存储系统概述
计算机原理 第四章 存储系统 课堂笔记及练习题
计算机原理第四章存储系统课堂笔记及练习题主题：第四章存储系统学习时间：2016年10月24日--10月30日内容：一、学习要求这周我们将学习第四章存储系统的相关内容。
通过本章的学习要求了解主存储器的主要技术指标、理解存储器的层次结构及分类，加深对半导体随机读写器相关知识的理解。
二、主要内容（一）存储系统概述存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，是计算机系统的重要组成部分之一。
存储器有主存储器和辅助存储器之分，主存储器（简称主存）处于全机中心地位，直接与CPU交换信息；辅助存储器（简称辅存）或称为外存储器（简称外存）通常用来存放主存的副本和当前不在运行的程序和数据，在程序执行过程中，每条指令所需的数据及取下一条指令的操作都不能直接访问辅助存储器，需要通过主存储器与CPU交换信息。
（二）主存储器的主要技术指标主存储器的主要性能指标为主存容量、存储器存取时间和存储周期时间。
计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字，一个存储字所包括的二进制位数称为字长。
主存储器的另一个重要的性能指标是存储器的速度，一般用存储器存取时间和存储周期来表示。
存储器存取时间(memory access time)又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
存储周期(memory cycle time)指连续启动两次独立的存储器操作(例如连续两次读操作)所需间隔的最小时间。
通常，存储周期略大于存取时间。
（三）存储器的层次结构对存储器的要求是“大容量、高速度、低成本”，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方面是困难的。
一般来讲，速度高的存储器，每位价格也高，因此容量不能太大。
主存-辅存层次，满足了存储器的大容量和低成本需求。
cache-主存层次，解决了速度与成本之间的矛盾。
现代大多数计算机同时采用主存-辅存和cache-主存这两种存储层次，构成cache-主存-辅存三级存储层次，如下图所示。
CPU能直接访问的存储器称为内存储器，包括cache和主存储器。
【计算机组成原理】存储系统
【计算机组成原理】存储系统存储器的层次和结构从不同⾓度对存储器进⾏分类：1.按在计算机中的作⽤（层次）分类 （1）主存储器。
简称主存，⼜称内存储器（内存），⽤来存放计算机运⾏期间所需的⼤量程序和数据，CPU 可以直接随机地对其进⾏访问，也可以和告诉缓冲存储器（Cache）及辅助存储器交换数据，其特点是容量较⼩、存取速度较快、单位价格较⾼。
（2）辅助存储器。
简称辅存，⼜称外存储器（外存），是主存储器的后援存储器，⽤来存放当前暂时不⽤的程序和数据，以及⼀些需要永久性保存的信息，它不能与CPU 直接交换信息。
其特点是容量极⼤、存取速度较慢、单位成本低。
（3）⾼速缓冲存储器。
简称 Cache，位于主存和 CPU 之间，⽤来存放正在执⾏的程序段和数据，以便 CPU 能⾼速地使⽤它们。
Cache 地存取速度可与 CPU 的速度匹配，但存储容量⼩、价格⾼。
⽬前的⾼档计算机通常将它们制作在 CPU 中。
2.按存储介质分类 按存储介质，存储器可分为磁表⾯存储器（磁盘、磁带）、磁芯存储器、半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）和光存储器（光盘）。
3.按存取⽅式分类 （1）随机存储器（RAM）。
存储器的任何⼀个存储单元的内容都可以随机存取，⽽且存取时间与存储单元的物理位置⽆关。
其优点是读写⽅便、使⽤灵活，主要⽤作主存或⾼速缓冲存储器。
RAM ⼜分为静态 RAM （以触发器原理寄存信息，SRAM）和动态 RAM（以电容充电原理寄存信息，DRAM）。
（2）只读存储器（ROM）。
存储器的内容只能随机读出⽽不能写⼊。
信息⼀旦写⼊存储器就固定不变，即使断电，内容也不会丢失。
因此，通常⽤它存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚⾄⽤于操作系统的固化。
它与随机存储器可共同作为主存的⼀部分，统⼀构成主存的地址域。
由ROM 派⽣出的存储器也包含可反复重写的类型，ROM 与RAM 的存取⽅式均为随机存取。
⼴义上的只读存储器已可已可通过电擦除等⽅式进⾏写⼊，其“只读”的概念没有保留，但仍然保留了断电内容保留、随机读取特性，但其写⼊速度⽐读取速度慢得多。
存储系统及设备简介
存储系统及设备简介存储系统是计算机系统中用于存储数据的设备或软件。
它可以用来存储文件、程序、数据库、备份数据等多种数据。
存储系统通常包括硬盘、固态硬盘、光盘、磁带等物理设备，以及文件系统、数据库系统、备份系统等软件。
这些设备和软件可以单独使用，也可以组合使用，以满足不同的存储需求。
硬盘是最常见的存储设备之一，它可以将数据永久保存在磁盘上。
固态硬盘使用闪存存储技术，速度更快且更可靠，因此在近年来得到了广泛应用。
