計算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(10存儲器)

計算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計10存儲器目錄存儲器概述主存儲器輔助存儲器Cache存儲器虛擬存儲器存儲器與CPU的交互01存儲器概述定義存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。分類按存儲介質(zhì)可分為半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、光表面存儲器等；按存取方式可分為隨機(jī)存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、順序存取存儲器（SAM）和直接存取存儲器（DAM）等。存儲器的定義與分類存儲器的性能指標(biāo)指存儲器可以容納的二進(jìn)制信息量，通常用字節(jié)數(shù)表示。指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間，分為讀出時間和寫入時間。指存儲器在正常工作條件下，能正確、完整地存儲和讀出信息的能力。指存儲器的性能與成本之比，是評價存儲器經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。存儲容量存取時間可靠性性能價格比主存儲器輔助存儲器緩沖存儲器控制存儲器存儲器的層次結(jié)構(gòu)直接與CPU相連，存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，速度快但容量有限。位于主存儲器和CPU之間，用于緩解主存儲器與CPU之間速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。作為主存儲器的后援設(shè)備，用于存放暫時不用的程序和數(shù)據(jù)，容量大但速度較慢。用于存放微程序或控制字等信息，控制計算機(jī)的操作。02主存儲器主存儲器由多個存儲體組成，每個存儲體包含大量的存儲單元，用于存儲數(shù)據(jù)和指令。存儲體地址譯碼器負(fù)責(zé)將CPU發(fā)出的地址信號翻譯成對應(yīng)存儲體的選擇信號和存儲單元的選擇信號。地址譯碼器數(shù)據(jù)寄存器用于暫存從存儲體中讀出的數(shù)據(jù)或?qū)懭氪鎯w的數(shù)據(jù)，以便與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)寄存器控制邏輯負(fù)責(zé)接收CPU發(fā)出的控制信號，并根據(jù)控制信號的要求控制主存儲器的讀寫操作?？刂七壿嬛鞔鎯ζ鞯幕窘Y(jié)構(gòu)讀操作當(dāng)CPU需要從主存儲器中讀取數(shù)據(jù)時，它首先發(fā)出地址信號和控制信號。地址信號經(jīng)過地址譯碼器譯碼后，選擇對應(yīng)的存儲體和存儲單元。然后，控制邏輯根據(jù)控制信號的要求，從選定的存儲單元中讀出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)寄存器中暫存。最后，數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)被送到CPU中。要點一要點二寫操作當(dāng)CPU需要將數(shù)據(jù)寫入主存儲器時，它同樣發(fā)出地址信號和控制信號。地址信號經(jīng)過地址譯碼器譯碼后，選擇對應(yīng)的存儲體和存儲單元。然后，控制邏輯根據(jù)控制信號的要求，將數(shù)據(jù)從CPU寫入到選定的存儲單元中。主存儲器的讀寫操作高速緩存（Cache）高速緩存是一種位于CPU和主存儲器之間的快速存儲器，用于存放CPU最近訪問過的數(shù)據(jù)和指令。通過高速緩存技術(shù)，可以縮短CPU訪問主存儲器的等待時間，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。虛擬存儲器虛擬存儲器是一種將主存儲器和外存儲器結(jié)合起來使用的技術(shù)，使得應(yīng)用程序可以像訪問主存儲器一樣訪問外存儲器中的數(shù)據(jù)。通過虛擬存儲器技術(shù)，可以擴(kuò)大主存儲器的容量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。多級存儲體系多級存儲體系是指將不同速度和容量的存儲器按照層次結(jié)構(gòu)組織起來，使得CPU可以高效地訪問不同層次的存儲器。通過多級存儲體系技術(shù)，可以平衡存儲器的速度和容量之間的矛盾，提高系統(tǒng)的整體性能。主存儲器的優(yōu)化技術(shù)03輔助存儲器03光盤一種光存儲設(shè)備，使用激光技術(shù)來讀寫數(shù)據(jù)，存儲容量大、價格適中，但讀寫速度相對較慢。01磁帶一種順序存取設(shè)備，存儲容量大、價格低廉，但存取速度較慢。02磁盤一種直接存取設(shè)備，存取速度較快、存儲容量大，可分為硬盤和軟盤兩種。輔助存儲器的類型與特點通過磁帶機(jī)將數(shù)據(jù)以順序的方式寫入磁帶，讀取時也需要按照順序進(jìn)行讀取。磁帶的讀寫操作磁盤的讀寫操作光盤的讀寫操作通過磁盤驅(qū)動器將數(shù)據(jù)以扇區(qū)為單位寫入磁盤，讀取時可以直接定位到任意扇區(qū)進(jìn)行讀取。通過光盤驅(qū)動器將數(shù)據(jù)以光道為單位寫入光盤，讀取時需要使用激光技術(shù)來讀取數(shù)據(jù)。030201輔助存儲器的讀寫操作通過采用更先進(jìn)的制造技術(shù)、使用更高密度的存儲介質(zhì)等方式來提高存儲容量。提高存儲容量通過采用更高速的接口技術(shù)、優(yōu)化讀寫算法等方式來提高讀寫速度。提高讀寫速度通過采用更穩(wěn)定的材料、加強(qiáng)錯誤檢測和糾正能力等方式來提高可靠性。