存储器层次结构
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。
知识点归纳 计算机架构中的处理器与存储器层次结构
知识点归纳计算机架构中的处理器与存储器层次结构计算机架构中的处理器与存储器层次结构计算机架构是指计算机系统中使用的各种硬件和软件资源的组织方式和连接方式。
处理器和存储器是计算机架构中最核心的两个组成部分。
在计算机系统中，处理器负责执行指令和处理数据，而存储器则用于存储程序和数据。
在处理器与存储器之间，存在着层次结构，其中各个层次的存储器具有不同的特点和访问速度。
一、计算机架构中的处理器层次结构在计算机架构中，处理器的多层次结构的设计是为了提高计算机的运行效率和性能。
常见的处理器层次结构包括以下几个层次：1. 控制器层：控制器层是处理器层次结构中的最顶层，它负责接收和解析指令，并向其他层次传递指令和控制信号。
控制器层通常由控制单元和时钟电路组成。
2. 算术逻辑单元(ALU)：ALU是处理器层次结构中的核心部件，它负责执行算术和逻辑运算。
ALU可以执行加法、减法、乘法、除法等算术运算，同时也可以执行逻辑运算，如与、或、非等运算。
3. 寄存器层：寄存器层是处理器层次结构中与ALU紧密结合的部分，它用于存储指令和数据。
寄存器层的存储容量较小，但访问速度非常快，可以直接与ALU进行数据交换，提高计算效率。
4. 缓存层：缓存层是处理器层次结构中位于主存和寄存器之间的一层，用于缓存最常用的指令和数据。
由于缓存的读写速度比主存快得多，可以减少对主存的访问次数，从而提高计算效率。
5. 总线层：总线层是处理器层次结构中用于传输数据和控制信号的通道。
它负责将指令、数据和控制信号从寄存器、缓存等部件传输到其他组件，如主存、外部设备等。
二、计算机架构中的存储器层次结构存储器层次结构是指计算机系统中各层次存储器的组织方式和访问特点。
常见的存储器层次结构包括以下几个层次：1. 寄存器层：寄存器层是存储器层次结构中最接近处理器的一层，它用于存储指令和数据。
寄存器层的存储容量非常有限，但读写速度非常快，通常用于存储当前执行的指令和相关数据。
存储器：层次结构、局部性
存储器：层次结构、局部性1. 简单介绍计算机存储器的分成存储结构、访问速度和⼤⼩；2. 第⼀⼩节是对"局部性"的理解基础；局部性重要点：1. 通过数据在内存中的顺序，以步长为1的⽅式读取数据；2. 读⼊了⼀个对象，就应该尽可能多的使⽤：1. 同⼀个内存位置要多次引⽤；2. 对此对象其他内存位置的使⽤要集中在读后后的时间内使⽤；3. 编译器将局部变量放在寄存器上，因此对局部变量的引⽤⾮常快（时间局部性）；4. 将注意⼒放在常⽤核⼼函数内循环的优化上，他们是最长被执⾏的代码，减少内循环的缓存不命中。
局部性/缓存命中（对⽐VM页命中）是本节最重要的概念.⼀.存储器的层次结构1.1 层次、访问时间、块⼤⼩⼀个典型的存储器层次结构分为五个部分：硬盘的替代产品是SSD速度极快：1. CUP对于各个层次的存储器的访问时间：寄存器1个时钟周期，⾼速缓存cache/SRAM⼏个时钟周期，内存DRAM⼏百个时钟周期，硬盘访问的时钟周期是内存的⼗万倍，也就是打给千万个时钟周期；2. 各个层次存储器总⼤⼩(本机为例)：L1_cache:32KB4,L2_cache:2562KB,L3_cache:6MB,内存12GB，SSD128GB，SATA500GB；3. 相邻层次的存储器使⽤⼤⼩相同的块传输数据，块⼤⼩的设定⼀般是层次越靠上块越⼩：寄存器与L1_cache之间1字(本机64位4字节)，SRAM之间及与DRAM之间是⼏⼗个字节，⽽内存DRAM和硬盘之间可能达到⼏百KB或MB量级。
1.2 各层次存储器简介，详情看书1.2.1 SRAM、DRAM和CUP对内存的访问cache使⽤SRAM，即静态随机访问存储器，每位bit使⽤六个晶体管保存。
具有双稳态特性：只要有电就会永远保持它的值，对光电⼲扰不敏感。
内存使⽤DRAM，每位对应⼀个电容的充电，使⽤⼀个晶体管。
对光电⼲扰敏感，电容电压被扰乱后就不能恢复了。
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。
