存储器的层次结构(精)

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存储的核心概念

存储的核心概念存储是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和管理数据和程序。

它允许计算机在执行指令和处理数据时进行读写操作，并且可以长期保存数据以供以后使用。

存储的核心概念包括存储层次结构、存储器层次、主存储器和辅助存储器。

一、存储层次结构计算机中的存储层次结构是根据存取速度和容量来划分的，它分为多个层次，每个层次都有自己的特点和功能。

存储层次结构从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器。

下面我将逐一介绍这些层次。

1. 寄存器：寄存器是存储器层次结构中最接近CPU 的一层，也是最快的一层。

它用于存放CPU 需要立即访问的数据和指令。

寄存器的容量很小，一般只有几十个字节，但是它的读写速度非常快，能够满足CPU 对数据和指令的高速处理需求。

2. 高速缓存：高速缓存是位于CPU 和主存储器之间的一层存储器，作为主存储器和寄存器之间的缓冲区，用于加速CPU 对数据和指令的访问。

高速缓存的容量比寄存器大，但比主存储器小，一般几十到几百个千字节。

它的读写速度比主存储器快，但比寄存器慢。

它通过缓存一部分主存储器中的数据和指令，提高了CPU 对存储器的访问效率。

3. 主存储器：主存储器（也叫内存）是计算机系统中最重要的存储器，用于存放程序和数据。

它的容量比高速缓存大，一般几十到几百个千兆字节。

主存储器的读写速度比高速缓存慢，但比辅助存储器快。

它能够提供给CPU 进行读写操作。

4. 辅助存储器：辅助存储器（也叫外存）是计算机系统中最大的存储器，负责长期保存数据和程序。

它的容量比主存储器大，可以达到几百个千兆字节或者更大。

辅助存储器的读写速度比主存储器慢，但它具有永久存储的特点，即使计算机断电，数据也不会丢失。

以上是存储层次结构中的几个层次，不同层次的存储器在容量、读写速度、价格等方面都有所不同，通过合理地利用这些存储器，可以提高计算机系统的性能和效率。

二、存储器层次存储器层次是指存储器在层次结构中的位置和关系。

片上计算机系统05-存储器

– 易失性可擦除可编程只读存储器 – 静态随机存储器、动态随机存储器
只读存储器（Read Only Memory）
– 非易失性 – 掩膜型只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器（Flash Memory）紫外线接收窗
一、存储器分类
1、按存储介质分类
– 半导体存储器：TTL、MOS – 磁表面存储器：磁盘、磁带、磁鼓 – 磁芯存储器：硬磁材料的环状元件 – 光盘存储器：激光、磁光
易失
体积小、功耗低、存取时间短、易失性。
非易失
2、按数据保存方式分类
随机存储器（Random Access Memory）
– 易失性 – 静态随机存储器、动态随机存储器
地址空间
逻辑地址物理地址虚地址（逻辑地址）：程序员编程时采用 0 1 2 3 4 5 6 7
的地址（相对地址），地址空间大于实际 MOV AX, #4 20 MOV AX, #4 主存。 MOV BX, #2 21 MOV BX, #2 MOV CX, #6 实地址（物理地址）：主存的实际地址 22 MOV CX, #6 JMP 6 23 JMP 26 AND AX, #23 虚硬件：MMU 实 24 AND AX, #23 AND BX, #22 地地软件： OS 25 AND BX, #22 MOV DX,址 #3 址MOV DX, #3 26 SUB DX, AX 27 SUB DX, AX
3、按数据存取方式分类
直接访问：
– 访问时间不随访问位置而变化。 – 内存
串行访问：
– 访问时间随访问位置而变化。 – 磁带（顺序访问）

【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。

层次化存储器基本结构

层次化存储器基本结构层次化存储器是计算机系统中重要的存储器层次结构之一，它由多层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。

在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调，以提高系统的存储器性能和效率。

一、层次化存储器的概念层次化存储器是指计算机系统中采用多层次存储器结构的存储器系统。

它由多个层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。

一般来说，层次化存储器由高速缓存、主存储器和辅助存储器三个层次组成。

其中，高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，速度最快，容量最小；主存储器是位于CPU外部的二级缓存，速度较快，容量较大；辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，速度较慢，容量最大。

