《計算機的存儲系統(tǒng)》課件

計算機的存儲系統(tǒng)計算機存儲系統(tǒng)是計算機的核心部件之一，負責存儲數(shù)據(jù)和程序。存儲系統(tǒng)可以分為主存儲器和輔助存儲器。計算機系統(tǒng)的組成中央處理器(CPU)CPU負責執(zhí)行指令，是計算機的大腦，控制整個系統(tǒng)。主存儲器(RAM)RAM是計算機工作時用于臨時存放數(shù)據(jù)的空間，就像計算機的記憶，速度很快，但數(shù)據(jù)丟失。輔助存儲器硬盤等存儲器負責長期保存數(shù)據(jù)，速度較慢，但數(shù)據(jù)不會丟失。輸入/輸出設備鍵盤、鼠標、顯示器等設備，負責與用戶交互和接收外部數(shù)據(jù)。存儲系統(tǒng)的分類按存儲介質分類存儲系統(tǒng)可分為兩類：主存儲器和輔助存儲器。主存儲器主要用于存放當前正在運行的程序和數(shù)據(jù)，而輔助存儲器用于存放大量的程序和數(shù)據(jù)。按存儲方式分類存儲系統(tǒng)可分為隨機存取存儲器（RAM）和順序存取存儲器（例如磁帶）。RAM可以隨機訪問任何存儲單元，而順序存取存儲器需要按順序訪問存儲單元。按讀寫方式分類存儲系統(tǒng)可分為只讀存儲器（ROM）和讀寫存儲器（RAM）。ROM中的數(shù)據(jù)只能讀取不能寫入，而RAM可以讀寫數(shù)據(jù)。存儲的基本單元：存儲單元存儲單元計算機存儲系統(tǒng)中，存儲單元是最基本的組成部分。它是存儲數(shù)據(jù)的基本單位，可以存儲一個二進制位（bit）信息。地址每個存儲單元都有一個唯一的地址，以便計算機能夠快速地訪問和操作。存儲容量存儲單元的容量通常以字節(jié)（byte）為單位，每個字節(jié)包含8個二進制位。常見的存儲單元技術靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)SRAM使用晶體管和電容器來存儲數(shù)據(jù)。SRAM速度快，但成本高，存儲容量有限。動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)DRAM使用電容器來存儲數(shù)據(jù)。DRAM比SRAM速度慢，但成本低，存儲容量大。ROM：只讀存儲器11.永久存儲ROM中的信息在出廠后就固定下來了，無法輕易修改。22.存儲內容ROM通常存儲一些固定的程序或數(shù)據(jù)，例如引導程序、系統(tǒng)參數(shù)等。33.常用類型常見的ROM類型包括PROM、EPROM和EEPROM。RAM：隨機存取存儲器快速訪問RAM允許計算機直接訪問和修改數(shù)據(jù)，速度比磁盤快得多。臨時存儲RAM用作計算機的“工作區(qū)”，用于存儲正在運行的程序和數(shù)據(jù)，當計算機關閉時，數(shù)據(jù)會丟失。多種類型RAM有多種類型，例如DDR4和DDR5，它們在速度和容量方面有所不同。主存儲器11.核心組件主存儲器是計算機系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，負責臨時存儲程序和數(shù)據(jù)。22.高速訪問主存儲器與CPU直接交互，提供快速的數(shù)據(jù)訪問速度，支持程序的高效運行。33.易失性存儲主存儲器中的數(shù)據(jù)在斷電后會丟失，因此需要輔助存儲器來保存持久數(shù)據(jù)。44.不同類型主存儲器主要包括RAM和ROM，它們在功能和特性上有所區(qū)別。緩存存儲器速度快緩存存儲器比主存儲器速度快得多，可以更快地訪問數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)性能。容量小由于速度快，緩存存儲器通常比主存儲器容量小，因為它更昂貴。層次結構緩存存儲器通常被組織成一個層次結構，包括L1、L2和L3緩存，每個級別都有不同的速度和容量。命中率緩存命中率是指數(shù)據(jù)在緩存中被找到的概率，它直接影響系統(tǒng)性能。輔助存儲器定義輔助存儲器是計算機系統(tǒng)中用于長期保存數(shù)據(jù)的存儲設備。它通常與主存儲器相比容量更大、速度更慢、成本更低。