，然后计算出所需数据的物理地址并进行访问；如果该段不在物理内 存中，则会产生一个段请求，将所需的段从外存中加载到物理内存中，并更新 段表。
辅存是计算机中的外部存储器， 如硬盘、固态硬盘等。辅存的容 量通常比主存大得多，但访问速 度较慢。辅存主要用于长期保存
大量数据。
缓存
缓存是位于CPU和主存之间的一 种高速存储器，它采用SRAM技 术实现。缓存的作用是暂时存储 CPU频繁访问的数据和指令，以 减少对主存的访问次数，从而提
高计算机的运行速度。
随着环保意识的提高，存贮系统也在向绿 色节能方向发展，采用低功耗、高能效的 技术和设备，降低能耗和运营成本。
存贮系统面临的挑战与问题
数据安全性
随着网络攻击和数据泄露事件的增多，保障存贮系统中数据的安全性 成为一项重要挑战。
数据一致性
在分布式存储系统中，如何保障数据的一致性和可用性是一个关键问 题。