二、层次化存储器的特点1. 高速缓存：高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，具有很快的访问速度和较小的容量。

它能够缓存CPU频繁访问的数据和指令，以提高系统的执行效率。

2. 主存储器：主存储器是位于CPU外部的二级缓存，具有较快的访问速度和较大的容量。

它是CPU和辅助存储器之间的桥梁，负责数据的传输和临时存储。

3. 辅助存储器：辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，具有较慢的访问速度和最大的容量。

它主要用于长期存储和备份数据，以及作为主存储器的扩展。

三、层次化存储器的工作原理在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调工作。

当CPU需要访问数据或指令时，首先会在高速缓存中查找，如果找到了，则直接进行访问；如果没有找到，则会在主存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到高速缓存中，并进行访问；如果还没有找到，则会在辅助存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到主存储器中，并再次进行查找和访问。

四、层次化存储器的优势层次化存储器的设计思想是利用不同层次的存储器的特点和优势，以提高系统的存储器性能和效率。

具体优势如下：1. 提高存储器访问速度：高速缓存和主存储器具有较快的访问速度，可以满足CPU对数据和指令的快速访问需求，提高系统的执行效率。

请简要介绍存储器层次结构及其作用。

存储器层次结构是计算机体系结构中的一个重要概念，用来描述计算机中不同层次的存储器组织和作用。

它是按照存储器访问速度和容量进行划分，并通过不同层次之间的数据传输来实现高效的数据访问。

存储器层次结构包括多层次的存储器，从高速小容量的寄存器到低速大容量的辅助存储器。

存储器层次结构的作用主要有以下几个方面：1. 提高数据访问速度：存储器层次结构的最底层是寄存器，它位于CPU内部，速度最快。

寄存器被用来存储CPU需要立即访问的数据和指令。

而较高层次的存储器，如高速缓存和主存储器，虽然速度较寄存器慢，但容量更大，可以存储更多的数据和指令。

通过将频繁使用的数据和指令存储在高速缓存中，可以缩短CPU从主存储器中读取数据的时间，从而提高数据访问速度。

2. 增加存储容量：存储器层次结构的最高层是辅助存储器，如硬盘或固态硬盘。

辅助存储器的容量远大于其他层次的存储器，它可以存储大量的数据和程序。

虽然辅助存储器的速度较慢，但它提供了长期存储数据的能力，可以保存在断电后不会丢失的数据。

通过将不常用的数据和程序存储在辅助存储器中，可以释放高速缓存和主存储器的空间，提高系统的整体存储容量。

3. 优化存储器资源的利用：存储器层次结构可以根据不同的访问模式和数据访问特点来优化存储器资源的利用。

高速缓存作为CPU和主存储器之间的缓冲区，可以根据程序的局部性原理，预先将可能会被使用的数据和指令存储在高速缓存中，以提高命中率。

同时，高速缓存还可以利用替换算法来选取最不常用的数据进行替换，以保证高速缓存中存储的是最有用的数据。

4. 提高系统性能：存储器层次结构的设计可以提高系统的整体性能。

通过将数据和指令存储在更接近CPU的存储层次中，可以减少数据传输的延迟，加快数据访问速度。

同时，存储器层次结构还可以根据程序的特性和访问模式进行优化，提高命中率和数据的局部性，减少不必要的数据传输，提高系统的整体性能。

存储器层次结构在计算机体系结构中起着重要的作用。

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。

存储器层次结构

存储器层次结构存储器层次结构存储技术计算机技术的成功很⼤程度来源于存储技术的巨⼤进步。

早期的电脑甚⾄没有磁盘。

现在电脑上的磁盘都已经按T算了。

随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分两类：静态的：SRAM，⾼速缓存存储器，既可以在CPU，也可以在⽚下。