光盘和磁带则通常用于备份数据或长期存储数据。
在软件层面，文件系统是用于管理存储设备上的文件和目录的软件。
常见的文件系统包括NTFS、FAT32、ext4等。
数据库系统则专门用于管理大量的结构化数据，例如企业的客户信息、销售记录等。
备份系统则用于定期备份数据，以防止数据丢失。
存储系统和设备在现代计算机系统中扮演着非常重要的角色，它们不仅直接影响着计算机系统的性能和可靠性，还关系着数据的安全和持久性。
因此，选择合适的存储系统及设备对于计算机系统的设计和运行至关重要。
存储系统是现代计算机系统中不可或缺的组成部分，其功能和性能直接影响着计算机系统的整体表现。
在今天的数字化时代，我们对数据的存储需求越来越大，因此存储系统和设备的选择和配置变得尤为重要。
本文将继续讨论存储系统的相关内容，包括存储设备的发展趋势、存储系统的应用和挑战等方面。
随着计算机硬件技术的不断发展，存储设备的性能、容量和可靠性也在不断提升。
其中，固态硬盘（SSD）作为一种新型的存储设备，以其高速的读写性能和可靠的存储特性，受到了广泛的关注。
与传统的机械硬盘（HDD）相比，固态硬盘具有更快的数据读写速度、更低的能耗和更小的体积，因此在高性能计算、大规模数据处理和云计算等领域得到了广泛的应用。
随着技术的不断进步，固态硬盘的容量和性能还会继续提升，今后有望成为存储系统的主流设备。
除了固态硬盘外，存储系统中的光盘和磁带等传统存储设备也在不断演进和改进。
计算机的存储系统
第6章计算机的存储系统现代计算机采用程序控制方式工作，因此，用来存放程序的存储系统是计算机的重要组成部分。
存储器包括内存储器和外存储器。
内存储器包括主存储器和高速缓冲存储器，外存储器即辅助存储器。
主存储器简称主存，它位于主机内部。
本章介绍计算机的存储系统，包括主存储器的基本组成、层次结构和工作原理，高速缓冲存储器的工作原理，以及各类外存储器。
6.1 存储器与存储系统概述6.1.1 存储器的作用现代计算机都是以存储器为中心的计算机，存储器处于全机的中心地位。
存储器的作用可归纳为：⑴存放程序和数据。
计算机执行的程序、程序运行所需要的数据都是存放在存储器中的。
⑵现代计算机可以配置的输入输出设备越来越多，数据传送速度不断加快，并且多数采用直接存储器存取（DMA）方式和输入输出通道技术，与存储器直接交换数据而不通过CPU。
⑶共享存储器的多处理器计算机的出现，使得可利用存储器来存放共享数据，并实现各处理器之间的通信，更加强了存储器作为整个计算机系统中心的作用。
6.1.2 存储器分类⒈按存取方式分类⑴随机存取存储器RAM(Random Access Memory）特点：存储器中任何一个存储单元都能由CPU或Ｉ/O设备随机存取，且存取时间与存取单元的物理位置无关。
用途：常用作主存或高速缓存。
⑵只读存储器ROM(Read-Only Memory）特点：存储器的内容只能读出而不能写入。
用途：常用来存放固定不变的系统程序。
作为固定存储，故又叫“固存”。
随着用户要求的提高，只读存储器产品从ROM→可编程只读存储器PROM→光可擦除可编程只读存储器EPROM→电可擦除可编程的只读存储器EEPROM，为用户方便地存入和改写内容提供了物质条件。
⑶顺序存取存储器SRAM特点：存储器中存储的信息（字或者记录块），完全按顺序进行存放或读出，在信息载体上没有惟一对应的地址号，访问指定信息所花费的时间和信息所在存储单元的物理位置密切相关。
存储系统原理
存储系统原理
存储系统原理的概述
存储系统是计算机系统中用于数据存储和访问的关键组成部分。
它包括了多种类型的存储介质和相应的硬件、软件，用于实现数据的持久性存储和高效的数据访问。
存储系统原理主要涉及以下几个方面：
1. 存储层次结构：存储系统根据存储介质的特性和成本，将存储空间划分为多个层次。
通常从高到低分为：高速缓存、内存、磁盘和磁带等。
不同层次的存储设备之间通过缓存和映射机制来实现数据的高效传输和访问。
2. 存储介质：常见的存储介质包括半导体存储器（如DRAM、SRAM、闪存等）和磁存储器（如硬盘、磁带等）。
不同的存
储介质具有不同的读写速度、容量、可靠性和成本等特点，应根据应用需求进行选择。
3. 存储管理：存储系统需要提供对数据的有组织的管理和保护。
这包括了文件系统的设计与实现、存储空间的分配和回收、数据的备份与恢复、数据的安全性和完整性保护等。
4. 存储与计算的接口：存储系统需要提供给计算机系统高效的存储访问接口，以实现数据的读写和操作。
这包括了存储器层次结构的映射、虚拟存储器的管理、存储器保护机制等。
5. 存储性能优化：存储系统需要通过各种性能优化技术，提高
数据的访问速度和存储利用率。
这包括了读写缓存、预取、数据压缩和去重、存储调度算法等。
6. 存储系统可靠性与容错：随着存储容量的不断增加，存储系统的可靠性和容错性变得越来越重要。
它包括对硬件故障的容错机制（如RAID）、数据冗余备份和快速恢复等。
总之，存储系统原理是研究存储介质、存储管理和存储性能等方面的基本原理和技术，旨在设计和实现高性能、高可靠性和高效能的存储系统。
什么是存储系统
1．什么是存储系统？答：存储系统不是简单的存储设备，如磁盘；也不是人们常见的磁盘阵列。
