新第6章物理存储结构资料讲解
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内存的物理结构和工作原理
内存的物理结构和工作原理内存是计算机中的重要硬件组件，用于存储和读写数据。
它的物理结构和工作原理对于了解计算机的运行机制和性能优化都非常重要。
下面将详细介绍内存的物理结构和工作原理。
物理结构：大容量内存：大容量内存通常指的是主存或后插式固态硬盘（SSD），它们都采用了类似的物理结构。
主存是计算机中最常见的大容量内存，通常被安装在计算机的主板上。
主存由一个或多个内存模块组成，每个内存模块由许多存储单元组成。
存储单元是存储数据的最小单元，通常由一个或多个存储器芯片组成。
每个存储芯片由若干个单元阵列（Memory Array）组成，每个单元阵列由若干个存储单元组成。
存储单元通过电路连接到地址总线和数据总线，可以根据地址读取或写入数据。
小容量内存：小容量内存通常指的是高速缓存（Cache）和寄存器（Register），它们位于计算机的不同层级，以满足不同的访问速度要求。
高速缓存是位于处理器核心附近的一层内存，用于存储临时数据和指令，加速CPU对内存的访问。
高速缓存采用分级的物理结构，如L1、L2和L3缓存。
L1缓存最接近处理器核心，速度最快，但容量最小；L2和L3缓存容量逐级增大，速度逐级下降。
高速缓存通常由静态随机存储器（SRAM）组成，它比主存的动态随机存储器（DRAM）读写速度更快。
寄存器是位于处理器内部的存储器，用于存储处理器执行指令所需的操作数和结果。
寄存器的数量有限且固定，每个寄存器的容量较小，但访问速度非常快。
工作原理：内存的工作原理可以分为读取和写入两个过程。
读取：当计算机需要读取内存中的数据时，首先将读取的地址通过地址总线发送给内存控制器。
内存控制器将地址解码并选择对应的存储单元。
存储单元将数据通过数据总线发送给计算机，计算机将数据存储在寄存器或高速缓存中，供后续处理器或其他设备使用。
读取过程中需要注意的是数据的传输速率和延迟。
写入：当计算机需要向内存中写入数据时，首先将要写入的数据通过数据总线发送给内存控制器。
第6章数据库存储结构
（３）常用于定长记录文件，删除一个记录时，总是 把文件末尾记录移到被删记录位置。
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31
6.3.2 有序文件 有序文件是指记录按某个（或某些）域的值的大
小顺序组织，一般最为常用的是按关键字的升序 或降序排列，即每个记录增加一个指针字段，根 据主键的大小用指针把记录链接起来。 文件中每个记录增加一个指针字段，根据查找键 的大小用指针把记录连接起来。
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6.3.3 聚集文件
文件允许一个文件有多个关系的记录组成， 即记录类型文件。
例：可以把有关一个人的全部记录信息放在 相邻的位置，按人查找信息时就会很方便。
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图6.10 插入一个记录后的顺序文件
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图6.11 聚集文件例子
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图6.9 顺序文件
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有序文件操作 删除：只需修改指针即可。同定长记录的方法三 插入：
1）定位：找到要插的位置。按查找键的顺序 2）插入：在找到记录的块内，如果自由空间 有空闲纪录，那么插入；若没有就插入到溢出块中。 在初始的时候，可以保持无力顺序和查找键的顺序 一致，以提高速度，若多次操作后变化很大，有必 要重新组织一次。
⑵由于 HASH 桶的数量一成不变，当 文件记录较少时 ，影响记录的存取效率。
第六章 数据库存储结构
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主要内容
6.1 数据库存储设备 6.2 文件组织 6.3 文件结构 6.4 索引技术
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6.1数据库存储设备
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6.3.2 有序文件 有序文件是指记录按某个（或某些）域的值的大
小顺序组织，一般最为常用的是按关键字的升序 或降序排列，即每个记录增加一个指针字段，根 据主键的大小用指针把记录链接起来。 文件中每个记录增加一个指针字段，根据查找键 的大小用指针把记录连接起来。
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6.3.3 聚集文件
文件允许一个文件有多个关系的记录组成， 即记录类型文件。
例：可以把有关一个人的全部记录信息放在 相邻的位置，按人查找信息时就会很方便。
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图6.10 插入一个记录后的顺序文件
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图6.11 聚集文件例子
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图6.9 顺序文件
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有序文件操作 删除：只需修改指针即可。同定长记录的方法三 插入：
1）定位：找到要插的位置。按查找键的顺序 2）插入：在找到记录的块内，如果自由空间 有空闲纪录，那么插入；若没有就插入到溢出块中。 在初始的时候，可以保持无力顺序和查找键的顺序 一致，以提高速度，若多次操作后变化很大，有必 要重新组织一次。
⑵由于 HASH 桶的数量一成不变，当 文件记录较少时 ，影响记录的存取效率。
第六章 数据库存储结构
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主要内容
6.1 数据库存储设备 6.2 文件组织 6.3 文件结构 6.4 索引技术
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6.1数据库存储设备
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。
操作系统第六章存储(参考课件)
保存现场
软 件
该页面修改过
T 写回外存
完 成
读入所需页面
更新页表和快表
恢复现场
5
对页表的改进：
逻辑页号 … p ...
页框号 外存块号 内外标识 访问权限 修改标志
...
...
…
...
...
f
b’
(0,1)
{r,w,e} (0,1)
...
...
…
...
...