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。
知识点归纳 计算机架构中的指令集与存储器层次结构
知识点归纳计算机架构中的指令集与存储器层次结构计算机架构中的指令集与存储器层次结构计算机架构是计算机系统的基本组成和工作原理的体系结构，它包括指令集和存储器层次结构。
指令集是计算机的机器指令集合，用于操作和控制计算机硬件；而存储器层次结构则是计算机系统中处理器和主存之间的一系列存储器层级，用于加快数据访问速度和提高系统性能。
本文将对计算机架构中的指令集与存储器层次结构进行归纳总结。
一、指令集1.1 CISC指令集体系结构CISC（Complex Instruction Set Computer）指令集体系结构为每个操作提供了丰富的指令集，具有指令编码短、程序紧凑的特点。
CISC计算机的指令集设计考虑了高级语言并提供了高级指令，但指令复杂度高，执行速度较慢。
1.2 RISC指令集体系结构RISC（Reduced Instruction Set Computer）指令集体系结构精简了指令集，每个操作都由一条简单、固定长度的指令来实现。
RISC计算机的指令集设计追求指令的简洁性和执行速度，但需要编译器对指令进行优化，使得程序执行更加高效。
1.3 x86指令集x86指令集是当前主流的个人计算机指令集，其结构可以看作是CISC和RISC的混合形式。
x86指令集保留了一部分CISC指令，同时加入了一些RISC特性，以提高指令执行的效率。
二、存储器层次结构2.1 高速缓存（Cache）高速缓存是存储器层次结构中最接近处理器的一级缓存，用于存放处理器频繁访问的数据和指令。
高速缓存分为L1缓存和L2缓存，其中L1缓存位于处理器内部，速度最快，容量较小；L2缓存位于处理器外部，速度较慢，容量较大。
2.2 主存（Main Memory）主存是计算机中用于存储程序和数据的主要存储器，也是计算机存储器层次结构中相对较慢的部分。
主存的存取速度相对较慢，但容量较大。
2.3 辅助存储器辅助存储器用于存储程序和数据的永久性存储，通常采用磁盘、固态硬盘或者磁带等形式。
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。
简述现代计算机中都采用的三级存储器体系结构
简述现代计算机中都采用的三级存储器体系结构现代计算机体系结构通常采用三级存储器体系结构,也被称为地址空间体系结构。
该体系结构由三个层次组成:数据存储器、指令存储器和控制存储器。
数据存储器是计算机最重要的存储器之一,用于存储程序和数据。
在三级存储器体系结构中,数据存储器通常分为两个部分:随机存取存储器(RAM)和静态随机存取存储器(SDRAM)。
RAM是计算机中最快速的存储器,用于存储程序和数据。
它通常是动态分配的,可以在程序运行时动态地更改。
静态RAM则是一次性分配的,一旦分配后就不能更改。
指令存储器是计算机中存储指令的存储器。
指令存储器通常由一个或多个指令库组成,每个指令都包含指令代码、操作码和操作结果。
指令存储器通常是一个静态的存储器,可以在程序运行时动态地访问。
控制存储器是计算机中存储控制信息的存储器。
控制存储器通常包括指令控制码、中断控制码、时钟控制码等,用于控制计算机的操作。
在三级存储器体系结构中,控制存储器通常是静态的。
三级存储器体系结构是现代计算机体系结构中最常用的体系结构之一,具有高速度和高可靠性的特点。
它使得计算机能够处理大量的数据和执行复杂的指令。
同时,三级存储器体系结构也具有灵活性和可扩展性,可以根据需要增加更多的
存储器层次。
存储器层次结构
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。
计算机存储体系结构的层次、特点和目的
计算机存储体系结构的层次、特点和目的计算机存储体系结构是指计算机中各种存储介质之间的组织结构和层次关系。
它是计算机系统中非常重要的一部分，涉及到数据的存储、读取和处理等方面。
计算机存储体系结构的层次、特点和目的主要有以下几个方面。
1. 层次结构：计算机存储体系结构按照存储介质的性能和容量特点，划分为不同的层次。
通常分为主存储器、辅助存储器和高速缓存三个层次。
