《存儲器系統(tǒng)rev》課件

存儲器系統(tǒng)探討計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng)的最新架構(gòu)和技術(shù)發(fā)展。從存儲設(shè)備、緩存及內(nèi)存管理等方面全面深入解析存儲系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識與前沿動態(tài)。課程簡介課程目標(biāo)本課程旨在深入探討計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識、工作原理和設(shè)計(jì)策略。從基礎(chǔ)的存儲器分類和工作機(jī)制開始,全面系統(tǒng)地介紹半導(dǎo)體存儲器、非易失性存儲器以及存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。課程內(nèi)容課程涵蓋存儲器的基本概念、分類、工作原理,DRAM、SRAM、ROM、閃存等存儲器技術(shù),以及存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,包括存儲層次架構(gòu)、緩存設(shè)計(jì)、虛擬內(nèi)存管理等內(nèi)容。授課方式課程采用理論講解、實(shí)踐案例分析、學(xué)生討論等多種授課方式,幫助學(xué)生全面掌握存儲系統(tǒng)的知識體系。存儲器基礎(chǔ)知識計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中的存儲器存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分,負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲和長期保存各種數(shù)據(jù)與程序。它是連接CPU和輸入輸出設(shè)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。存儲器的基本工作原理存儲器通過地址、數(shù)據(jù)和控制信號實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存取。讀寫操作由CPU通過控制信號進(jìn)行管理,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地在存儲器和CPU之間傳輸。存儲器的容量和速度存儲器的容量決定了它能存儲的數(shù)據(jù)量,而存取速度則影響計(jì)算機(jī)的整體性能。大容量、高速度的存儲器是當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)。存儲器分類按存儲介質(zhì)分包括半導(dǎo)體存儲器和磁性存儲器兩大類。前者代表性產(chǎn)品為DRAM和SRAM，后者代表為硬盤和磁帶。按數(shù)據(jù)訪問方式分包括隨機(jī)訪問存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。前者可讀寫，后者只可讀取不可寫入。按數(shù)據(jù)保存方式分包括易失性存儲器和非易失性存儲器。前者供電斷開后數(shù)據(jù)丟失，后者斷電仍能保存數(shù)據(jù)。半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器是最常見的存儲器類型,基于集成電路技術(shù)制造,具有速度快、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。主要包括隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)兩大類。RAM可分為靜態(tài)RAM(SRAM)和動態(tài)RAM(DRAM)。它們廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等電子設(shè)備的主存儲器和緩存。ROM則主要用于存儲固定的程序代碼和數(shù)據(jù),廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。DRAM工作原理1內(nèi)存單元DRAM由大量微型電容器組成,每個電容器存儲一位數(shù)據(jù)。2讀取數(shù)據(jù)通過讀出線和列譯碼器選擇電容器,將存儲的電荷傳送到放大器。3刷新操作電容器會因漏電而丟失數(shù)據(jù),需要定期刷新重新充電。4動態(tài)特性DRAM需要持續(xù)供電和刷新,是一種動態(tài)存儲器。DRAM(DynamicRandomAccessMemory)是一種基于電容器的動態(tài)隨機(jī)存取存儲器。每個存儲單元由一個晶體管和一個電容器組成,電容器存儲數(shù)據(jù)位。DRAM需要定期刷新以維持?jǐn)?shù)據(jù),因此是一種動態(tài)存儲器,與靜態(tài)SRAM不同。SRAM工作原理1電路結(jié)構(gòu)SRAM采用雙穩(wěn)態(tài)鎖存器電路作為基本存儲單元,由六個晶體管組成。