对快表的改进：
逻辑页号 页框号 访问权限 修改标志
(1)程序结构； (2)程序在不同时刻的行为特性。
7
6.5.1.3 外存块的分配策略 1. 静态分配 外存保持进程的全部页面： 优点：速度快--淘汰时不必写回(未修改情况) 缺点：外存浪费 2. 动态分配 外存仅保持进程不在内存的页面： 优点：节省外存 缺点：速度慢--淘汰时必须写回
8
6.5.1.4 页面调入时机 1. 请调(demand paging) upon page fault, 发生缺页中断时调入。 2. 预调(prepaging) before page fault, 将要访问时调入(根据程序顺序行为， 不一定准） 预调必须辅以请调。
6.4 外存资源管理
Swap File 输入 输出
空间 空间 井
井
外存空间划分
静态等长，2i, 称为一块(block)，块是外存 分配的基本单位，也是IO传输的基本单位。
外存空间分配
空闲块链(慢) 空闲块表(UNIX) 字位映像图
1
进程与外存对应关系
界地址
每进程占一组外存连续块； 每进程占二组外存连续块（双对界）。
211 1 15
第6章演示
返回
二叉树的性质
性质1：二叉树第i层上的结点数目最多为2i-1(i≥1)。 性质2：深度为k的二叉树至多有2k-1个结点(k≥1)。 性质3：在任意一棵二叉树中，若终端结点的个数为 n0，度为2的结点数为n2，则n0=n2+1。
返回
满二叉树和完全二叉树
满二叉树和完全二叉树是二叉树的两种特殊情形。 1、满二叉树(FullBinaryTree) 一棵深度为k且有2k-1个结点的二叉树称为满二叉树。 满二叉树的特点： (1)每一层上的结点数都达到最大值。即对给定的高度， 它是具有最多结点数的二叉树。 (2)满二叉树中不存在度数为1的结点，每个分支结点 均有两棵高度相同的子树，且树叶都在最下一层上。
满二叉树和完全二叉树
2、完全二叉树(Complete BinaryTree) 若一棵二叉树至多只有最下面的两层上结点的度 数可以小于2，并且最下一层上的结点都集中在该层 最左边的若干位置上，则此二叉树称为完全二叉树。 具有n个结点，其形状与满二叉树按层编号的前n 个结点的位置顺序一一对应。 完全二叉树的特点： (1)满二叉树是完全二叉树，完全二叉树不一定是满二 叉树。 (2)在满二叉树的最下一层上，从最右边开始连续删去 若干结点后得到的二叉树仍然是一棵完全二叉树。 (3)在完全二叉树中，若某个结点没有左孩子，则它一 定没有右孩子，即该结点必是叶结点。
祖先(Ancestor)和子孙(Descendant) ①路径（path） 注意： 若一个结点序列是路径，则在树的树形图表示中， 该结点序列“自上而下”地通过路径上的每条边。 从树的根结点到树中其余结点均存在一条惟一的 路径 。 A B E K L F C G H M D I J
祖先(Ancestor)和子孙(Descendant) ②祖先(Ancestor)和子孙(Descendant) 若树中结点k到ks存在一条路径，则称k是ks的祖 祖 先(Ancestor)，ks是k的子孙 子孙(Descendant)。 子孙 一个结点的祖先是从根结点到该结点路径上所经 过的所有结点，而一个结点的子孙则是以该结点为根 的子树中的所有结点。 约定： 结点k的祖先和子孙不包含结点k本身。
二叉树的性质
性质1：二叉树第i层上的结点数目最多为2i-1(i≥1)。 性质2：深度为k的二叉树至多有2k-1个结点(k≥1)。 性质3：在任意一棵二叉树中，若终端结点的个数为 n0，度为2的结点数为n2，则n0=n2+1。
返回
满二叉树和完全二叉树
满二叉树和完全二叉树是二叉树的两种特殊情形。 1、满二叉树(FullBinaryTree) 一棵深度为k且有2k-1个结点的二叉树称为满二叉树。 满二叉树的特点： (1)每一层上的结点数都达到最大值。即对给定的高度， 它是具有最多结点数的二叉树。 (2)满二叉树中不存在度数为1的结点，每个分支结点 均有两棵高度相同的子树，且树叶都在最下一层上。
满二叉树和完全二叉树
2、完全二叉树(Complete BinaryTree) 若一棵二叉树至多只有最下面的两层上结点的度 数可以小于2，并且最下一层上的结点都集中在该层 最左边的若干位置上，则此二叉树称为完全二叉树。 具有n个结点，其形状与满二叉树按层编号的前n 个结点的位置顺序一一对应。 完全二叉树的特点： (1)满二叉树是完全二叉树，完全二叉树不一定是满二 叉树。 (2)在满二叉树的最下一层上，从最右边开始连续删去 若干结点后得到的二叉树仍然是一棵完全二叉树。 (3)在完全二叉树中，若某个结点没有左孩子，则它一 定没有右孩子，即该结点必是叶结点。
祖先(Ancestor)和子孙(Descendant) ①路径（path） 注意： 若一个结点序列是路径，则在树的树形图表示中， 该结点序列“自上而下”地通过路径上的每条边。 从树的根结点到树中其余结点均存在一条惟一的 路径 。 A B E K L F C G H M D I J
祖先(Ancestor)和子孙(Descendant) ②祖先(Ancestor)和子孙(Descendant) 若树中结点k到ks存在一条路径，则称k是ks的祖 祖 先(Ancestor)，ks是k的子孙 子孙(Descendant)。 子孙 一个结点的祖先是从根结点到该结点路径上所经 过的所有结点，而一个结点的子孙则是以该结点为根 的子树中的所有结点。 约定： 结点k的祖先和子孙不包含结点k本身。
第6章物理存储结构
ALTER TABLESPACE USERS OFFLINE;
在操作系统中重命名数据文件或移动数据文件到新的位置。分别将 USERS02.DBF和USERS03.DBF文件重命名为USERS002.DBF 和USERS003.DBF。 使用ALTER TABLESPACE„RENAME DATAFILE„TO语句进行 操作
将ORCL数据库USERS表空间的数据文件 USERS02.DBF联机。
ALTER DATABASE DATAFILE 'D:\ORACLE\PRODUCT\10.2.0\ORADATA\ ORCL\USERS02.DBF' ONLINE;