简单的说，网络存储系统是由多个网络智能化的磁盘阵列和存储控制管理系统构成的。
如果我们用一个比喻来形容存储系统的话，假设我们把磁盘作为PC，磁盘阵列则相当于我们计算角度上的服务器，我们的存储系统就是高性能的计算机。
2．什么是高速缓冲存储器答：高速缓冲存储器就是根据程序的局部性原理，可以在主存和CPU通用寄存器之间设置一个高速的容量相对比较小的存储器，把正在执行的指令地址附近的一部分指令或者数据从主存调入这个存储器，供CPU在一段时间内使用，这样就能相对的提高CPU的运算速度。
他介于主存和CPU之间，这样的高速小容量存储器称为高速缓冲存储器。
Cache存储器介于CPU和主存之间，它的工作速度数倍于主存，全部功能由硬件实现，并且对程序员是透明的。
3．假设一台模型计算机共有10种不同的操作码，如果采用固定长操作码需要4位。
已知各种操作码在程序中出现的概率如下表所示，计算采用Huffman编码法的操作码平均长度，并计算固定长操作码和Huffman操作码的信息冗余量（假设最短平均长度H＝3.1位）。
答：构造Huffman树如下：Huffman 编码如下表： Huffman 编码的平均码长为：15.35)01.003.0(4)07.008.009.0(3)12.013.015.015.0(217.0101=⨯++⨯+++⨯++++⨯=∑=i ii lP 冗余量＝（3.15－3.10）/3.15＝1.59% 固定码长：log210＝4冗余量＝（4－3.10）/4＝22.5%4.若某机要求有：三地址指令4条，单地址指令192条，零地址指令16条。
设指令字长为12位，每个地址码长3位。
问能否以扩展操作码为其编码？答：三种指令格式字如下：3 3 3 3三地址指令4条单地址指令192条零地址指令16条。
简述计算机的存储系统
简述计算机的存储系统。
4.计算机的存储系统分为三级：
一、CPU——Cache 存储层次。
由于主存储器的读写速度低于CPU的速度，而CPU每执行一条指令都要访问内存储器，所以CPU 总是处于等待状态，严重降低了系统的效率。
引入Cache后，在Cache 内保存着主存储器内容的部分副本，CPU在读写数据时首先访问Cache。
由于Cache的速度与CPU相同，因此CPU就能在零等待状态下迅速地完成数据的读写。
二、Cache——内存储器存储层次。
当Cache中不含有CPU所需的数据时，CPU才去访问内存储器。
此时用一个存储器读取周期的时间从内存中读出这个数据后送到CPU，并且，把含有这个数据的整个数据块从内存送到Cache中。
三、内存储器——外存储器存储层次。
当一个程序需要执行时，计算机必须将其程序通过一定的调度算法从外存调入内存。
Cache→内存储器→外存储器：其容量越来越大，但读写速度越来越低。
西安电子科技大学_计算机组成与体系结构_第4章存储系统_课件PPT
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
计算机存储系统(课件)
Flash Memory（闪存）
一种非易失性存储器，可用于USB闪存盘、固态硬盘等。
存储设备介绍
硬盘驱动器（HDD） 使用磁存储技术的存储设备，存储容 量大，价格相对较低。
固态硬盘（SSD）
使用半导体存储技术的存储设备，存 取速度快，价格相对较高。
USB闪存盘
分布式存储系统介绍
分布式存储系统的概念
分布式存储系统是一种将数据分散存储在多个独立节点上的存储 系统，通过网络互联实现数据的访问和管理。
分布式存储系统的优点
分布式存储系统具有可扩展性、可靠性、高性能等优点，能够满足 大规模数据存储和处理的需求。
分布式存储系统的关键技术
分布式存储系统涉及的关键技术包括数据分布、数据复制、数据一 致性维护、容错处理、负载均衡等。
定期维护与更新
对存储系统进行定期维护和更新，以确保系统的稳定性和安全性。
THANKS
感谢观看
存储系统的分类
按存储介质分类
按访问方式分类
包括磁存储（如硬盘、磁带）、光存储（如 CD、DVD）、半导体存储（如RAM、ROM、 SSD）等。
包括直接访问存储（如硬盘）、顺序访问存 储（如磁带）、随机访问存储（如RAM）等。
按存储层次分类
按存储技术分类
包括主存储器（如RAM）、辅助存储器（如 硬盘、SSD）、三级存储器（如磁带库、光 盘库）等。
存储系统性能优化
1 2 3
提高存储设备的I/O性能
通过采用高性能的存储设备、优化存储设备配置、 提高存储设备的I/O带宽等方法，提高存储系统 的整体性能。
优化存储网络性能
通过采用高速网络技术、优化网络拓扑结构、减 少网络传输延迟等方法，提高存储网络的传输效 率。
存储系统概述
分块：将一个分区提成多个大小相等旳、地址相邻旳块，这些块称为分块。 它是构成条带旳元素。 条带（Striping）：同一磁盘阵列中旳多个磁盘驱动器上旳相同位置构成条带， 提升同时读写性能
驱动器1
D6 D3 D0
磁盘上旳数 据分块
驱动器2
D7 D4 D1
磁盘上旳数 据分块
驱动器3
读取数据块D2，D3… 读取数据块D1 读取数据块D0
D0,D1,D2,D3,D4,D5
驱动器1 D4 D2 D0
驱动器2 D5 D3 D1