輔助存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)，以便在需要時加載到主存儲器中。類型常見的輔助存儲器類型包括硬盤、光盤、固態(tài)硬盤和磁帶。硬盤是最常用的輔助存儲器，它提供高容量和可靠性。光盤通常用于存儲備份數(shù)據(jù)或多媒體文件。固態(tài)硬盤速度更快、更輕便，但成本更高。磁帶則主要用于備份和存檔。磁盤存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲磁盤存儲系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中重要的組成部分，用于長期存儲數(shù)據(jù)。磁盤存儲設備通常由一個或多個磁盤組成，數(shù)據(jù)存儲在磁盤的表面上。旋轉磁盤大多數(shù)磁盤存儲系統(tǒng)使用旋轉磁盤，數(shù)據(jù)存儲在磁盤的磁性表面上，通過磁頭讀取和寫入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問磁盤存儲系統(tǒng)使用尋道機制和旋轉機制訪問數(shù)據(jù)。尋道機制用于將磁頭移動到正確的磁道，旋轉機制用于將數(shù)據(jù)旋轉到磁頭下方。光盤存儲系統(tǒng)CD-ROM緊湊型光盤只讀存儲器，讀取速度較慢，但成本低廉，適用于存儲大量數(shù)據(jù)，如音樂、電影和軟件.DVD數(shù)字視頻光盤，存儲容量更大，讀取速度更快，廣泛應用于視頻存儲和數(shù)據(jù)備份.藍光光盤藍光光盤擁有更高的存儲密度和更快的讀取速度，適用于高清晰度視頻和大型游戲.可刻錄光盤CD-R和DVD-R允許用戶一次寫入數(shù)據(jù)，無法擦除或重寫，而CD-RW和DVD-RW則可以反復寫入和擦除數(shù)據(jù).固態(tài)硬盤閃存芯片使用閃存芯片作為存儲介質，沒有機械部件?？焖僮x寫讀寫速度比傳統(tǒng)硬盤快很多，提高系統(tǒng)性能。耐用性強抗震、抗沖擊，沒有移動部件，壽命更長。低能耗功耗比傳統(tǒng)硬盤更低，減少設備發(fā)熱。存儲系統(tǒng)的性能指標指標描述容量存儲系統(tǒng)能夠存儲的數(shù)據(jù)量速度存儲系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)的快慢可靠性存儲系統(tǒng)能夠可靠地存儲和訪問數(shù)據(jù)成本存儲系統(tǒng)的購買和維護成本存儲系統(tǒng)的容量、速度和可靠性容量存儲系統(tǒng)的容量指的是它可以存儲的數(shù)據(jù)量。容量大小通常以字節(jié)（Byte）為單位，常見的容量單位包括KB、MB、GB、TB等。存儲系統(tǒng)的容量決定了它可以存儲多少數(shù)據(jù)，容量越大，可以存儲的數(shù)據(jù)越多。容量是衡量存儲系統(tǒng)大小的重要指標。速度存儲系統(tǒng)的速度指的是它讀寫數(shù)據(jù)的速度。速度通常以數(shù)據(jù)傳輸率（DataTransferRate）來衡量，例如MB/s或GB/s。存儲系統(tǒng)的速度決定了它可以多快地讀取或寫入數(shù)據(jù)。速度越快，數(shù)據(jù)訪問速度越快，系統(tǒng)的性能越好?？煽啃源鎯ο到y(tǒng)的可靠性指的是它長時間穩(wěn)定運行的能力。可靠性通常用MTBF（MeanTimeBetweenFailures）來衡量，表示兩次故障之間的平均時間?？煽啃允谴鎯ο到y(tǒng)的一個重要指標，因為數(shù)據(jù)丟失會導致巨大的損失。高可靠性的存儲系統(tǒng)可以保障數(shù)據(jù)安全，并減少系統(tǒng)維護成本。存儲層次結構層次化存儲將不同速度、成本和容量的存儲設備組合在一起，形成一個多級存儲系統(tǒng)。速度-成本權衡速度較快的存儲器成本較高，容量較小，反之亦然。數(shù)據(jù)訪問效率頻繁訪問的數(shù)據(jù)存儲在速度較快的存儲器中，以提高系統(tǒng)整體性能。常見層次結構高速緩存主存儲器輔助存儲器主存和輔助存儲器主存儲器主存儲器（RAM）是計算機系統(tǒng)中速度最快、價格最貴的存儲器，用于存放當前正在運行的程序和數(shù)據(jù)，直接與CPU交互。