主存储器是计算机中最接近CPU的存储介质，其特点是容量较小但读写速度快，常用的有内存和寄存器。
辅助存储器是用于长期存储数据和程序的介质，其容量大但读写速度相对较慢，常用的有硬盘、光盘等。
高速缓存是介于主存储器和CPU之间的存储介质，其容量较小但读写速度非常快，常用的有一级缓存和二级缓存。
2. 特点：计算机存储体系结构的特点主要体现在以下几个方面。
层次结构的特点使得存储介质在不同层次间可以相互补充，高层次的存储介质可以缓解低层次的存储介质容量不足的问题，而低层次的存储介质又可以提供更快的访问速度。
存储体系结构的特点使得计算机系统可以根据实际需求进行灵活配置。
不同的存储介质可以根据其特点和成本来选择，从而平衡系统的性能和成本。
存储体系结构的特点还包括可扩展性和可靠性。
可以根据需要增加或替换存储介质，从而提高系统的容量和可靠性。
存储体系结构还具有访问速度和成本之间的折中。
高速存储介质通常成本较高，而容量较小；而低速存储介质通常成本较低，但容量较大。
3. 目的：计算机存储体系结构的目的主要有以下几个方面。
存储体系结构的目的是为了提高计算机系统的性能。
通过将存储介质划分为不同的层次，可以根据其性能特点来提高系统的整体性能。
存储体系结构的目的是为了提供足够的存储容量。
不同的存储介质可以提供不同的存储容量，从而满足不同应用的需求。
存储体系结构的目的是为了提供可靠的数据存储。
通过将数据存储在不同的存储介质中，可以提高数据的可靠性和安全性。
存储体系结构的目的还包括提供较低的成本。
数据分层存储结构
数据分层存储结构
数据分层存储结构是一种管理和组织数据的方式，将数据按照不同的层次进行存储和管理。
这种结构分为多个层次，每个层次都有其特定的功能和用途。
一般而言，数据分层存储结构包括以下几个层次：
1. 顶层（高速存储层）：顶层是指最接近处理器的存储层，使用高速缓存（Cache）来存储最常用的数据，以提高数据的访
问速度。
这一层次通常由SRAM（Static Random Access Memory）构成。
2. 次层（主存储层）：次层存储器是指存储器层次结构中的主存储器（Main Memory），也被称为RAM（Random Access Memory）。
主存储器用于存储正在进行的程序和数据。
3. 三层（辅助存储层）：辅助存储器是指用于长期存储数据和程序的存储设备，如硬盘、光盘、磁带等。
辅助存储器的容量通常比主存储器大得多。
4. 四层（远程存储层）：远程存储器是指存储在远程位置，需要通过网络访问的存储设备，如云存储。
数据分层存储结构的设计目的是根据数据的访问频率和速度要求，将数据按照不同层次存储，以提高数据访问的效率和性能。
更常访问的数据存储在更接近处理器的层次上，而较不常访问
的数据则存储在离处理器较远的层次上。
通过层次化存储的方式，可以更有效地利用存储资源，并提高系统的整体性能。
大一微机课基础考试必背知识点
大一微机课基础考试必背知识点随着科技的飞速发展，微机已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
作为大一学生，微机基础课程是我们学习微机原理和操作的重要环节。
为了顺利通过微机课程的考试，我们需要掌握一些必备的知识点。
本文将为大家列举一些大一微机课基础考试必背的知识点。
一、微机基础知识1. 微机的组成和功能：微机由中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等组成。
CPU负责数据的运算和处理，内存用于存储程序和数据，输入输出设备用于与外部交互。
2. 计算机的存储器层次结构：存储器分为主存和辅存，主存包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM），辅存包括硬盘、光盘等。
3. 计算机的工作原理：计算机按指令执行的顺序可分为取指阶段、译码阶段、执行阶段和访存阶段。
在执行阶段，数据通过数据总线进行传输。
二、微处理器1. 微处理器的功能和结构：微处理器是CPU的核心部件，负责执行计算机指令。
它由控制单元、运算单元和寄存器组成。
2. 微处理器主频和性能：微处理器的主频指的是单位时间内完成的操作数量，主频越高，性能越好。