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
RAID 0数据丢失
阵列中某一种驱动器发生故障，将造成其中旳数据丢失。
驱动器1 D6 D3 D0
驱动器2 D7 D4 D1
磁盘失效 数据恢复
驱动器3 D5 D3 P0
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
RAID组合---RAID 10
• RAID 10是将镜像和条带进行组合旳RAID级别，先进行RAID 1镜像然后再做 RAID 0。RAID 10也是一种应用比较广泛旳RAID级别。
读取数据
D0,D1,D2,D3,D4,D5
SAS
FC
接口类型
并行
串行
并行
串行
串行
主流接口速 100MB/S
率
133MB/S
300MB/S 600MB/S
320MB/S
3GB/S 6GB/S
2GB/S、4GB/S 、8GB/S
容量
1T/2T/3T 4T/6T
转速
5900 rpm 7200 rpm
最大连接设
2
1 or 15 with
计算机体系结构存储系统的认识与理解
计算机体系结构存储系统的认识与理解计算机体系结构是计算机科学中的一个重要概念,涉及到计算机硬件和软件之间的关系、计算机的逻辑结构和功能等方面。
存储系统是计算机体系结构中的重要组成部分,负责存储和管理系统的数据和程序。
本文将介绍计算机体系结构存储系统的认识与理解,并探讨其重要性和实现方法。
一、计算机体系结构存储系统的认识与理解计算机存储系统是指为计算机提供存储数据和程序的地方,通常包括主存储器、辅助存储器和输入输出设备等组成部分。
其中,主存储器是计算机中最重要的存储系统之一,用于存储计算机程序和数据。
主存储器通常分为三种类型:随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和闪存。
RAM是随机访问的存储器,可以在任何时候进行读写操作,但是其容量有限。
ROM是一种只读存储器,只能读取其编程内容,因此其容量非常大,但不可修改。
闪存是一种非易失性存储器,具有快速读写速度和大容量等优点,但是较为昂贵。
辅助存储器包括外置存储器和内置存储器。
外置存储器通常包括硬盘、软盘、USB存储器等,用于存储临时数据和文件。
内置存储器则包括内存、EEPROM、FRAM等,用于存储系统配置文件、程序代码等。
输入输出设备用于将数据和程序传输到计算机外部,例如显示器、键盘、鼠标等。
计算机存储系统的重要性不言而喻。
存储系统的配置和优化对计算机的性能、可靠性和安全性都有着重要的影响。
合理的存储系统可以提高计算机的运行效率,减少存储空间的占用,提高数据传输速度,降低系统出错率。
二、计算机体系结构存储系统的实现方法计算机体系结构存储系统的实现方法可以分为以下几种:1. 基于硬件的存储系统:这种存储系统直接将存储芯片嵌入到计算机系统中,通过硬件连接实现数据的存储和读取。
2. 基于软件的存储系统:这种存储系统使用操作系统提供的软件存储功能,通过操作系统的存储管理功能实现数据的存储和读取。
3. 基于网络的存储系统:这种存储系统通过网络进行数据存储和传输,可以通过分布式存储技术实现数据的大容量存储和高效性访问。
安全存储系统以及安全存储方法
安全存储系统以及安全存储方法随着信息技术的迅猛发展，数据的生成和存储量呈指数级增长。
随之而来的是对数据安全存储的需求越来越高。
安全存储系统是一种多层次的数据保护机制，它能够确保数据的完整性、保密性和可用性。
本文将介绍安全存储系统的概念、原理，并探讨几种常见的安全存储方法。
一、安全存储系统概述安全存储系统是一种综合性的数据保护方案，包括硬件、软件和网络等多个层面的保护措施。
其目标是防止未经授权的访问、避免数据丢失或损坏，并确保数据在存储和传输过程中的安全性。
安全存储系统的基本原理是将数据加密存储，以防止未经授权的访问。
同时，还可以通过数据备份和冗余存储技术来提高数据的可用性和恢复性。
此外，安全存储系统还需要具备访问控制、身份验证和审计等功能，以确保数据的完整性和可信度。
二、常见的安全存储方法1. 加密存储加密存储是安全存储系统的核心技术之一。
它通过对数据进行加密，以确保数据在存储介质上的安全性。
常见的加密存储方法包括对称加密和非对称加密两种。
对称加密是一种使用相同密钥进行加密和解密的方法，其速度较快，但密钥管理较为困难。
非对称加密则是使用一对密钥进行加密和解密，公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。
非对称加密的安全性较高，但速度较慢。
实际应用中，可以将对称加密和非对称加密结合使用，以兼顾速度和安全性。
2. 数据备份和冗余存储数据备份和冗余存储是确保数据可用性和恢复性的重要手段。
通过将数据备份到不同的存储介质或地点，可以防止数据因硬件故障或自然灾害等原因而丢失或损坏。
常见的数据备份和冗余存储方法包括镜像备份和增量备份。
镜像备份是将源数据完整地复制到备份介质，可以提供较快的数据恢复速度。
增量备份则是只备份发生变化的数据，可以节省存储空间和备份时间。