2009
Oracle 10g 数据库基础教程
非归档模式下数据文件可用性的改变
数据文件依附于表空间而存在，创建数据文件就 是向表空间添加文件 在创建数据文件时应该根据文件数据量的大小确 定文件的大小以及文件的增长方式。 语法
ALTER TABLESPACE…ADD DATAFILE ALTER TABLESPACE…ADD TEMPFILE
2009
Oracle 10g 数据库基础教程
向ORCL数据库的USERS表空间中添加一个大小 为10 MB的数据文件。
ALTER TABLESPACE USERS ADD DATAFILE 'D:\ORACLE\PRODUCT\10.2.0\ORADATA\ ORCL\USERS02.DBF' SIZE 10M;
向ORCL数据库的TEMP表空间中添加一个大小为 5 MB的临时数据文件。
ALTER TABLESPACE USERS RENAME DATAFILE 'D:\ORACLE\PRODUCT\10.2.0\ORADATA\ORCL\USERS02.DBF', 'D:\ORACLE\PRODUCT\10.2.0\ORADATA\ORCL\USERS03.DBF' TO 'D:\ORACLE\PRODUCT\10.2.0\ORADATA\ORCL\USERS002.DBF', 'D:\ORACLE\PRODUCT\10.2.0\ORADATA\ORCL\USERS003.DBF'; ALTER TABLESPACE USERS ONLINE;
第6章数据库存储结构
2）地质分布随机。 常用方法：质数除余法。 缺点：函数的设计，若设计不好会造成很
大的不均匀性，查找时间的浪费。
2019/10/10
40
3.散列碰撞 问题： 由于同所存储的记录数是一定的，再插入
操作时很容易发生溢出。
原因：一是桶的数目少；二是散列的均匀性不好。 解决：1）溢出链法：每个同都作为基本桶存在，
快闪存的缺陷是只能支持有限次擦写。而且不能直 接重写，必须先擦去整组存储器的内存，然后再写 数据进去。
2019/10/10
12
6.2 文件组织
外存中，数据库以文件形式组织，而文件 又是由记录组成。记录在物理文件中的实 现就是本节讨论的内容。
文件组织的两种方式：定长格式和变长格 式。
2019/10/10
⑵由于 HASH 桶的数量一成不变，当 文件记录较少时 ，影响记录的存取效率。
缺点移动次数过多。
2. 把最后的记录补到删除的位置。
只需移动一次。
以上两个方法都需要移动结点，操作
不灵活，处于灵活的考虑必然会想到指针，
就是第三种方法。
2019/10/10
18
3. 把删除的结点用指针链接起来
首先，文件增设“文件首部”，其中有一个指针 指向第一个被删除的记录位置，所有被删除记录 的位置都用指针链接起来，构成“空闲记录链 表”。
缺点：这些被指针链接的记录被称为“被拴记
录”，若被删记录被删掉，则指向记录的指针称
为“悬挂指针”，所指空间称为“垃圾”，也就
2019/10是/10 别人无法使用而又被空闲着。
19
6.2.1.2. 插入方法 可以根据删除的方法而定，直接插入尾部，或插
到空位置。 6.2.2 变长记录 实际应用中定长记录格式文件较多,但为了增强文
大的不均匀性，查找时间的浪费。
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3.散列碰撞 问题： 由于同所存储的记录数是一定的，再插入
操作时很容易发生溢出。
原因：一是桶的数目少；二是散列的均匀性不好。 解决：1）溢出链法：每个同都作为基本桶存在，
快闪存的缺陷是只能支持有限次擦写。而且不能直 接重写，必须先擦去整组存储器的内存，然后再写 数据进去。
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6.2 文件组织
外存中，数据库以文件形式组织，而文件 又是由记录组成。记录在物理文件中的实 现就是本节讨论的内容。
文件组织的两种方式：定长格式和变长格 式。
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⑵由于 HASH 桶的数量一成不变，当 文件记录较少时 ，影响记录的存取效率。
缺点移动次数过多。
2. 把最后的记录补到删除的位置。
只需移动一次。
以上两个方法都需要移动结点，操作
不灵活，处于灵活的考虑必然会想到指针，
就是第三种方法。
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3. 把删除的结点用指针链接起来
首先，文件增设“文件首部”，其中有一个指针 指向第一个被删除的记录位置，所有被删除记录 的位置都用指针链接起来，构成“空闲记录链 表”。
缺点：这些被指针链接的记录被称为“被拴记
录”，若被删记录被删掉，则指向记录的指针称
为“悬挂指针”，所指空间称为“垃圾”，也就
2019/10是/10 别人无法使用而又被空闲着。
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6.2.1.2. 插入方法 可以根据删除的方法而定，直接插入尾部，或插
到空位置。 6.2.2 变长记录 实际应用中定长记录格式文件较多,但为了增强文
计算机原理课件——存储系统
（5）连接控制专线
为了实现CPU对存储器的正确控制，除了有片内地址 线、片选信号线、读/写控制线和数据线等的连接之外， 还要考虑附加控制存储器等的连线。
6.2.2 DRAM存储器
静态存储器的优点是只需一个时钟脉冲控 制，读出后也不必进行数据恢复工作，结构简单， 可靠性高，速度快；缺点是电路中管子多，占用 面积大，而且一直有电流流过，功耗大，不利于 提高集成度和降低成本。
6.2.1 SRAM存储器
1．基本存储单元 基本存储单元
是组成存储器的基 础和核心，SRAM的 基本存储单元电路 是由6个MOS管组成 的双稳态触发器， 如左图所示。
