计算机组成原理(4.1存储子系统概述)
《存储子系统》课件
云存储服务
云存储服务是一种基于云计算的存储服务，可以 01 提供灵活、可扩展和高可用的数据存储和管理。
云存储服务通常采用分布式存储架构，将数据分 02 散存储在多个节点上，以提高数据的可靠性和可
用性。
云存储服务还提供了丰富的API和SDK，方便开发 03 人员进行数据存储和管理，同时也提供了完善的
机遇
随着数据安全和隐私保护需求的增长，将促进存储子系统相关技术的创新和发展，为存储 子系统带来更多的发展机遇和市场空间。同时，也将推动相关法规和标准的制定和完善， 为数据安全和隐私保护提供更加有力的法律保障。
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《存储子系统》PPT 课件
目录
• 存储子系统概述 • 存储子系统的构成 • 存储子系统的技术原理 • 存储子系统的应用场景 • 存储子系统的性能评估与优化 • 未来存储子系统的发展趋势
01
存储子系统概述
定义与功能
01
定义
存储子系统是计算机系统中用于存储数据的硬件 和软件的集合。
02
功能
存储子系统负责数据的存储、读取、备份和恢复 ，为计算机系统提供可靠、高效的数据存储支持
负责管理存储空间的分配和卷的创建。
数据迁移软件
用于将数据从旧存储介质迁移到新介质。
存储介质
01 机械硬盘
具有较高的容量和较低的 价格，但性能相对较低。
03 固态硬盘
具有较高的性能和较快的
读写速度，但价格较高。
02 磁带
具有极高的容量和较低的
价格，但访问速度较慢。
04 光盘
适用于长期归档和离线存
储，具有较好的耐久性。
数据备份与恢复原理
1 2
数据备份方式
计算机组成原理期末复习资料要点
计算机组成原理期末复习资料（陆瑶编著）第一章计算机的系统概述（P1-8）1.1计算机的组成任务（P1）1.计算机系统由硬件和软件两个子系统组成；2.计算机系统结构主要有a、研究计算机系统硬件、软件功能的分配；b、确定硬件和软件的界面；c、完成提高计算系系统性能的方法；3.计算机的组成是按照计算机系统结构分配给硬件子系统的功能以与确定的概念结构，研究硬件子系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令集的各种功能和特性。
4.计算机实现是计算机组成的物理实现，即按计算机组成制定的方案，制作出实际的计算机系统，它包括处理器、主存、总线、接口等各部件的物理结构的实现，器件的集成度和速度的选择和确定，器件、模块、插件、底板的划分和连接，专用器件的设计，电源配置、冷却、装配等各类技术和工艺问题的解决等。
1.2计算机的硬件系统结构P2（1.2.1）5.电子数字计算机普遍采用冯·诺依曼计算机系统结构。
6. 主机：由、存储器与接口合在一起构成的处理系统称为主机。
7. ：中央处理器，是计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。
8.冯·诺依曼计算机系统结构由运算器、控制器、储存器、输入设备、输出设备5大部件组成，相互间以总线连接。
9.运算器的作用：计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。
运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以与移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件()。
（算数逻辑部件（）：用于完成各种算术运算和逻辑运算（主要用于条件判断、设备控制等）。
）10.控制器的作用：是计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令.由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的"决策机构"，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。
11储存器的作用：是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
【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。
计算机组成原理第4章存储器系统
计算机组成原理第4章存储器系统存储器系统是计算机的核心组成部分之一，它用于存储和检索数据和指令。
在计算机组成原理中，存储器系统的设计和性能对整个计算机系统的性能有着重要的影响。
本章将介绍存储器系统的组成、层次结构以及存储器的性能评价等内容。
一、存储器系统的组成存储器系统由多个存储器模块组成，其中包括主存储器、辅助存储器以及缓存存储器等。
主存储器是CPU直接访问的存储器，用于存储程序和数据。
辅助存储器是主要用于长期存储数据和程序的存储器，例如磁盘、光盘等。
缓存存储器是位于CPU和主存储器之间的高速存储器，用于缓存主存储器中的数据和指令，以提高计算机系统的性能。
二、存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构是指根据存储器的速度和容量，将存储器划分为多个层次，从而提供更高效的数据访问方式。
通常，存储器层次结构由多个层次组成，包括高速缓存、主存储器和辅助存储器。
高速缓存是存储器层次结构中最靠近CPU的一级存储器，其速度比主存储器快几倍或几十倍，容量较小。
它通过存储最近访问的数据和指令来提高访问速度，减少CPU等待数据的时间。
主存储器是存储器层次结构中的第二级存储器，其速度比辅助存储器快几百倍或几千倍，容量适中。
主存储器通过存储程序和数据来提供直接访问的能力。
辅助存储器是存储器层次结构中的最低级存储器，其速度比主存储器慢几个数量级，容量很大。