3. 访问控制和身份验证访问控制和身份验证是安全存储系统中保护数据完整性和可信度的重要手段。
通过对用户进行身份验证，并根据其权限进行访问控制，可以防止未经授权的用户访问数据。
简述计算机存储系统
简述计算机存储系统
计算机存储系统是计算机中最重要的组成部分，它负责处理和存储计算机数据、信息的记录、管理和分发。
近年来，由于云计算技术的发展，计算机存储系统发展快速，它在计算机系统中扮演着越来越重要的角色。
计算机存储系统主要分为三大部分：计算机软件，硬件设备和存储媒体。
计算机软件是用于管理计算机存储系统的一类程序，它能够帮助用户进行数据管理、文件检索以及实现备份等功能。
硬件设备是指为支持计算机存储系统而设计的硬件，包括硬盘、磁带机以及光盘驱动等，主要负责数据的输入和输出。
存储媒体是指将数据或信息存储的媒介，包括有线电视磁带、硬磁盘、光盘等。
除了这三个主要部分之外，计算机存储系统还有一些其他部分，包括存储协议、数据结构、操作系统、缓存等。
存储协议是计算机存储系统之间通信的一种规范，目的是保护数据和确保存储存储系统之间的兼容性。
数据结构是指将数据组织为特定格式的方法，以便于计算机存储系统更有效地进行数据管理。
操作系统是计算机系统的基础设施，负责管理和控制计算机存储系统的一系列任务。
缓存是指计算机存储系统中的一种临时存储器，它可以暂时存储和处理数据，以提高计算机系统的效率。
计算机存储系统在计算机系统中起着不可或缺的作用，它不仅能够有效帮助用户管理和存储数据，而且能够提高计算机系统的运行效率。
计算机存储系统的发展有助于推动云计算技术的发展，从而为用
户提供更加便捷的服务。
随着计算机技术的不断发展，计算机存储系统也会继续改进，以满足用户的需求。
存储系统基础知识全解
存储系统基础知识全解存储系统就像是一个超级大仓库，不过这个仓库不是用来存放粮食或者日用品的，而是用来囤数据的。
你可以把数据想象成一群调皮的小精灵，它们到处乱窜，存储系统就得把它们都抓住，然后乖乖地安排在合适的地方。
这个大仓库有好多不同的房间，每个房间都有自己的特点。
比如说硬盘，它就像是那种传统的大仓库房间，能容纳很多小精灵。
它的容量就像一个大口袋，可以塞进海量的数据小精灵。
虽然它看起来有点笨重，像个大笨熊，但它很可靠，就像一个老实憨厚的大叔，默默地守护着数据。
再说说内存，内存就像是仓库里的快速通道。
数据小精灵在这儿可以跑得飞快，就像开了挂一样。
它就像一个超跑赛道，只有那些最紧急、最活跃的数据小精灵才能在这里穿梭。
要是把硬盘比作慢吞吞的牛车，那内存就是火箭，速度杠杠的。
还有闪存呢，闪存就像是一个魔法口袋。
它小巧玲珑，携带方便，就像那种可以随时变东西出来的魔法道具。
它能把数据小精灵快速地收纳起来，而且不怕晃动，不像硬盘那个大笨熊，稍微震一下就可能让小精灵们乱跑。
存储系统还有一种分层结构，这就像盖房子一样。
底层的硬盘是地基，稳稳地托着一切。
内存就像是房子里的快速电梯，负责快速运输小精灵。
而闪存呢，就像是那些精致的小阁楼，放着一些比较特殊的小精灵。
说到数据的存储方式，那简直就像一场超级复杂的拼图游戏。
每个数据小精灵都有自己的位置，要是放错了，那就像把左脚的鞋子穿到右脚上，整个系统都会觉得别扭。
存储系统得小心翼翼地把这些小精灵排列好，就像一个强迫症患者在整理自己的收藏品。
而且，存储系统还得考虑安全问题。
这就好比是仓库有一群小偷在惦记着。
它得设置各种密码锁、防火墙这些保镖，把数据小精灵保护得严严实实的。
要是数据丢了，那就像仓库被洗劫一空，损失惨重啊。
备份也是存储系统的一个重要环节。
这就像是给小精灵们做克隆，万一有个意外，还有个备用的小精灵大军可以顶上。
就像孙悟空拔毛变分身一样神奇。
存储系统的性能优化就像给仓库的小精灵们进行军训。
存储系统
6.1存储系统:由多种不同工艺的存储器组成;Cache:在计算机存储系统的层次结构中，介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。
页表:是存储管理软件根据主存运行情况自动建立的,主存中的固定区域存放页表;段表:每一行记录了某个段对应的若干信息,包括段号、段起点、段长、装入位和其他控制位等，通常驻留在主存中；虚拟存储器:利用虚拟技术设计的存储器称为虚拟存储器;快表:当前最常用的页表信息存放在一个小容量的高速存储器中;慢表:与快表相对应,存放在主存中的页表称为慢表;虚地址:在虚拟存储器中的一种虚拟地址空间;实地址:与虚地址相对应;相联存储器:是一种按内容访问的存储器;双端口存储器:一个存储器具有两个端口,分别用L和R表示左端口和右端口,每个端口都有各自独立的读/写控制线路和各自的数据总线,地址总线和控制总线,从而可以通过两个端口同时对存储器进行读写操作,来提高存储器的存取速度;RAID:是一组物理磁盘驱动器,在操作系统下被视为一个单逻辑驱动器;集中刷新:在2ms最大刷新周期内,集中对每一行进行刷新。
分散刷新:将存储周期分为两段,前段读/写/保持,后段刷新。
异步刷新:按芯片行数决定所需的刷新周期数,并分散安排在最大刷新周期2ms中。