图中，T3、T4管是负载管，T1、T2管为工作 管，这个电路具有两个不同的稳定状态。当T1截 止时，A点为高点位，使T2管导通，此时B点处于 低点位，而B点的低电位又保证了T1的截止，这是 一个稳定状态；反之，如果T1管导通，则A点处于 低点位，使T2管截止，这也是一个稳定状态。因 此，这两种状态分别可以用0或1表示。
（3）考虑CPU总线的负载能力
由于目前使用的半导体存储器多数是MOS电路，直流 负载小，在小型机系统中可以与CPU直接连接。而在较大 的系统中，就应当考虑CPU是否有足够的驱动能力，需要 时必须选择有相当驱动能力的缓冲器。
（4）存储器的地址分配和选片
RAM和ROM组成了主存储器，而RAM内部又被分成了 几个区，有的用于存放系统数据，有的用于存放用户数据， 了解主存储器的地址分配无论对于了解硬件的工作原理还 是编程都很有好处。
例如，用16K8位的存储器芯片组成64K8 位的存储器，需要用4片16K8的存储器芯片（如 下页图所示）和4个芯片的数据线与数据总线 D0~D7相连，地址总线的位地址A0~A13与4个芯 片的14位地址端相连接，两位高地址A14、A15经 译码器和4个片选端相连。
为了实现CPU对存储器的正确控制，除了有片内地址 线、片选信号线、读/写控制线和数据线等的连接之外， 还要考虑附加控制存储器等的连线。
6.2.2 DRAM存储器
静态存储器的优点是只需一个时钟脉冲控 制，读出后也不必进行数据恢复工作，结构简单， 可靠性高，速度快；缺点是电路中管子多，占用 面积大，而且一直有电流流过，功耗大，不利于 提高集成度和降低成本。
6.2.1 SRAM存储器
1．基本存储单元 基本存储单元
是组成存储器的基 础和核心，SRAM的 基本存储单元电路 是由6个MOS管组成 的双稳态触发器， 如左图所示。
图中，T3、T4管是负载管，T1、T2管为工作 管，这个电路具有两个不同的稳定状态。当T1截 止时，A点为高点位，使T2管导通，此时B点处于 低点位，而B点的低电位又保证了T1的截止，这是 一个稳定状态；反之，如果T1管导通，则A点处于 低点位，使T2管截止，这也是一个稳定状态。因 此，这两种状态分别可以用0或1表示。
（3）考虑CPU总线的负载能力
由于目前使用的半导体存储器多数是MOS电路，直流 负载小，在小型机系统中可以与CPU直接连接。而在较大 的系统中，就应当考虑CPU是否有足够的驱动能力，需要 时必须选择有相当驱动能力的缓冲器。
（4）存储器的地址分配和选片
RAM和ROM组成了主存储器，而RAM内部又被分成了 几个区，有的用于存放系统数据，有的用于存放用户数据， 了解主存储器的地址分配无论对于了解硬件的工作原理还 是编程都很有好处。
例如，用16K8位的存储器芯片组成64K8 位的存储器，需要用4片16K8的存储器芯片（如 下页图所示）和4个芯片的数据线与数据总线 D0~D7相连，地址总线的位地址A0~A13与4个芯 片的14位地址端相连接，两位高地址A14、A15经 译码器和4个片选端相连。
【PPT】物理存储结构.
I
第九章
物理存储结构
DBMS的数据操作算法、查询优化处理方法和事务处理算法， 都与数据库的物理存储结构密切相关。本章介绍数据库的 各种存储结构，讨论外存储器存放数据的最优化方式。物 理存储结构主要考虑数据库的操作效率、响应时间和空间 利用率。 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 数据库存储设备 文件与文件记录 无序文件 有序文件 HASH文件 索引文件 B_树和B_+树索引结构
物理地址: (头,道,扇)
I12 二 磁带存储器 磁带存储器由磁带和磁带机(磁头+读写机构+拖动机构)组成.磁带 是涂有磁性材料的塑料长带，两端有特殊标识，工作时磁头紧靠 带表面，读写磁带数据。磁带是顺序辅助存储器，若要读写第i块 数据,必须先读前i-1块。因块间空隙大，故磁带数据块比磁盘扇 区大。磁带存储器的缺点是读写速度慢，优点是容量大。用于储 存数据库副本，以备故障恢复。也用于存储特大型的数据库、不 常用的数据库文件或历史数据。 下图表示磁带记录信息的方式，以9道磁带为例，8道用于记录信 息，1道用于校验。组装的9个磁头分别读写9个磁道；对字节内各 位的读写以并行方式一次完成。一般写后即读，作验证。 记录区 记录区 记 信1 2 3 4 5 6 7 8 录 息1 2 3 4 5 6 7 8 尾间 校 隔1 2 3 4 5 6 7 8 验 磁道9: 1 2 3 4 5 6 7 8 码 1 2 3 4 5 6 7 8 磁道1: 1 2 3 4 5 6 7 8 磁道2: 1 2 3 4 5 6 7 8 磁道3: 1 2 3 4 5 6 7 8
时间
在第i块 在块i+1 在块i+2 在块i+3 处理a 处理b 处理a 处理b
I14
第九章
物理存储结构
DBMS的数据操作算法、查询优化处理方法和事务处理算法， 都与数据库的物理存储结构密切相关。本章介绍数据库的 各种存储结构，讨论外存储器存放数据的最优化方式。物 理存储结构主要考虑数据库的操作效率、响应时间和空间 利用率。 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 数据库存储设备 文件与文件记录 无序文件 有序文件 HASH文件 索引文件 B_树和B_+树索引结构
物理地址: (头,道,扇)
I12 二 磁带存储器 磁带存储器由磁带和磁带机(磁头+读写机构+拖动机构)组成.磁带 是涂有磁性材料的塑料长带，两端有特殊标识，工作时磁头紧靠 带表面，读写磁带数据。磁带是顺序辅助存储器，若要读写第i块 数据,必须先读前i-1块。因块间空隙大，故磁带数据块比磁盘扇 区大。磁带存储器的缺点是读写速度慢，优点是容量大。用于储 存数据库副本，以备故障恢复。也用于存储特大型的数据库、不 常用的数据库文件或历史数据。 下图表示磁带记录信息的方式，以9道磁带为例，8道用于记录信 息，1道用于校验。组装的9个磁头分别读写9个磁道；对字节内各 位的读写以并行方式一次完成。一般写后即读，作验证。 记录区 记录区 记 信1 2 3 4 5 6 7 8 录 息1 2 3 4 5 6 7 8 尾间 校 隔1 2 3 4 5 6 7 8 验 磁道9: 1 2 3 4 5 6 7 8 码 1 2 3 4 5 6 7 8 磁道1: 1 2 3 4 5 6 7 8 磁道2: 1 2 3 4 5 6 7 8 磁道3: 1 2 3 4 5 6 7 8