2讀取過程通過選通位和讀位獲取存儲單元中的數(shù)據(jù),無需刷新電路即可保持?jǐn)?shù)據(jù)。3寫入過程通過寫入電路將新數(shù)據(jù)寫入存儲單元,覆蓋原有的數(shù)據(jù)內(nèi)容。非易失性存儲器記憶保持非易失性存儲器可以在斷電后繼續(xù)保留數(shù)據(jù),避免了數(shù)據(jù)丟失的問題。這使其成為存儲重要信息的理想選擇。可編程非易失性存儲器允許用戶多次重復(fù)編程和擦除,提供了靈活的數(shù)據(jù)存儲和更新能力。抗干擾非易失性存儲器的存儲結(jié)構(gòu)對電源波動和環(huán)境噪聲具有較強(qiáng)的抗干擾能力,保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。廣泛應(yīng)用非易失性存儲器被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、工業(yè)控制、汽車電子等領(lǐng)域,滿足各種數(shù)據(jù)存儲需求。ROM和RWM只讀存儲器(ROM)ROM在制造時(shí)就寫入了程序和數(shù)據(jù),內(nèi)容不可更改,用于存儲基礎(chǔ)固件和引導(dǎo)程序。可讀寫存儲器(RWM)RWM可以讀取和寫入數(shù)據(jù),用于臨時(shí)存儲程序運(yùn)行時(shí)的變量和參數(shù)。包括SRAM和DRAM等。非易失性存儲器ROM是非易失性存儲器,斷電后數(shù)據(jù)不會丟失。而RWM則需要持續(xù)供電以保持?jǐn)?shù)據(jù)。應(yīng)用場景ROM用于存儲固定不變的系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù),RWM用于存儲運(yùn)行時(shí)的變化數(shù)據(jù)。閃存技術(shù)閃存是一種非易失性半導(dǎo)體存儲器,具有快速訪問、低功耗和高可靠性等特點(diǎn)。它采用電子編程和擦除,可重復(fù)編程數(shù)百萬次。閃存廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)等便攜式設(shè)備。與傳統(tǒng)硬盤相比,閃存具有更快的讀寫速度、更小的尺寸和更高的耐沖擊性。這些特點(diǎn)使其成為多種電子產(chǎn)品的首選存儲解決方案。存儲器接口設(shè)計(jì)總線標(biāo)準(zhǔn)存儲器接口設(shè)計(jì)需要遵循統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn),如DDR、SATA等,確保設(shè)備之間的互連和通信。這些標(biāo)準(zhǔn)定義了信號線、時(shí)序、協(xié)議等關(guān)鍵規(guī)范?？刂七壿嫶鎯ζ鹘涌谶€需要復(fù)雜的控制邏輯,用于處理讀寫操作、地址映射、錯誤檢測等功能,確保數(shù)據(jù)正確傳輸和存儲。這需要高度集成的硬件電路設(shè)計(jì)。性能優(yōu)化為了提高系統(tǒng)性能,接口設(shè)計(jì)需要針對存儲器特性進(jìn)行優(yōu)化,如緩存機(jī)制、并行訪問等。這需要深入理解存儲技術(shù),權(quán)衡成本與效能?？煽啃员ＷC存儲器接口還要考慮數(shù)據(jù)的可靠性,包括錯誤檢測糾正、突發(fā)性故障處理等。這需要完善的容錯設(shè)計(jì),確保系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。存儲器性能指標(biāo)5存儲容量指存儲系統(tǒng)的總存儲量，通常以GB或TB計(jì)10ns訪問時(shí)間從CPU發(fā)出讀寫請求到數(shù)據(jù)可用的時(shí)間,影響系統(tǒng)整體性能100MB/s帶寬存儲系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量,決定數(shù)據(jù)吞吐能力存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)1性能需求快速響應(yīng)低延遲的需求2容量需求海量數(shù)據(jù)存儲的需求3成本控制在性能和容量之間的權(quán)衡4可靠性需求數(shù)據(jù)安全和備份的需求5系統(tǒng)集成與整體系統(tǒng)的兼容性需求存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要平衡多個關(guān)鍵因素,包括性能、容量、成本、可靠性以及與整體系統(tǒng)的集成。通過合理分配不同層次的存儲資源,采用多級緩存和虛擬內(nèi)存技術(shù),可以有效地滿足現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)的存儲需求。存儲層次架構(gòu)1多級存儲系統(tǒng)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用多級存儲器結(jié)構(gòu),從硬盤到高速緩存,形成層次化的存儲體系。2層次劃分存儲層次從上到下包括寄存器、高速緩存、主存、磁盤等,容量逐步增大,訪問速度逐步降低。