輔助存儲器輔助存儲器（例如硬盤）是計算機系統(tǒng)中速度較慢、價格較低的存儲器，用于長期保存數(shù)據(jù)和程序，容量較大，可保存大量信息。虛擬存儲技術11.擴展主存虛擬存儲技術是一種擴展主存容量的技術，可以訪問比物理內存更大的地址空間。22.地址轉換虛擬存儲技術使用內存管理單元（MMU）將虛擬地址轉換為物理地址。33.頁面調入調出虛擬存儲技術將程序和數(shù)據(jù)分塊，在需要時將頁面從輔助存儲器加載到主內存。44.提高程序執(zhí)行效率虛擬存儲技術允許運行比物理內存更大的程序，提高系統(tǒng)效率。頁式虛擬存儲11.頁式虛擬存儲將邏輯地址空間劃分成固定大小的頁，物理地址空間也劃分成同樣大小的頁框。程序運行時，將需要的頁裝入內存，不用的頁放在磁盤上，通過頁表進行地址轉換。22.頁面大小頁面大小是固定值，通常為4KB或8KB，可以根據(jù)程序的大小和內存容量進行調整。33.頁表頁表存儲了邏輯地址到物理地址的映射關系，每個條目代表一個頁面。44.優(yōu)點提高了內存利用率，允許運行比物理內存更大的程序，并減少了內存碎片。段式虛擬存儲段式存儲管理將程序地址空間劃分為多個邏輯段。每個段可以是不同的長度。段表每個段在內存中都有一個唯一的段號。段表中包含每個段的起始地址和長度。頁面置換算法1FIFO先進入內存的頁面先被換出2LRU最近最少使用頁面先被換出3OPT最優(yōu)頁面置換算法4CLOCK時鐘頁面置換算法頁面置換算法是虛擬存儲器中不可或缺的部分，它決定了哪些頁面要被換出內存以騰出空間供新頁面進入。常見的頁面置換算法有FIFO、LRU、OPT和CLOCK等，每種算法都有其特點和優(yōu)缺點，在實際應用中要根據(jù)具體情況選擇合適的算法。頁面置換算法FIFO先進先出算法，最簡單的置換算法LRU最近最少使用算法，根據(jù)頁面使用時間判斷OPT最佳置換算法，完美理論，實際無法實現(xiàn)磁盤存儲管理磁盤存儲管理系統(tǒng)磁盤存儲管理系統(tǒng)負責管理磁盤空間，并為用戶提供訪問磁盤數(shù)據(jù)的功能。文件分配表文件分配表(FAT)記錄每個文件占用磁盤塊的信息。索引分配方式索引分配方式使用索引塊來記錄每個文件占用磁盤塊的信息。文件分配表FAT文件系統(tǒng)文件分配表是磁盤上的一種文件系統(tǒng)，用于管理文件存儲位置。分配表它記錄著磁盤中每個存儲塊的使用情況，可以是已分配給文件，還是空閑的。存儲結構FAT通常是一個線性表，每個條目代表一個存儲塊，記錄其狀態(tài)和所屬文件。文件訪問操作系統(tǒng)通過FAT查找文件存儲塊，從而訪問文件內容。索引分配方式索引分配方式索引分配方式使用索引表記錄文件在磁盤上的存儲位置。每個文件都有一個索引表，記錄每個文件塊在磁盤上的地址。索引表可以存儲在主存中，也可以存儲在磁盤上，方便快速訪問。日志文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)寫入和更新日志文件系統(tǒng)將所有數(shù)據(jù)變更記錄在日志文件中，即使操作失敗也能恢復?；謴筒僮魍ㄟ^回滾日志文件，系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)恢復到任何一個操作點，確保數(shù)據(jù)一致性和完整性。提高性能日志文件系統(tǒng)可以并行處理多個操作，提升系統(tǒng)性能。RAID技術1冗余陣列RAID，即獨立磁盤冗余陣列，通過將多個磁盤驅動器組合成一個邏輯驅動器來提高可靠性和性能。2數(shù)據(jù)冗余RAID使用各種數(shù)據(jù)冗余技術來保護數(shù)據(jù)，即使一個磁盤發(fā)生故障，也不會導致數(shù)據(jù)丟失。3性能提升通過數(shù)據(jù)條帶化和并行訪問，RAID可以顯著提高磁盤子系統(tǒng)的吞吐量和讀寫速度。4類型不同的RAID級別提供了不同的數(shù)據(jù)冗余和性能權衡，根據(jù)具體需求選擇合適的RAID級別。磁盤陣列系統(tǒng)提高存儲性能通過數(shù)據(jù)并行訪問和負載均衡，磁盤陣列提高了數(shù)據(jù)讀取和寫入速度。增強數(shù)據(jù)可靠性冗余技術保證即使部分磁盤失效，數(shù)據(jù)也能