时间
在第i块 在块i+1 在块i+2 在块i+3 处理a 处理b 处理a 处理b
I14
第六章、存储器
2.5V
Cd
读出时：D 线先预充电到 Vpre=2.5V， 然后字选线高电平，T导通
D②RADMRA存M存储储单单元元电电路路工（作单原管理单元电路）
读出
W字选线 1 D
T
3.5V
Cs
பைடு நூலகம்
2.5V
Cd
若电路保存 信息1，Vcs=3.5V， 电流方向从单元电路内部向外
Vcc
读出
T5 A T3
T4 B T6
1
T1
1
T2
字选线
1
D
D
读出：输入条件：字选线高电平
SRAM存储单元电路工作原理
Vcc
读出
T5 A T3
T4 B T6
1
T1
1
T2
““01”” ：：TT211截截止止，，字TT选12线 导导通通
如果原D来保存信息是 “1”，D线则“读D出”了 内部状态（A点电平）则为高，否则为低
Intel 2114 SRAM的写时序
TWC：写周期
TAW：写周期滞后时间； TW：写入时间； TWR：写恢复时间
TDW：从写入数据有效到写信号撤销所需的时间
TDH：从写信号撤销到写入数据维持所需的时间（ TWR> TDH）
TDTW：从写信号有效到输出数据（上一次读出）失效的时间
4、 SRAM芯片与系统的连接
MOS管功能
T1，T2：工作管
Vcc
T3，T4：负载管
T5 A T3
T4 B T6
T1
T2
字选线
D
D
T5，T6：门控管
稳定状态
Vcc
T5 A T3
T4 B T6
第 6 章 主 存 储 器
另外，目前生产的存储器，单片的容量仍然是有限的， 所以总是要由许多片才能组成一个存储器，这就存在一 个如何产生选片信号的问题。
(4) 控制信号的连接
对8086来说, 控制信号主要有 IO/M#，RD#，WR# 以及READY（或WAIT#）信号。要考虑这些信号如何与 存储器要求的控制信号相连，以实现所需的控制作用。
2. MOS RAM 用MOS器件构成的RAM，又可分为静态 （Static) RAM(SRAM)和动态Dynamic RAM(DRAM)两种。
静态RAM的特点
① 用由6管构成的触发器作为基本存储电路；
② 集成度高于双极型但低于动态RAM； ③ 不需要刷新，故可省去刷新电路； ④ 功耗比双极型的低，但比动态RAM高； ⑤ 易于用电池作为后备电源； ⑥ 存取速度较动态RAM快。
4KB ROM和1KB RAM连接图
存储器的读周期
存取时间是存储器的一个重要指标。存储器读 周期的典型波形和Intel 2114的参数示于图6-16 中。
要实现存储器读必须要CS#为低(有效)，WE#为 高(表示读)。
只要给出地址信号经过了一段时间tA后(若此时 输出三态门是打开的)，读的数据就会出现在外 部数据线上了。所以，这段时间称为读取时间。 对于2114-2最多只要200ns。
图6-6 单译码结构存储器
图6-7 双译码存储器电路
6.2.3 RAM与CPU的连接
RAM与CPU的连接，主要有以下三个 部分： (1) 地址线的连接； (2) 数据线的连接； (3) 控制线的连接。
RAM与CPU连接时要考虑的问题
(1) CPU总线的负载能力
在小型系统中，CPU是可以直接与存储器相 连的，而在较大的系统中，需要时就要加上缓冲 器，由缓冲器的输出再带负载。
(4) 控制信号的连接
对8086来说, 控制信号主要有 IO/M#，RD#，WR# 以及READY（或WAIT#）信号。要考虑这些信号如何与 存储器要求的控制信号相连，以实现所需的控制作用。
2. MOS RAM 用MOS器件构成的RAM，又可分为静态 （Static) RAM(SRAM)和动态Dynamic RAM(DRAM)两种。
静态RAM的特点
① 用由6管构成的触发器作为基本存储电路；
② 集成度高于双极型但低于动态RAM； ③ 不需要刷新，故可省去刷新电路； ④ 功耗比双极型的低，但比动态RAM高； ⑤ 易于用电池作为后备电源； ⑥ 存取速度较动态RAM快。
4KB ROM和1KB RAM连接图
存储器的读周期
存取时间是存储器的一个重要指标。存储器读 周期的典型波形和Intel 2114的参数示于图6-16 中。
要实现存储器读必须要CS#为低(有效)，WE#为 高(表示读)。
只要给出地址信号经过了一段时间tA后(若此时 输出三态门是打开的)，读的数据就会出现在外 部数据线上了。所以，这段时间称为读取时间。 对于2114-2最多只要200ns。
图6-6 单译码结构存储器
图6-7 双译码存储器电路
6.2.3 RAM与CPU的连接
RAM与CPU的连接，主要有以下三个 部分： (1) 地址线的连接； (2) 数据线的连接； (3) 控制线的连接。
RAM与CPU连接时要考虑的问题
(1) CPU总线的负载能力
在小型系统中，CPU是可以直接与存储器相 连的，而在较大的系统中，需要时就要加上缓冲 器，由缓冲器的输出再带负载。
存储器的层次结构课件共27页文档
物理内存
OS
… Load R1,101066 Add R1,1110088 Store R1,1111100 234 128 …
重定位分类:静态重定位
程序A的代码
000 …… 100 Load R1,106 102 Add R1,108 104 Store R1,110 106 234 108 128 ……
源 程
目标 代码
os
目标 代码
序 逻辑地址空间
名空间
存储空间
重定位的概念
程序A的代码 000 …… 100 Load R1,106 102 Add R1,108 104 Store R1,110 106 234 108 128 ……
逻辑地址
举例:教学计划及其实施
0000 .
1000 … 1100 1102 1104 1106 1108 . . . .