磁表面存储器:将磁性材料沉积在盘片的基体上形成记录介质,并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或读出信息.6.2计算机采用多级结构的存储系统的原因：答：从CPU角度来看，高速缓冲存储器—主存储器这一层次的速度接近与高速缓冲存储器，其容量和位价格却接近与主存储器；主存储器-辅助存储器这一层次的速度接近于主存储器，容量接近于辅助存储器，平均位价格也接近于低速、廉价的辅助存储器，这样就解决了速度、容量、成本三者之间的矛盾。
6.3多级存储系统的建立的原理：程序运行的局部性原理6.4存储器的主要技术指标：容量、技术、位价格；6.5按存取方式分类，存储器分为：随机存取存储器（RAM）：可以对存储器的内容随机地存取，RAM读/写方便，使用灵活，主要用作主存储器，也可以用作高速缓冲存储器；只读存储器（ROM）：只能随机读出二不能写入；顺序存取存储器（SAM）：只能按某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体上的物理位置有光；直接存取存储器（DAM）：是介于DAM和SAM之间。
存储系统及设备简介
存储系统及设备简介1. 引言存储是计算机系统中一个非常重要的组成部分，主要用于存储和管理数据。
存储系统及设备扮演着将数据持久存储并提供对数据进行读写访问的角色。
本文将介绍存储系统的基本概念和常见的存储设备，以帮助读者更好地了解存储系统的工作原理和选择适合自己需求的存储设备。
2. 存储系统概述存储系统是指用于存储计算机数据的一套硬件和软件设备。
它主要由存储设备、存储控制器和存储管理软件组成。
存储设备是实际用于存储数据的物理设备，如硬盘驱动器、固态硬盘(SSD)、磁带等；存储控制器用于管理存储设备，控制数据的读写和存储；存储管理软件则负责对存储设备进行管理，包括容量管理、数据备份和恢复等。
3. 存储设备介绍3.1 硬盘驱动器硬盘驱动器是一种常见的存储设备，它利用磁性材料在旋转的盘片上进行数据的读写。
硬盘驱动器以其容量大、成本低的特点，广泛应用于个人计算机和服务器。
根据连接接口的不同，硬盘驱动器可分为SATA接口和SAS接口两种。
SATA接口适用于普通个人计算机和家庭用户，而SAS接口适用于高性能服务器和数据中心。
3.2 固态硬盘固态硬盘(SSD)是一种新型的存储设备，它采用闪存芯片来存储数据，而不需要机械部件。
相比传统的硬盘驱动器，固态硬盘具有读写速度快、抗震抗摔、低功耗等优点。
然而，固态硬盘的价格相对较高，容量也有限制。
3.3 磁带磁带是一种较为传统的存储设备，它利用磁性带进行数据的存储。
磁带具有容量大、成本低的优点，适用于大规模数据备份和长期存储。
然而，磁带的读写速度相对较慢，适用于批量读写而不适合随机读写。
4. 存储系统工作原理存储系统的工作原理是将数据存储在存储设备上并提供对数据的读写访问。
当计算机需要存储数据时，存储系统首先将数据写入存储设备中，然后通过存储控制器和存储管理软件对数据进行管理。
当计算机需要读取数据时，存储系统根据存储地址和读取指令，从存储设备中读取数据，并传输给计算机。
存储系统还可以通过不同的存储技术来提高数据的可靠性和性能。
计算机存储系统
计算机存储系统在现代计算机技术中，存储系统扮演着至关重要的角色。
它是计算机的核心组成部分之一，负责存储和管理数据，为计算和检索操作提供支持。
计算机存储系统的设计和性能直接关系到计算机的速度和效率。
本文将介绍计算机存储系统的基本原理和不同类型的存储设备。
一、存储系统的基本原理计算机存储系统的基本原理是将数据存储在不同的介质中，通过电子信号的读写操作来实现数据的存取。
存储器的主要任务是提供一个可以快速读写数据的空间，供计算机进行运算和存储数据。
1. 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）随机存取存储器，简称RAM，是计算机存储系统中使用最广泛的一种存储设备。
RAM是一种易失性存储器，当计算机断电时，其中的数据将会丢失。
RAM的读写速度非常快，可以在很短的时间内读取或写入数据。
它通常被用作临时存储和高速缓存。
2. 只读存储器（Read-Only Memory，ROM）只读存储器，简称ROM，是一种非易失性存储器，其中的数据一经写入就无法更改。
ROM中存储了计算机的启动程序和固件等重要信息。
与RAM不同，ROM的数据读取速度较慢，但能够长时间保存数据。
3. 硬盘驱动器（Hard Disk Drive，HDD）硬盘驱动器，简称HDD，是一种机械式存储设备，使用磁性介质存储数据。
HDD容量大、价格相对较低，被广泛应用于个人电脑和服务器等领域。
然而，HDD的读写速度相对较慢，限制了计算机的整体性能。
4. 固态硬盘（Solid State Drive，SSD）固态硬盘，简称SSD，是一种基于闪存技术的非机械式存储设备。
SSD具有较快的读写速度和良好的耐用性，逐渐替代HDD成为主流存储设备。
尽管SSD的价格较高，但其性能和能耗优势使其成为现代计算机的首选存储设备。
二、存储系统的层次结构为了提高存储系统的性能和效率，存储器通常按照层次结构进行组织。
存储系统的层次结构从上到下包括高速缓存、主存储器和辅助存储器。