3空間局部性程序傾向于訪問相鄰存儲單元,利用這一特性可進(jìn)行高速緩存技術(shù)優(yōu)化。4時(shí)間局部性程序傾向于重復(fù)訪問同一存儲單元,利用這一特性可進(jìn)行緩存技術(shù)優(yōu)化。多級存儲層次主存儲器主存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，提供了直接訪問內(nèi)存的能力。具有中等容量和速度的特點(diǎn)。高速緩存高速緩存介于CPU和主存之間，利用局部性原理提高訪問速度。采用快速的半導(dǎo)體技術(shù)制造。非易失性存儲非易失性存儲如硬盤、固態(tài)硬盤等為計(jì)算機(jī)提供大容量的長期數(shù)據(jù)存儲。讀寫速度相對較慢。代價(jià)-性能折衷成本權(quán)衡在設(shè)計(jì)存儲系統(tǒng)時(shí),需要權(quán)衡不同存儲技術(shù)的成本,以確保系統(tǒng)在性能和預(yù)算之間達(dá)到最佳平衡?？臻g效率存儲系統(tǒng)需要考慮存儲容量和物理占用空間,以優(yōu)化有限的空間資源。能耗控制能耗管理是設(shè)計(jì)存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一,需要在性能和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡?？蓴U(kuò)展性存儲系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展性,以應(yīng)對未來容量和性能需求的增長。高速緩存設(shè)計(jì)1局部性原理高速緩存設(shè)計(jì)利用程序的時(shí)間局部性和空間局部性,將最常訪問的數(shù)據(jù)存儲在快速的緩存中。2映射策略高速緩存使用直接映射、組相聯(lián)或全相聯(lián)等不同的映射策略,對應(yīng)數(shù)據(jù)存儲位置的選擇方式。3替換算法當(dāng)緩存滿時(shí),需要使用LRU、FIFO等替換算法來決定淘汰哪些數(shù)據(jù),以容納新的數(shù)據(jù)。局部性原理時(shí)間局部性指在某個時(shí)間段內(nèi)，同一個數(shù)據(jù)項(xiàng)很可能被多次訪問?？臻g局部性指在某個時(shí)間段內(nèi)，與某個數(shù)據(jù)項(xiàng)相鄰的數(shù)據(jù)項(xiàng)很可能被訪問。順序性指指令或數(shù)據(jù)訪問的模式往往具有一定的規(guī)律性和順序性。直接映射緩存1關(guān)聯(lián)性低直接映射緩存中，每個主存地址塊對應(yīng)著唯一的緩存行。2訪問簡單通過簡單運(yùn)算就能找到數(shù)據(jù)所在的緩存行。3命中率較低由于關(guān)聯(lián)性低，容易產(chǎn)生沖突，使命中率降低。直接映射緩存是最簡單的緩存組織形式。它通過簡單的運(yùn)算就能確定數(shù)據(jù)所在的緩存行，但由于缺乏關(guān)聯(lián)性，容易產(chǎn)生沖突并降低命中率。因此，在追求高性能的系統(tǒng)中，通常會采用更復(fù)雜的組相聯(lián)或全相聯(lián)緩存設(shè)計(jì)。組相聯(lián)緩存分組映射組相聯(lián)緩存將緩存分成多個組，每個組包含多個緩存行。地址的一部分用于選擇組，另一部分用于在組內(nèi)搜索。關(guān)聯(lián)度組關(guān)聯(lián)度決定了每個組內(nèi)可以存放的最大緩存行數(shù)。較高的關(guān)聯(lián)度可提高命中率，但硬件復(fù)雜度也會上升。替換策略當(dāng)一個新的緩存行需要填充時(shí)，需要決定替換哪個現(xiàn)有的緩存行。常用策略包括LRU、隨機(jī)等。性能權(quán)衡組相聯(lián)緩存在命中率和硬件復(fù)雜度之間進(jìn)行權(quán)衡。較高的關(guān)聯(lián)度可提高性能，但成本也會更高。全相聯(lián)緩存1直接映射每個塊只有一個緩存行存放2組相聯(lián)每個緩存組可存放多個塊3全相聯(lián)所有緩存行可存放任意塊全相聯(lián)緩存沒有組的概念,所有的緩存行都可以存放任意的內(nèi)存塊。這種緩存結(jié)構(gòu)提供了最大的靈活性和利用效率,但需要復(fù)雜的硬件電路來實(shí)現(xiàn)地址比較和替換策略。相比其他緩存結(jié)構(gòu),全相聯(lián)緩存有更高的命中率,但硬件成本也更高。替換算法最近最少使用(LRU)LRU算法會淘汰最長時(shí)間未被訪問的緩存行。它基于基本思想是最近被訪問的數(shù)據(jù)最有可能被再次訪問。隨機(jī)替換(Random)隨機(jī)替換算法會隨機(jī)選擇一個緩存行進(jìn)行替換。這種算法簡單易實(shí)現(xiàn),但不能充分利用緩存空間。先進(jìn)先出(FIFO)FIFO算法會淘汰最早進(jìn)入緩存的數(shù)據(jù)。它能保證每個緩存行都有機(jī)會被訪問,但無法考慮訪問頻率。緩存一致性數(shù)據(jù)可見性緩存一致性確保多個處理器對同一數(shù)據(jù)的讀寫操作是可見和有序的。