140KB
OS
8KB 作业116需K1B4KB
32KB
作业624需K6B0KB
116KB
256KB 分区大小不等
存储管理:连续分配
2.多道固定分区管理(续)
•需建立固定分区说明 表•内零头(碎片)问题
作业J1 14KB 作业J2 60KB
分区号 起始地址 长度
状态
0
2
28KB 16KB
存储管理: 连续分配
一道作业的全部内容(程序和数据)装入到内存的 一个连续存储区中,作业在执行过程中不会发生 内存与外存交换的现象,作业的容量要受到物理 内存容量的限制。
属于实存管理技术 四种方案
– 单道连续区管理 – 多道固定分区管理 – 多道可变分区管理 – 多道可重定位分区管理
存储管理:连续分配
存储单元结构原理
存储单元结构原理存储单元是计算机中用于存储数据的基本单元，通常包含了一个单独的二进制位。
它是计算机内存的基本构建块，也是实现数据存储和读取的关键元素。
在计算机体系结构中，存储单元的结构原理是指存储单元实现数据存储和读取功能的原理和机制。
存储单元的结构原理可以分为物理存储单元和逻辑存储单元两个层次。
物理存储单元是指实际存储数据的硬件元件，例如集成电路芯片、电容、磁道和磁头等。
逻辑存储单元是指对物理存储单元进行抽象和组织，实现数据的存取和寻址操作。
在物理存储单元层面，主要包括存储元件和存储阵列的原理。
存储元件是指存储数据的基本元素，其种类包括传统的DRAM（Dynamic Random Access Memory）和SRAM（Static Random Access Memory），以及新兴的NVM（Non-Volatile Memory）如闪存和相变存储器等。
这些存储元件基于不同的物理原理来存储数据，例如电容的充放电、磁场的磁化和相变材料的相变等。
存储阵列则是多个存储元件的组合，用于实现大容量和高速度的存储。
常见的存储阵列结构包括平面阵列、交叉点阵列和三维阵列等。
在逻辑存储单元层面，主要包括存取控制和寻址机制的原理。
存取控制是指控制存储单元进行数据读取和写入的电路和信号。
常见的存取控制方法包括同步存储器和异步存储器，其中同步存储器通过时钟信号实现数据同步，异步存储器则通过通信协议实现数据通信。
寻址机制是指根据存储单元的地址信息来确定数据的存放位置和访问路径。
存储单元的地址通常使用二进制码表示，其中地址线通过编址器和解码器进行管理和控制。
编址器将主存储器空间划分为若干单元和块，根据地址码确定数据的访问路径。
解码器则将地址码转换为控制信号，用于控制存储单元的读写操作。
此外，存储单元的结构原理还涉及到数据的存储方式和访问速度等问题。
数据的存储方式包括位线存储和子块存储两种形式。
位线存储是指将数据存储在存储单元的位线上，每个存储单元存放一个数据位。
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• 用户操作数据库的过程实际上是与数据库实例建立连接，然后通过实 例来连接、操作数据库的过程。
2020/6/20
物理存储结构的构成
数据库
数据 文件
控制 文件
ห้องสมุดไป่ตู้
重做日 志文件
初始化 文件
跟踪 文件
归档 文件
口令 文件
2020/6/20
• 数据文件：用于存储数据库中所有数据； • 控制文件：用于记录和描述数据库的物理存储结构信息； • 重做日志文件：用于记录外部程序（用户）对数据库的修改操作； • 初始化参数：用于设置数据库启动时参数初始值； • 跟踪文件：用于记录用户进程、数据库后台进程的运行情况； • 归档文件：用于保存已经写满的重做日志文件； • 口令文件：用于保存具有SYSDBA，SYSOPER权限的用户名和SYS
2020/6/20
• (3)启动数据库到MOUNT状态 – STARTUP MOUNT
• (4)执行ALTER DATABASE RENAME FILE…TO语句更新数据文件 名称或位置。 – ALTER DATABASE RENAME FILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf', 'D:\Oracle\oradata\orcl\tools01.dbf' TO 'D:\Oracle\oradata\userdata02.dbf', 'D:\Oracle\oradata\orcl\tools001.dbf';
– 把不同存储内容的数据文件放置在不同的硬盘上，可以并行访问 数据，提高系统读写的效率。
– 初始化参数文件、控制文件、重做日志文件最好不要与数据文件 存放在同一个磁盘上，以免数据库发生介质故障时，无法恢复数 据库。
2020/6/20
6.2.2数据文件的管理
• 创建数据文件 • 修改数据文件的大小 • 改变数据文件的可用性 • 改变数据文件的名称和位置 • 查询数据文件的信息
– ALTER TABLESPACE tablespace_name…RENAME DATAFILE…TO
• (4)表空间联机
– ALTER TABLESPACE tablespace…ONLINE
2020/6/20
改变同一个表空间的数据文件
• 例：更改ORCL数据库USERS表空间的userdata02.dbf和 userdata03.dbf文件名为userdata002.dbf和 userdata003.dbf
• (5)打开数据库。 – ALTER DATABASE OPEN;
2020/6/20
查询数据文件信息
• 数据文件信息
– DBA_DATA_FILES – V$DATAFILE
• 临时文件信息
– DBA_TEMP_FILES – V$TEMPFILE
2020/6/20
• 查询数据文件动态信息
– SELECT NAME,FILE#,STATUS, CHECKPOINT_CHANGE# FROM V$DATAFILE
• 查询数据文件的增长方式
– SELECT TABLESPACE_NAME,BYTES,AUTOEXTENSIBLE, FILE_NAME FROM DBA_DATA_FILES
• 查询临时数据文件信息
– SELECT TABLESPACE_NAME,FILE_NAME, AUTOEXTENSIBLE FROM DBA_TEMP_FILES;
2020/6/20
创建数据文件
• 数据文件依附于表空间而存在，创建数据 文件就是向表空间添加文件
• 在创建数据文件时应该根据文件数据量的 大小确定文件的大小以及文件的增长方式 。
• 语法
– CREATE TABLESPACE – CREATE DTABASE – …… – 2020/6/20 ALTER TABLESPACE…ADD DATAFILE
ALTER TABLESPACE TEMP ADD TEMPFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\temp02.dbf‘ SIZE 5M;
2020/6/20
修改数据文件大小
• 方法
– 设置数据文件为自动增长方式。 – 手工改变数据文件的大小。
• 设置数据文件为自动增长方式
–创建时设置数据文件为自动增长 –创建后修改数据文件为自动增长
用户口令。
2020/6/20
6.2数据文件及其管理
• 数据文件概述 • 数据文件的管理
2020/6/20
6.2.1数据文件概述
• 数据文件的内容