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存储系统概述第3章存储系统第3章存储系统3.1存储器概述3.2半导体读写存储器3.3半导体只读存储器和闪速存储器3.4主存储器与CPU的连接3.5并行存储器3.6高速缓冲存储器(Cache)3.7虚拟存储器3.8外存储器典型习题与解答3.1存储器概述3.1.1存储器分类3.1.2存储系统的设计及分级结构3.1.3主存储器的性能指标3.1.1存储器分类存储器：计算机硬件系统中用于存放程序和数据等二进制信息的部件。
1、按存储介质分类2、按存取方式分类3、按在计算机中的功能分类4、其他分类1、按存储介质分类(1)由半导体器件组成的半导体存储器；(2)由磁性材料做成的磁表面存储器，例如磁盘存储器和磁带存储器；(3)由光介质构成的光介质存储器，一般做成光盘。
2、按存取方式分类(1)随机存取存储器RAM(Random Access Memory)存储单元都能按地址访问，而且存取时间与存储单元的物理位置无关的存储器，称为RAM。
例如半导体读写存储器主要用途：主存、Cache、外设缓存。
(2)顺序存取存储器SAM(Sequential Access Memory)信息按顺序写入或读出的存储器，称为SAM。
以记录块为单位编址。
例如：磁带存储器特点：存储容量大，位价格低廉，存取速度慢。
主要用途：辅助存储器。
(3)直接存取存储器DAM(Direct Access Memory)首先按存取信息的区域随机访问，然后在指定区域用顺序方式存取的存储器，称为DAM。
例如：磁盘存储器特点：容量较大，速度和位价格介于SAM和RAM之间主要用途：辅助存储器。
3、按在计算机中的功能分类(1)主存储器(主存)用于存放计算机运行期间的大量程序和数据的存储器，CPU能直接访问。
由动态MOS存储器构成(2)高速缓冲存储器Cache Cache：介于CPU和主存之间的高速小容量存储器，用于存放最活跃的程序块和数据。
特点：速度快，但容量小。
(3)辅助存储器(外存储器)存放当前暂不参与运行的程序和数据，需要时再与主存成批交换信息的存储器。
组成：磁表面存储器，光盘存储器。
特点：容量大，可存放大量的程序和数据，但速度慢。
外存的信息需要调入主存后才能被CPU使用。
(4)控制存储器CM在微程序控制的计算机中，用于存放执行指令的微程序的存储器。
CM一般由ROM构成，属于控制器的一部分。
4、其他分类(1)按读写功能分类a.只读存储器ROM：工作时只能读出不能写入的存储器。
b.读写存储器RAM：既能读出又能写入的存储器。
?(2)按信息的可保存性分类a.永久性存储器：断电后仍能保存信息的存储器，如磁表面存储器。
b.非永久性存储器：断电后信息即消失的存储器，如半导体读写存储器。
3.1.2存储系统的设计目标及分级结构①存储系统的设计目标在一定的成本下，获得尽可能大的存储容量，尽可能高的存取速度以及可靠性等。
②多通用寄存器是现代计算机系统结构的特点之一。
多个通用寄存器寄存操作数及运算的中间结果，可有效提高机器的工作速度。
③计算机系统通常采用三级或三级以上的存储器结构。
(如图3.1所示)：计算机系统通常采用三级或三级以上的存储器结构1.高速缓冲存储器(Cache)利用CPU运行程序的局部性原理，Cache存放最活跃的程序和数据；若使CPU访问存储器时在Cache访问到的概率高，则从CPU的角度看到的存储系统，其速度接近Cache的速度。
2.主存储器(MS)即是主要的存储器，存放计算机运行期间的大量程序和数据。
既能为CPU直接访问，又能把最活跃的程序和数据存放到Cache中，提供给CPU使用。
3.外存储器存放当前暂不参与运行的程序和数据，当CPU需要时，再与主存成批交换信息。
由磁盘存储器、光盘存储器和磁带存储器构成。
小结：1.通过计算机的多级存储管理，发挥各级存储器的效能；2.Cache主要强调高速存取速度，以便使存储系统的速度与CPU相匹配；3.外存主要强调大的存储容量，以满足对计算机大容量存储的要求；4.主存要求有适当的容量和存取速度，以使其能容纳系统的核心软件和较多或较大的用户程序。
3.1.3主存储器的性能指标存储容量存储速度可靠性价格1、存储容量：主存存储单元的总数例：8位微机20位地址码(按字节编址)最大容量：2、存储周期：存储周期(TMC)：主存连续两次读/写操作之间所需的最短间隔时间。
存储周期的单位：ns(纳秒)1ns=10-9s注意区别存取时间TA与存储周期TMC：TA强调的是从开始读或写到把信息读出来或写入存储介质所需的时间。
TMC则除了完成读出或写入信息的时间外，还包括存储器内部的恢复时间。
通常TMC TA存储器带宽：主存带宽：指主存每秒钟可读/写的数据量，记为Bm，也称为主存的数据传输速率。
单位：字节每秒(B/s)或位每秒(b/s)带宽与TMC有关，还与主存的编址单位及结构等有关。
例子：例：两台计算机A和B，TMC都是10ns，编址单位分别为32位和8位，则3.存储器的可靠性衡量标准：故障平均间隔时间MTBF(Mean Time Between Failures)MTBF越长，可靠性越高。