动态的：DRAM，⽤于主存或者图形系统帧缓冲区。

通常情况下，SRAM的容量都不会太⼤，⽽相⽐之下DRAM容量可以⼤得离谱。

静态RAMSRAM将每个位存储在⼀个双稳态存储器单元⾥，每个单元⽤⼀个六晶体管电路实现。

这种电路有⼀个属性，它可以⽆限期地保持两个不同的状态的其中⼀个，其他状态都是不稳定的。

如上图，它能稳定在左态和右态，如果处于不稳定状态，它就像钟摆⼀样⽴刻变成两种稳态的其中⼀种。

也因为它的双稳态特性，即使有⼲扰，等到⼲扰消除，电路就能恢复成稳定值。

动态RAMDRAM的每个存储是⼀个电容和访问晶体管组成，每次存储相当于对电容充电。

该电容很⼩，⼤约只有30毫微微法拉。

因为每个存储单元⽐较简单，DRAM可以造的⾮常密集。

但它对⼲扰⾮常敏感，被⼲扰后不会恢复。

因此它必须周期性地读出重写来刷新内存的每⼀位。

或者使⽤纠错码来纠正任何单个错误。

两者总结传统的DRAMDRAM芯⽚内的每⼀个单元被叫做超单元。

在芯⽚内，总共有d 个超单元，它们被排列成⼀个r×c ⼤⼩的矩阵，也就是说d=r×c，每个超单元都可以⽤类似(i,j) 之类的地址定位⽽每个超单元则是由w 个DRAM单元组成。

因此⼀个DRAM芯⽚可以存储dw 位的信息。

上图是⼀个16×8 的DRAM芯⽚的组织。

⾸先由两个addr引脚依次传⼊⾏地址i 和列地址j 。

每个引脚携带⼀个信号。

由于这是4×4 的矩阵，因此两个就够了。

然后定位到(i,j) ，将该地址的超单元信息传出去。

第6章存储器层次结构

n局部性原理★n存储器层次结构☆n高速缓存存储器☆n到目前为止的计算机模型中，我们假设计算机的存储器系统是一个线性的字节数组，而CPU能够在一个常数时间内访问每个存储器位置。

但它没有反映现代系统实际的工作方式。

n实际上，存储器系统是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。

n如果你的程序需要的数据是存储在CPU寄存器中，那在指令的执行期间，在零个周期内就能访问到它们；如果存储在高速缓存中，需要1~30个周期；如存储在主存中，需要50~200个周期；如存储在磁盘上，需要大约几千万个周期n作为一个程序员，需要理解存储器层次结构，它对应用程序的性能有着巨大的影响，这是因为计算机程序的一个称为局部性的基本属性引起的。

•不同矩阵乘法核心程序执行相同数量的算术操作，但有不同程度局部性，它们运行时间可以相差20倍•本章将介绍基本的存储技术、局部性、高速缓冲存储器等内容。

n局部性原理★n存储器层次结构☆n高速缓存存储器☆•RAM(随机访问存储器，Random-Access Memory )–静态RAM (SRAM)•每个cell使用6个晶体管电路存储一个位•只要有电，就会无限期地保存它的值•相对来说，对电子噪声等干扰不敏感•比DRAM更快、更贵–动态RAM (DRAM)•每个cell使用1个电容和1个访问晶体管电路存储一个位•每隔10-100 ms必须刷新值•对干扰敏感•比SRAM慢，便宜ü拍、太、吉、兆、千、毫、微、纳(毫微)、皮(微微)、飞(毫微微)•传统DRAM芯片–所有cell被组织为d个supercell，每个supercell包含了w个cell，一个d×w的DRAM总共存储了dw位信息。

supercell被组织成r行c 列的矩阵，即rc=d。

•步骤1(a): Row access strobe (RAS)选择row 2•步骤1(b): 从DRAM阵列中拷贝Row 2到行缓冲区•步骤2(a): Column access strobe (CAS)选择column 1。