3. 微处理器的分类：常见的微处理器有x86、ARM、MIPS等，其中x86系列主要用于个人电脑，ARM系列用于手机和平板电脑，MIPS系列用于嵌入式系统。
三、存储器1. 内存与外存的区别：内存是计算机的主要存储介质，具有较快的读写速度，容量相对较小；而外存容量较大但读写速度较慢。
2. 内存的基本组成：内存由若干个存储单元构成，每个存储单元可以存储一个二进制位。
内存按字节编址，每个内存单元有唯一的地址。
3. 内存读写操作：内存的读写操作可以通过指令进行，读取数据时，需提供数据的地址，写入数据时，需提供数据和地址。
四、输入输出设备1. 输入设备的分类和特点：输入设备包括键盘、鼠标、摄像头等。
键盘将输入的字符转化为计算机可识别的代码，鼠标通过触控或移动来输入指令，摄像头将图像数据输入计算机。
2. 输出设备的分类和特点：输出设备包括显示器、打印机、音响等。
存储器的层次结构
6
地址映射示例
源程序
逻辑地址空间
0
物理地址空间
Load A data1
100
编译 连接
data1 3456
200
BA=1000
Load A200
地址映射
Load A200
3456
5
地址转换（映射）
内存的每个存储单元都有一个编号，这种编号称为内存地 址（或称为物理地址，绝对地址）。内存地址的集合称为 内存空间（或物理地址空间）。
源程序经过汇编或编译后，形成目标程序，每个目标程序 都是从0开始编址，原来用符号名访问的单元用具体的数 据——单元号取代。目标程序的地址空间，称为作业的逻 辑地址空间，简称逻辑空间。在逻辑空间中每条指令的地 址和指令中要访问的操作数地址统称为逻辑地址。
1
各 级 存 储 器 速 度 比 较
2
内存的基本知识
内存是现代计算机系统的中心 是CPU能直接存取指令和数据的存储器 CPU和I/O设备都要和内存打交道
内存地址：以字或字节为单元进行编号，编号即地址。 访问内存：对指定地址单元进行读/写。
3
存储管理的主要功能
1 内存空间的分配和回收 2 地址转换（映射） 3 内存保护 4 内存扩充 （第五章）
1200
3456 。 。
7
内存保护
• 防止越界访问 • 限制进程只能访问自身的地址空间 • 避免访问到其他进程的空间造成破坏 • 也避免被其他进程破坏
• 防止越权访问（第五章）
8
4
内存空间的分配和回收
计算机存储器的层次结构ppt课件
3. 程序的动态链接和调试比较容易。由于每个程序段都是一组有独立意 义的数据块或具有完整功能的程序段，因此，在程序运行过程中，可 以根据需要一次就把一个程序段或数据块都装入到主存储器中，并且 在装入时才实行动态链接。
8
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。
每段使用独立的逻辑地址空间，即都从0开始计算地址。 段式管理方法的主要缺点是各段长短不一，调进调出之后容易形成 大量不规则的零碎空间。 段式管理方法的虚实变换算法是查段表(P150)。
4
0
主程序（0段）
1K
0
1段
500
0
2段
200
0
3段
200
程序空间
段号 0 1 2 3
段长 1K 500 200 200
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
5
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3 数据校验方法
二. 海明（汉明）校验（SEC/DED）
• 海明校验实质上是一种多重奇偶校验，即将代码
按一定规律组织为若干小组，分组进行奇偶校验， 各组的检错信息组成一个指误字，不仅能检测是 否出错，而且在只有1位出错的情况下指出是哪1 位出错，从而将该位自动变反纠正。 • 设校验码为N位，其中有效信息为k位，校验位为 r位，分成r组作奇偶校验，产生r位检错信息。这 r位检错信息构成一个指误字，可指出2r种状态， 其中一种状态表示无错，剩下的2r – 1种状态可指 出2r – 1位中某位出错。 所以 N = k + r <= 2r – 1 例： k = 4,则N = 4 + r <= 2r – 1 ，所以r = 3,即 4位有效信息加3位校验位。
C
Word Line
. . .