– 用于保存数据库中数据的文件 (扩展名：DBF） – 系统数据、数据字典数据、临时数据、索引数据、应用数据等都
物理的存储在数据文件中。 – 数据库的操作，本质都是对数据文件进行操作。
2020/6/20
6.1Oracle数据库系统结构
用 户 视 图 拥有者
模1 式 表
序 视图 1 列
2 ……… 3
2020/6/20
Oracle数据库 逻辑结构
物理结构 物理文件
表空间
数据文件 联机日志文件
数据段 ……
索引段
段
区间
控制文件 物理块
数据块
服务器进程 用户进程
数据缓冲区
日志缓冲区
数据库 实例 SGA
2020/6/20
• 例：取消ORCL数据库USERS表空间的数据文件 userdata02.dbf的自动增长。
– ALTER DATABASE DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf' AUTOEXTEND OFF;
• 例：将ORCL数据库USERS表空间的数据文件 userdata02.dbf大小设置为8MB。
– (3)重新连接数据库，使用ALTER TABLESPACE…RENAME DATAFILE…TO语句进行操作。
2020/6/20
– CONNECT sys/llx123 @ORCL AS SYSDBA – ALTER TABLESPACE USERS RENAME DATAFILE
'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf', 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata03.dbf' TO 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata002.dbf, 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata003.dbf'; • (4)将表空间联机 – ALTER TABLESPACE users ONLINE;
• 例：向ORCL数据库的USERS表空间中添加一个大小为 10MB的数据文件。
ALTER TABLESPACE USERS ADD DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf' SIZE 10M;
• 例：向ORCL数据库的TEMP表空间添加一个大小为5MB 的临时数据文件。
– ALTER DATABASE DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf'RESIZE 8M
2020/6/20
改变数据文件的可用性
• 可以通过将数据文件联机或者脱机来改变 数据文件的可用性
• 处于脱机状态的数据文件对数据库来说是 不可用的，直到它们被恢复为联机状态
– 如果要改变的数据文件属于多个表空间，使用 ： ALTER DATABASE RENAME DATAFILE…TO
2020/6/20
改变同一个表空间的数据文件
• (1)表空间脱机
– ALTER TABLESPACE tablespace_name… OFFLINE
• (2)修改操作系统中文件名称或位置 • (3)执行ALTER语句
2020/6/20
利用OEM管理数据文件
• 查询数据文件信息 • 创建数据文件 • 修改数据文件
2020/6/20
6.3控制文件
• 控制文件概述 • 控制文件管理
2020/6/20
6.3.1控制文件概述
• 控制文件的性质 (扩展名为CTL）
– 是最重要的物理文件，是一个很小的二进制文件 – 在加载数据库时，实例必须首先通过初始化参数文件找到数据库
• 例：ORCL数据库USERS表空间的数据文件 userdata02.dbf为自动增长。
– ALTER DATABASE DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf ' AUTOEXTEND ON NEXT 512K MAXSIZE UNLIMITED;
2020/6/20
改变属于多个表空间的数据文件
• (1)关闭数据库
– SHUTDOWN IMMEDIATE
• (2)修改操作系统文件名称或位置 • (3)启动数据库到MOUNT状态
– STARTUP MOUNT
• (4)执行ALTER 语句
– ALTER DATABASE RENAME FILE…TO…
• AUTOEXTEND ON NEXT …MAXSIZE…|UNLIMITED
• 手工改变数据文件的大小
– ALTER 2020/6/20 DATABASE DATAFILE…RESIZE…
• 例：为ORCL数据库的USERS表空间添加一个自动增长的 数据文件。
– ALTER TABLESPACE USERS ADD DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata03.dbf' SIZE 10M AUTOEXTEND ON NEXT 512K MAXSIZE 250M;
2020/6/20
物理存储结构的构成
数据库
数据 文件
控制 文件
ห้องสมุดไป่ตู้
重做日 志文件
初始化 文件
跟踪 文件
归档 文件
口令 文件
2020/6/20
• 数据文件：用于存储数据库中所有数据； • 控制文件：用于记录和描述数据库的物理存储结构信息； • 重做日志文件：用于记录外部程序（用户）对数据库的修改操作； • 初始化参数：用于设置数据库启动时参数初始值； • 跟踪文件：用于记录用户进程、数据库后台进程的运行情况； • 归档文件：用于保存已经写满的重做日志文件； • 口令文件：用于保存具有SYSDBA，SYSOPER权限的用户名和SYS
2020/6/20
• (3)启动数据库到MOUNT状态 – STARTUP MOUNT
• (4)执行ALTER DATABASE RENAME FILE…TO语句更新数据文件 名称或位置。 – ALTER DATABASE RENAME FILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf', 'D:\Oracle\oradata\orcl\tools01.dbf' TO 'D:\Oracle\oradata\userdata02.dbf', 'D:\Oracle\oradata\orcl\tools001.dbf';
– 把不同存储内容的数据文件放置在不同的硬盘上，可以并行访问 数据，提高系统读写的效率。
– 初始化参数文件、控制文件、重做日志文件最好不要与数据文件 存放在同一个磁盘上，以免数据库发生介质故障时，无法恢复数 据库。
2020/6/20
6.2.2数据文件的管理
• 创建数据文件 • 修改数据文件的大小 • 改变数据文件的可用性 • 改变数据文件的名称和位置 • 查询数据文件的信息
– ALTER TABLESPACE tablespace_name…RENAME DATAFILE…TO
• (4)表空间联机
– ALTER TABLESPACE tablespace…ONLINE
2020/6/20
改变同一个表空间的数据文件