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

2021/8/14
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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。
3. 地址映象和变换的速度比较快。在把用户程序装入到主存储器的过程中，只要建立用户程序的虚页号与主存储器的实页号之间的对应关系即可不必使用整个主存的地址长度，也不必考虑页号的长度等。
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
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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。
3. 对辅存（磁盘存储器）的管理比较难。磁盘存储器通常是按固定大小的块来访问的，如何把不定长度的程序段映象到固定长度的磁盘存储
器中，需要做一次地址变换。
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(2)页式管理(P151)。页是系统规定的固定长度单位。按页划分用户文件可以避免上述零碎
空间浪费。我们把用户文件划分得到的一个长度单位称为“虚页”，因为它的页
4. 对辅存（磁盘存储器）的管理比较容易。因为页的大小一般取磁盘存储器物理块的大小（512字节）的整数倍。
页式虚拟存储器的缺点主要有两个：
1. 程序的模块化性能不好。由于用户程序是强制按照固定大小的页来划分的，而程序段的实际长度一般是不固定的。因此，页式虚拟存储器中一页通常不能表示一个完整的程序功能。

存储器管理

第四章存储器管理第0节存储管理概述一、存储器的层次结构1、在现代计算机系统中，存储器是信息处理的来源与归宿，占据重要位置。

但是，在现有技术条件下，任何一种存储装置，都无法从速度、容量、是否需要电源维持等等多方面，同时满足用户的需求。

实际上它们组成了一个速度由快到慢，容量由小到大的存储装置层次。

图4-1 计算机系统存储器层次示意图2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：容量很小、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：容量在若干KB、MB、GB，中等速度、中等价格、需要电源维持、CPU可直接访问；•磁盘高速缓存：一般设于主存中；•多种类型的磁盘：容量在数MB或数GB，低速、价廉、不需要电源维持、CPU不可直接访问；由操作系统协调这些存储器的使用。

二、存储管理(主存管理)的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在速度、规模和成本之间获得较好的权衡。

(注意CPU和主存储器，这两类资源管理的区别)2、存储管理的主要功能：•地址重定位•主存空间的分配与回收•主存空间的保护和共享•主存空间的扩充三、逻辑地址与物理地址1、逻辑地址(相对地址，虚地址)：用户源程序经过编译/汇编、链接后，程序内每条指令、每个数据等信息，都会生成自己的地址。

●一个用户程序的所有逻辑地址组成这个程序的逻辑地址空间(也称地址空间)。

这个空间是以0为基址、线性或多维编址的。

2、物理地址(绝对地址，实地址)：是一个实际内存(字节)单元的编址。

●计算机内所有内存单元的物理地址组成系统的物理地址空间，它是从0开始的、是一维的；●将用户程序被装进内存，一个程序所占有的所有内存单元的物理地址组成该程序的物理地址空间(也称存储空间)。

四、地址映射(变换、重定位)当程序被装进内存时，通常每个信息的逻辑地址和它的物理地址是不一致的，需要把(程序中的)逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；例如指令LOAD L，2500 /*将2500号单元内的数据送入寄存器L*/ ----P123图4-3 作业装进内存时的情况地址映射分静态和动态两种方式。

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。

存储器层次结构

Latency: 1-10 cycle
Main memory
Latency: 50-100 cycle
Disk storage
Latency: 20 000 000 cycle
Network storage
计算机程序的局部性(locality)
良好局部性的程序
重复访问相同的数据项集合倾向于访问临近的数据项集合
存储器层次结构(memory hierarchy)
存储器层次结构中的缓存
高速缓存(cache)
一个小而快速的存储设备作为存储在更大也更慢的设备中的数据对象的缓冲区域
存储器层次结构的中心思想
位于k层的更快更小的存储设备作为位于k+1层的更大更慢的存储设备的缓存
存储器层次结构中的数据传输
随着步长的增加，空间局部性下降
引用多维数组
int sumarraycols(int a[M][N]) {
int i,j,sum = 0; for(j=0;j<N;j++)
for(i=0;i<M;i++) sum += a[i][j];
return sum } 按列优先顺序访问(col-major order) 步长为N 局部性差
冲突不命中(conflict miss)
限制性的块放置策略
高速缓存管理
寄存器
编译器
L1,L2 cache
内置在缓存中的硬件逻辑
DRAM 主存
操作系统软件和 CPU上的地址翻译硬件
本地磁盘缓存网络应用程序存储
提纲
导论存储技术局部性原理存储器层次结构高速缓存存储器编写高速缓存友好的代码利用程序中的局部性