Bit Line
Sense Amp
2 存储器技术
二. DRAM（Dynamic RAM）技术
Data in
• DRAM 逻辑组织（64 Mibit）
1 4 Column Decoder … Sense Amps & I/O
D
Address buffer
Memory Array (16,384×16,3
2 存储器技术
二. DRAM（Dynamic RAM）技术
• 依靠电容存储电荷的原理存储信息 • 写
• 读
– 字线（wordline）设为高电平，设 置位线（bitline）为高（写“1”）， 或为低（写“0”） – 位线先预充电（在高低电平之间）,字 线设为高电平，Sense Amp根据位 方法
一. 奇偶校验
1）奇偶校验码：它是在被传送的n位信息组上， 加上一个二进制位作为校验位，使配置后的 n+1位二进制代码中1的个数为奇数( 奇校验) 或偶数(偶校验)。
例： 数据 奇校验编码 偶校验编码 00000000 000000001 000000000 01110101 011101010 011101011 2 其中，最后一位为校验位，其余八位为数据位。
3 数据校验方法
3）奇偶校验逻辑
主要采用异或门实现校验码的生成和检错。 0 偶形成 1 偶校错 0: 1:正确 错误
•能发现奇数个错，不能 ⊕ 发现偶数个错。 •能发现一位出错，但不 能判断出错位数，因此 ⊕ 不能纠错。 ⊕ ⊕ ⊕
奇数个1 1 偶数个
⊕ ⊕ ⊕
0
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
存储器层次结构
• CPU回顾：
存储器层次结构
1 引言
一. 存储器的两大功能：
1、 存储（写入Write） 2、 取出（读出Read）
二. 三个主要性能指标：
1、容量 2、速度 3、价格
1 引言
三.存储器分类 （1）内存（Memory）
主要存放CPU当前使用的程序和数据 速度快
（2）辅存 （外存）
3 数据校验方法
• 三级存储体系结构
高速缓存 — 内存 — 外存 • 内存-外存层次
目的：增大容量 构成虚拟存储器 • Cache-内存层次 目的：提高速度 构成主存储器
不命中
CPU
命中
Cache
主存
1 引言
• 相关概念：
命中率：在高层存储器中找到目标数据的存储访问比例。 缺失率（失效率）：在高层存储器中没有找到目标数据 的存储访问比例。 命中时间：访问高层存储器所需要的时间，包括判断是 否命中所需时间。 缺失代价（开销）：将相应的块从低层存储器替换到高 层存储器所需的时间。
3 数据校验方法
• 数据校验的实现原理： 数据校验码是在合法的数据编码之间，加进一些额外的 编码，使合法的数据编码出现错误时成为非法编码。 这样就可以通过检测编码的合法性达到发现错误的目的。 • 码距（汉明距离）：码距指任何一种编码的任两组二 进制代码中，其对应位置的代码最少有几个二进制位 不相同。
• 平均访存时间（AMAT） AMAT=命中时间+缺失率 x 缺失代价
2 存储器技术
一. SRAM（Static RAM）技术
• 利用双稳态触发器存储信息 • 每个基本存储单元由6-8个晶体管组成
2 存储器技术
一. SRAM（Static RAM）技术
• 组织成存储阵列结构，采用随机存取方式，因 此对任何数据访问时间都是固定的。 • 速度快 • 只需最小功率即可保持电荷，无需刷新 • 价格贵 • 主要用于二级Cache
Bit Line
Q
3
Row … Decoder
A0…A1
84)
Word Line
Storage Cell
2 存储器技术
二. DRAM（Dynamic RAM）技术
• 速度低于SRAM • 价格低于SRAM • 需要刷新
DRAM是依靠电容上存储电荷来暂存信息。平时无 电源供电，时间一长电容上存储的电荷会逐渐泄露。 需定期向电容补充电荷，以保持信息不变，即为刷 新。 按行刷新
• 用作内存
2 存储器技术
三. 闪存 • 是一种电可擦除可编程只读存储器（EEPROM） • 具有非易失性，可以在线擦除和重写 • 集成度高、高可靠性、抗振动 • 单位价格在DRAM和磁盘之间
2 存储器技术
四. 磁盘存储器
• • • • 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。 容量大，记录信息可以长期保存，具有非易失性。 非破坏性读出，记录介质可以重复使用 顺序存取方式，速度慢
容量有限
速度较慢 存放大量的后备程序和数据。 容量大 （3）高速缓存 存放CPU在当前一小段时间内 速度很快 (Cache) 容量小 多次使用的程序和数据。
1 引言
四.提高存储性能的基本思路：利用局部性原理构建存储 器层次结构 • 局部性原理
• 时间局部性：如果某个数据项被访问，那么在 不久的将来它可能再次被访问。 • 空间局部性:如果某个数据项被访问，与它地址 相邻的数据项可能很快也被访问。
• 存储器层次结构
一种由多存储器层次组成的结构，存储器容量 和访问时间随着离处理器距离的增加而增加。
1 引言
• 存储器层次的基本结构 速度
最快
处理器 存储器 存储器 存储器
容量 价格（美元/位） 当前技术
最小 最高
Cache （SRAM） 内存 （DRA M） 最大 最低 磁盘/闪存
最慢
1 引言