4、性能/价格比性能-容量、存储速度、可靠性等价格-整个主存的价格，常用位价格表示：c=C/S(元/位)式中：S为主存容量(位)，C为整个主存价格，3.2半导体读写存储器RAM的分类3.2.1半导体基本存储单元3.2.2半导体存储器芯片的组织RAM的分类：3.2.1半导体基本存储单元1、双极型半导体存储器2、静态MOS存储元3、动态MOS存储器1、双极型半导体存储器双极型半导体存储元：由TTL(Transistor-transistor Logic)电路组成多射极存储元(图3.2所示)双极型存储元存储机理：用双稳态触发器的两个稳定状态表示一位二进制代码。
"0"态：T0管导通，T1管截止，即A点为低电位，B点为高电位；"1"态：T0管截止，T1管导通，即A点为高电位，B点为低电位；读、写原理：(1)写操作：写0：被选字线W为高电位，位线D加低电位，为中间电位(约1.25V)，迫使T1截止而T0导通，B点电位为高，写入0。
(2)存储状态：被选字线W为低电位(约0.2V)，位线D、均保持中间电位。
(3)读操作：非破坏性读出：在读的过程中，由于字线W的升高，只使得原来流向字线W的电流转向流入位线D或。
而T0、T1管的导通/截止状态未因此改变，也就是说，读出并不改变原来存储的状态。
2.静态MOS存储元存储机理：用双稳态触发器的两个稳定状态表示1和0。
只要电源正常，保存的1或0就能长久保存，而不需要任何"刷新"操作，这就是静态RAM的含义。
(1)组成T1、T2管：触发器存储元工作管。
(2)工作原理"1"态：T1截止，T2导通，即A点为高电位，B点为低电位。
"0"态：T1导通，T2截止，即B点为高电位，A点为低电位。
①写操作②读操作：X，Y地址译码线同时为高电位，T5、T6、T7、T8导通，A、B两点与各自的位线D和接通，存储元的信息被送到位线上，再经读出放大器输出信号。
3.动态MOS存储器(1)存储机理用电容存储电荷的多少表示1和0，信息可以维持一定时间。
四管动态存储元"1"态：C2充电至高电位，C1无充电呈低电位。
"0"态：C1充电至高电位，C2无充电呈低电位。
(2)写入操作：写1时：I/O="1"，="0"，(3)读出操作：(4)刷新操作：以电荷形式保存信息的电容尽管栅极的输入阻抗很高，但仍会漏电，时间一长，造成信息丢失，因此，必须定时给电容充电，这就是动态存储元信息的"再生"或"刷新"。
(5)单管动态存储元①写入：字选择线为高电平，T管导通，字中的每一位数据通过各自的位线(数据线)存入电容C中。
写1：位线D加高电位，使C充电至高电位；写0：位线D加低电位，使C放电(原存1)或不充电(原存0)。
(6)单管与四管动态存储元比较四管动态存储元：3.2.2半导体存储器芯片的组织1、地址译码驱动2、静态SRAM芯片3、动态DRAM芯片1.地址译码驱动按指定地址访问主存储器是冯?诺依曼计算机的主要工作特点，主要是通过译码电路来实现。
(1)一维地址译码方式优点：结构简单。
缺点：当芯片容量增大时，译码器的复杂性按指数规律增加。
一维地址译码适合小容量的场合。
(2)二维地址译码的位选方式把n位地址划分为行和列两组，通过行、列两个译码器译码，分别选择行驱动线Xi和列驱动线YJ，如图3.6所示。
优点：是地址译码器的结构简单，节省驱动器和译码线。
缺点：同一存储单元的各个二进制位分布在不同的芯片上，即每个存储芯片只能提供该单元的一个二进制位。
(3)二维地址译码的字选方式这是一维地址译码与二维地址译码的位选方式二者的结合。
读/写时，地址n1通过行译码器选中一行，n2通过列译码器选中一列(b 位)。
二维地址译码的字选方式图3.7 2.静态SRAM芯片存储体、地址译码驱动电路、读写电路、控制电路存储体SRAM芯片的存储体是由静态存储元按行、列排列的阵列结构组成。
地址译码驱动I/O电路用以控制被选中的存储元读出或写入，并具有信号放大的功能。
(2)SRAM芯片实例如图3.10 2114逻辑结构框图Intel 2114(SRAM)：1K×4位排成64×16×4即64×64存储矩阵，片内需地址线10位，其中6根用于行译码，余下的4根用于列译码，产生64/16条选择线。
3、动态DRAM芯片①存储元按行、列排列成存储体(128×128)②行、列地址分时进入行、列地址锁存器③读出放大器：行有128个，被选行的128个存储元都选通到各自的放大器。
列有128个，被选列只有一个放大器被选通。
④输入和输出锁存器(2)2116DRAM的读周期、写周期和刷新周期写周期图3.12读、写周期时序图(b)写周期刷新周期①刷新行地址应在RAS前有效并保持不小于TAH时间②CAS=H按行刷新4、动态存储器的刷新由于MOS动态存储元是以电荷形式存储信息的，栅极电容会缓慢泄放电荷，为维持所存信息，需定时补充电荷，这就是刷新。
读出过程是补充电荷(刷新)的过程，但访问的随机性不能保证定期按序的刷新。
刷新周期：2ms，4ms或8ms。
(1)DRAM的刷新方式①集中刷新方式：刷新操作集中进行。
(a)集中刷新方式(b)分散刷新方式③异步刷新方式：异步刷新方式：在行刷新的间隔时间里按序进行一行的刷新操作(可安排在不读不写时进行)。
平均行刷新时间TMEAN=2000us/128=15.5(us)优点：不存在死时间，刷新占时少。