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。

12存储器管理1

。
4.2.2 固定分区分配
分区式管理基本思想：
将内存划分成若干个连续区域，称为
分区。
每个分区只能存储一个程序，而且程序也只能在它所驻留的分区中运行
。
1. 固定分区

预先把可分配的主存储器空间分割成若干个连续区域，称为一个分区。每个分区的大小可以相同也可以不同，但分割后的分区大小固定不变，每个分区装一个且只能装一个作业存储分配：如果有一个大小合适的空闲区, 则分配给进程划分分区方法：大小相等、大小不等
源程序
0
逻辑地址空间
物理地址空间
BA=1000 Load A data1 100 Load A 200 Load A 200
编译连接
data1 3456 200 3456
地址映射
1200 3456 。。
名空间、地址空间、存储空间
1.逻辑地址与物理地址的映射

逻辑地址（相对地址，虚地址）：用户的程序目标代码通常采用相对地址的形式，其首地址为0，其余指令中的地址都相对于首地址而编址。不能用逻辑地址在内存中读取信息物理地址（绝对地址，实地址）内存中存储单元的地址，可直接寻址
110J1
0K 15K 38K 48K 68K 80K 85K 98K 110K 120K
空闲区表
始址 15K 48K 长度 23K 20K 30K 25K 12K 标志未分配未分配未分配空
J2
80K 85K 98K
空
J3 J5
已分配区表
始址长度标志
存储器的层次结构
1. 存储器的层次结构
2.各种存储器

高速缓存Cache：少量的、非常快速、昂贵、易变的内存RAM：若干兆字节、中等速度、中等价格、易变的磁盘：数百兆或数千兆字节、低速、价廉、不易变的

计算机组成原理(第三版)第 3 章存储器及存储系统

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3.2 主存储器
• 主存储器按其功能可分为RAM和 ROM。
一二随机存取存储器RAM 只读存储器ROM
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一、随机存取存储器RAM
MM
Y0
Bm-1
Y1
……
B0
An-1…A0
M A R
M A D
…
Y2n-2
Y2n-1
…
CS
WE
R/W读写控制电路
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三、存储器的层次结构
1.分级原理：根据程序执行的集中性和局部性原理而构建的分层结构。信息流动分规律为从低速、大容量层次向高速、小容量层次流动，解决速度、价格、价格这三者之间的矛盾，层次间信息块的调度由硬件和软件自动完成，其过程对用户透明。 2.三级存储管理系统： • Cache： • ·采用TTL工艺的SRAM，哈佛结构； • ·采用MOS工艺的SRAM，指令与数据混存，其与内存之间信息块的调度（几十字节）全由Cache控制器硬件完成。 • 主存： • ·ROM常用FROM，E2PROM等构成； • ·RAM常用DRAM构成，RAM和ROM采用统一编码。 • 虚存： • 采用磁盘存储器，主存+OS中的存储器管理软件联合构成，其信息块常用页、段表示，其间的信息块调度由管理软件完成。
字线
数据线 Cd
T
C
单管MOS动态存储器结构
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（2）DRAM存储器
RAS CAS WE OE 定时和控制
4M×4位的DRAM

存储器的层次结构(精)

存储的核心概念

片上计算机系统05-存储器

【计算机组成原理】存储系统

层次化存储器基本结构

请简要介绍存储器层次结构及其作用。

存储器层次结构课件

存储器层次结构

第6章 存储器层次结构

计算机存储器的层次结构

计算机存储器的层次结构

存储器管理

计算机组成原理存储器的层次结构

存储器层次结构

存储器的层次结构及组成原理

12存储器管理1

计算机组成原理(第三版)第 3 章 存储器及存储系统

第6章存储器层次结构

计算机组成原理(第三版)第 3 章存储器及存储系统