提高可靠性通過采用更低功耗的芯片設(shè)計、優(yōu)化制造工藝等方式來降低功耗和成本。降低功耗和成本輔助存儲器的性能提升04Cache存儲器原理Cache存儲器位于CPU與主存之間，利用局部性原理，存放CPU近期可能用到的少量數(shù)據(jù)和指令，減少CPU對主存的直接訪問，從而提高程序的執(zhí)行速度。結(jié)構(gòu)Cache通常由高速的SRAM組成，其容量遠(yuǎn)小于主存，但速度接近CPU。Cache被劃分為多個塊（或稱為行），每個塊包含數(shù)據(jù)部分和標(biāo)記部分。標(biāo)記部分用于存儲該塊數(shù)據(jù)的地址信息，以便CPU能夠準(zhǔn)確找到所需數(shù)據(jù)。Cache存儲器的原理與結(jié)構(gòu)寫回法（Write-Back）當(dāng)CPU對Cache中的某個塊進(jìn)行寫操作時，只修改Cache中的內(nèi)容，而不立即寫入主存。只有當(dāng)該塊被替換出Cache時，才將其寫回主存。這種方法減少了不必要的寫主存操作，提高了效率。寫直達(dá)法（Write-Through）當(dāng)CPU對Cache中的某個塊進(jìn)行寫操作時，不僅修改Cache中的內(nèi)容，同時也將該數(shù)據(jù)寫入主存。這種方法保證了主存中數(shù)據(jù)的實時更新，但增加了寫主存的次數(shù)。寫一次法（Write-Once）結(jié)合寫回法和寫直達(dá)法的特點，第一次寫操作時使用寫直達(dá)法，后續(xù)寫操作使用寫回法。這種方法試圖在減少寫主存次數(shù)和保證數(shù)據(jù)一致性之間找到平衡。Cache存儲器的讀寫策略Cache存儲器的性能優(yōu)化替換算法優(yōu)化：采用更合理的替換算法，如最近最少使用（LRU）算法、最不經(jīng)常使用（LFU）算法等，以提高Cache的命中率。多級Cache設(shè)計：通過設(shè)置多級Cache，使得不同級別的Cache分別處理不同粒度和訪問頻率的數(shù)據(jù)和指令，進(jìn)一步提高Cache的效率。預(yù)取技術(shù)：通過分析程序的訪問模式，預(yù)測CPU未來可能訪問的數(shù)據(jù)和指令，并提前將其加載到Cache中，從而提高Cache的命中率。容量和速度權(quán)衡：在設(shè)計和實現(xiàn)Cache時，需要權(quán)衡其容量和速度的關(guān)系。過大的Cache容量可能導(dǎo)致訪問延遲增加，而過小的容量則可能降低命中率。因此，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景和需求選擇合適的Cache容量和速度。05虛擬存儲器實現(xiàn)方式虛擬存儲器通過內(nèi)存管理單元（MMU）和頁表或段表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)地址映射，將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。關(guān)鍵技術(shù)包括分頁、分段、段頁式管理等，以及請求調(diào)頁、頁面置換等策略。虛擬存儲器的定義虛擬存儲器是一種抽象層，使得應(yīng)用程序認(rèn)為它們擁有連續(xù)可用的內(nèi)存空間，而實際上物理內(nèi)存可能是分散且不連續(xù)的。虛擬存儲器的概念與實現(xiàn)內(nèi)存分配策略01根據(jù)進(jìn)程大小、優(yōu)先級等因素為進(jìn)程分配內(nèi)存空間，如固定分區(qū)、動態(tài)分區(qū)、伙伴系統(tǒng)等。頁面置換算法02當(dāng)內(nèi)存空間不足時，需要選擇某些頁面進(jìn)行置換，常見的置換算法有先進(jìn)先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）、最佳（OPT）等。請求調(diào)頁策略03根據(jù)頁面訪問情況，預(yù)測未來可能訪問的頁面，提前將其調(diào)入內(nèi)存，以減少頁面置換的開銷。虛擬存儲器的管理策略命中率表示訪問頁面時，所需頁面已在內(nèi)存中的比例；缺頁率則表示需要訪問的頁面不在內(nèi)存中，需要進(jìn)行頁面置換的比例。命中率與缺頁率頁面置換涉及到磁盤I/O操作，因此會帶來一定的時間開銷。減少頁面置換次數(shù)和提高磁盤I/O效率是提高虛擬存儲器性能的關(guān)鍵。頁面置換開銷工作集是指進(jìn)程在一段時間內(nèi)訪問的頁面集合。通過合理調(diào)整工作集大小，可以平衡內(nèi)存使用率和缺頁率，提高系統(tǒng)性能。工作集模型虛擬存儲器的性能分析06存儲器與CPU的交互總線連接通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接CPU和存儲器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行。直接連接將存儲器的數(shù)據(jù)端口直接與CPU的數(shù)據(jù)端口相連，通過讀寫信號控制數(shù)據(jù)傳輸。間接連接通過I/O接口芯片連接CPU和存儲器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作。存儲器與CPU的連接方式123數(shù)據(jù)在多個并行通道上同時傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。并行傳輸數(shù)據(jù)在單個通道上按位順序傳輸，適用于遠(yuǎn)距離通信。串行傳輸直接內(nèi)存訪問（DMA）控制器接管總線控制權(quán)，實現(xiàn)存儲器與CPU之間的直接數(shù)據(jù)傳輸，降低CPU負(fù)擔(dān)。DMA傳輸存儲器與CPU的數(shù)據(jù)傳輸方式指令預(yù)取