• 例：更改ORCL数据库USERS表空间的userdata02.dbf和 userdata03.dbf文件名为userdata002.dbf和 userdata003.dbf
• (5)打开数据库。 – ALTER DATABASE OPEN;
2020/6/20
查询数据文件信息
• 数据文件信息
– DBA_DATA_FILES – V$DATAFILE
• 临时文件信息
– DBA_TEMP_FILES – V$TEMPFILE
2020/6/20
• 查询数据文件动态信息
– SELECT NAME,FILE#,STATUS, CHECKPOINT_CHANGE# FROM V$DATAFILE
• 查询数据文件的增长方式
– SELECT TABLESPACE_NAME,BYTES,AUTOEXTENSIBLE, FILE_NAME FROM DBA_DATA_FILES
• 查询临时数据文件信息
– SELECT TABLESPACE_NAME,FILE_NAME, AUTOEXTENSIBLE FROM DBA_TEMP_FILES;
2020/6/20
创建数据文件
• 数据文件依附于表空间而存在，创建数据 文件就是向表空间添加文件
• 在创建数据文件时应该根据文件数据量的 大小确定文件的大小以及文件的增长方式 。
• 语法
– CREATE TABLESPACE – CREATE DTABASE – …… – 2020/6/20 ALTER TABLESPACE…ADD DATAFILE
ALTER TABLESPACE TEMP ADD TEMPFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\temp02.dbf‘ SIZE 5M;
2020/6/20
修改数据文件大小
• 方法
– 设置数据文件为自动增长方式。 – 手工改变数据文件的大小。
• 设置数据文件为自动增长方式
–创建时设置数据文件为自动增长 –创建后修改数据文件为自动增长
用户口令。
2020/6/20
6.2数据文件及其管理
• 数据文件概述 • 数据文件的管理
2020/6/20
6.2.1数据文件概述
• 数据文件的内容
– 用于保存数据库中数据的文件 (扩展名：DBF） – 系统数据、数据字典数据、临时数据、索引数据、应用数据等都
物理的存储在数据文件中。 – 数据库的操作，本质都是对数据文件进行操作。
2020/6/20
6.1Oracle数据库系统结构
用 户 视 图 拥有者
模1 式 表
序 视图 1 列
2 ……… 3
2020/6/20
Oracle数据库 逻辑结构
物理结构 物理文件
表空间
数据文件 联机日志文件
数据段 ……
索引段
段
区间
控制文件 物理块
数据块
服务器进程 用户进程
数据缓冲区
日志缓冲区
数据库 实例 SGA
2020/6/20
• 例：取消ORCL数据库USERS表空间的数据文件 userdata02.dbf的自动增长。
– ALTER DATABASE DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf' AUTOEXTEND OFF;
• 例：将ORCL数据库USERS表空间的数据文件 userdata02.dbf大小设置为8MB。
– (3)重新连接数据库，使用ALTER TABLESPACE…RENAME DATAFILE…TO语句进行操作。
2020/6/20
– CONNECT sys/llx123 @ORCL AS SYSDBA – ALTER TABLESPACE USERS RENAME DATAFILE
'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf', 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata03.dbf' TO 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata002.dbf, 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata003.dbf'; • (4)将表空间联机 – ALTER TABLESPACE users ONLINE;
• 例：向ORCL数据库的USERS表空间中添加一个大小为 10MB的数据文件。
ALTER TABLESPACE USERS ADD DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf' SIZE 10M;
• 例：向ORCL数据库的TEMP表空间添加一个大小为5MB 的临时数据文件。
– ALTER DATABASE DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf'RESIZE 8M
2020/6/20
改变数据文件的可用性
• 可以通过将数据文件联机或者脱机来改变 数据文件的可用性
• 处于脱机状态的数据文件对数据库来说是 不可用的，直到它们被恢复为联机状态
– 如果要改变的数据文件属于多个表空间，使用 ： ALTER DATABASE RENAME DATAFILE…TO
2020/6/20
改变同一个表空间的数据文件
• (1)表空间脱机
– ALTER TABLESPACE tablespace_name… OFFLINE
• (2)修改操作系统中文件名称或位置 • (3)执行ALTER语句
2020/6/20
利用OEM管理数据文件
• 查询数据文件信息 • 创建数据文件 • 修改数据文件
2020/6/20
6.3控制文件
• 控制文件概述 • 控制文件管理
2020/6/20
6.3.1控制文件概述
• 控制文件的性质 (扩展名为CTL）
– 是最重要的物理文件，是一个很小的二进制文件 – 在加载数据库时，实例必须首先通过初始化参数文件找到数据库
• 例：ORCL数据库USERS表空间的数据文件 userdata02.dbf为自动增长。
– ALTER DATABASE DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata02.dbf ' AUTOEXTEND ON NEXT 512K MAXSIZE UNLIMITED;
2020/6/20
改变属于多个表空间的数据文件
• (1)关闭数据库
– SHUTDOWN IMMEDIATE
• (2)修改操作系统文件名称或位置 • (3)启动数据库到MOUNT状态
– STARTUP MOUNT
• (4)执行ALTER 语句
– ALTER DATABASE RENAME FILE…TO…
• AUTOEXTEND ON NEXT …MAXSIZE…|UNLIMITED
• 手工改变数据文件的大小
– ALTER 2020/6/20 DATABASE DATAFILE…RESIZE…
• 例：为ORCL数据库的USERS表空间添加一个自动增长的 数据文件。
– ALTER TABLESPACE USERS ADD DATAFILE 'D:\Oracle\oradata\orcl\userdata03.dbf' SIZE 10M AUTOEXTEND ON NEXT 512K MAXSIZE 250M;