寫策略寫策略決定何時(shí)將數(shù)據(jù)從緩存回寫到主存儲器,影響系統(tǒng)性能和復(fù)雜度?？偩€嗅探通過監(jiān)聽系統(tǒng)總線上的讀寫操作來維護(hù)緩存一致性是一種有效方法。MESI協(xié)議MESI協(xié)議是一種常用的緩存一致性協(xié)議,可確保多核CPU緩存之間的數(shù)據(jù)一致性。虛擬內(nèi)存內(nèi)存地址擴(kuò)展虛擬內(nèi)存通過將內(nèi)存地址擴(kuò)展為更大的虛擬地址空間,使得程序可以訪問更大的內(nèi)存容量。按需調(diào)入虛擬內(nèi)存只在需要時(shí)才將頁面從磁盤調(diào)入內(nèi)存,提高了內(nèi)存利用率并減少載入時(shí)間。內(nèi)存保護(hù)虛擬內(nèi)存為每個進(jìn)程提供獨(dú)立的地址空間,防止進(jìn)程之間的內(nèi)存訪問沖突。分頁機(jī)制虛擬內(nèi)存采用分頁機(jī)制,將內(nèi)存劃分為固定大小的頁面,提高了內(nèi)存管理的靈活性。頁表和段表虛擬內(nèi)存地址虛擬內(nèi)存地址通過頁表和段表進(jìn)行映射，將虛擬地址映射到物理內(nèi)存地址。頁表頁表保存了虛擬頁號到物理頁幀號的映射關(guān)系，用于實(shí)現(xiàn)頁式虛擬內(nèi)存。段表段表保存了虛擬段號到物理內(nèi)存基地址的映射關(guān)系，用于實(shí)現(xiàn)段式虛擬內(nèi)存。頁面置換算法1FIFO先進(jìn)先出的頁面替換策略2LRU最近最少使用的頁面替換策略3LFU最不常用的頁面替換策略頁面置換算法是虛擬內(nèi)存管理中的一個關(guān)鍵概念。當(dāng)內(nèi)存不足時(shí),需要通過某種算法選擇合適的頁面進(jìn)行置換,以騰出空間容納新的頁面。常見的算法有FIFO、LRU和LFU,分別基于先進(jìn)先出、最近最少使用和最不常用的原則進(jìn)行頁面替換。這些算法在實(shí)際應(yīng)用中都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。內(nèi)存管理單元1內(nèi)存管理功能內(nèi)存管理單元負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存空間,提供內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換和內(nèi)存保護(hù)等功能。2頁表和段表管理內(nèi)存管理單元維護(hù)頁表和段表,用于存儲虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系。3內(nèi)存訪問控制內(nèi)存管理單元可以設(shè)置內(nèi)存訪問權(quán)限,防止非法訪問或越權(quán)訪問內(nèi)存。4頁面置換算法內(nèi)存管理單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)頁面置換算法,決定將哪些頁面換出以騰出內(nèi)存空間。外存系統(tǒng)多種外部存儲設(shè)備外部存儲系統(tǒng)包含硬盤、光驅(qū)、閃存等多種設(shè)備,為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供大容量、永久性的數(shù)據(jù)存儲。高性能存儲解決方案采用RAID技術(shù)的磁盤陣列可提供高速、可靠的外部存儲,廣泛用于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域。智能化存儲管理專業(yè)的存儲管理軟件可實(shí)現(xiàn)自動化備份、虛擬化、分層存儲等功能,提高存儲系統(tǒng)的可靠性和使用效率。磁盤子系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲磁盤驅(qū)動器是重要的大容量數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，能夠提供TB級別的數(shù)據(jù)存儲空間?？焖僭L問磁頭可快速定位到特定磁道和扇區(qū)，實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)讀寫。數(shù)據(jù)備份磁盤驅(qū)動器可用于重要數(shù)據(jù)的備份和歸檔，提供長期數(shù)據(jù)存儲能力。高傳輸速率現(xiàn)代磁盤驅(qū)動器可提供高達(dá)數(shù)百M(fèi)B/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。總線和接口標(biāo)準(zhǔn)1總線標(biāo)準(zhǔn)總線是連接計(jì)算機(jī)各個部件的信號傳輸通道,常見標(biāo)準(zhǔn)包括ISA、PCI、PCIExpress等。2接口標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備需要符合特定的接口標(biāo)準(zhǔn),如USB、HDMI、RJ-45網(wǎng)線等。3