辅助存储器主要用于长期存储数据和程序，例如磁盘、光盘等。
三、存储器的性能评价存储器的性能主要包括存取时间和存储容量两个方面。
存取时间是指从CPU发出读/写指令到数据从存储器中被读取或写入CPU的时间间隔。
存取时间越短，存储器的性能越好。
存储容量是指存储器能够存储的数据和程序的大小。
存储容量越大，存储器的性能越好。
除了存取时间和存储容量，存储器的成本也是考虑的重要因素。
成本包括硬件成本和能源消耗成本，通常在存储器设计中需要在性能和成本之间进行权衡。
四、存储器系统的设计原则存储器系统的设计需要考虑以下几个原则。
计算机组成原理第04章 存储子系统
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.1 双极型存储单元与芯片 1. TTL型存储单元举例 ·保持 字线Z为高电平3伏，而位线 W 、W均 为1.6伏。则D1与D2均处于反偏状态而截止， W 和 W 这一对位线与双稳态电路隔离不通，T1、 T2通过交叉反馈维持原态不变。
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.1 双极型存储单元与芯片 1. TTL型存储单元举例 ·写入 字线Z加负脉冲，其电平从3伏下降 至0.3伏。 写0 位线Ｗ电平上升至高电平3伏，而 W 维 持1.6伏不变。二极管D2通导，写入电流从W 经D2流入T1基极，使T1通导，经交叉反馈使 T2截止。
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.3 动态MOS存储单元与芯片 1. 动态MOS四管存储单元 ·暂存信息 字线Z加低电平，门管T3与T4断开，基本上 无放电回路，仅存在泄漏电流，信息可暂存 数毫秒。
4.1 概述
4.1.1 存储系统的层次结构 对存储器的最基本要求是：存储容量大、存 取速度快、成本价格低。在同一存储器中通 常难以同时满足这些要求。解决方法： ·改进制造工艺，寻求新的存储机理，以提 高存储器的性能 ·将整个存储系统由几个层次组成。经过合 理的搭配组织，对用户来说，整个存储系统 能提供足够大的存储容量和较快的有效速度， 这基于程序访问的局部性原理。
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.2 静态MOS存储单元与芯片 2. 静态MOS存储芯片举例 Intel 2114
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.3 动态MOS存储单元与芯片 1. 动态MOS四管存储单元 依靠T1与T2的栅极电容存储电荷来存储信息 ·若C1充电至高电平使T1通导，而C2放电至 低电平使T2截止，存入信息为0； ·若C1放电至低电平使T1截止，而C2充电至 高电平使T2通导，存入信息为1。
计算机组成原理第4章 存储系统
第四章存储系统4.1概述4.1.1技术指标4.1.2层次结构4.1.3存储器分类存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。
一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，均可以存储一位二进制代码。
这个二进制代码位是存储器中最小的存储单位，称为一个存储位或存储元。
由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。
根据存储材料的性能及使用方法不同，存储器有各种不同的分类方法。
(1)按存储介质分作为存储介质的基本要求，必须有两个明显区别的物理状态，分别用来表示二进制的代码0和1。
另一方面，存储器的存取速度又取决于这种物理状态的改变速度。
目前使用的存储介质主要是半导体器件和磁性材料。
用半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。
用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器。
(2)按存取方式分如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称为随机存储器。
半导体存储器是随机存储器。
如果存储器只能按某种顺序来存取，也就是说存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器称为顺序存储器。
如磁带存储器就是顺序存储器，它的存取周期较长。
磁盘存储器是半顺序存储器。
(3)按存储器的读写功能分有些半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，因此这种半导体存储器称为只读存储器(ROM)。
既能读出又能写人的半导体存储器，称为随机读写存储器(RAM)。
(4)按信息的可保存性分断电后信息即消失的存储器，称为非永久记忆的存储器。
断电后仍能保存信息的存储器，称为永久性记忆的存储器。
磁性材料做成的存储器是永久性存储器，半导体读写4.2 半导体随机读写存储器主存储器由半导体存储芯片构成，容量较小时可采用SRAM芯片，容量较大时一般采用DRAM芯片。
主存中的固化区采用ROM芯片，包括PROM、EPROM、EEPROM、等。
计算机组成原理 第 4 章 存储器系统(修改版)
磁芯存储器
2013-11-14
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3.5英寸软盘
2013-11-14
11
硬盘
2013-11-14
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(2)半导体存储器
• 半导体存储器是用半导体器件组成的存储器。 • 根据制造工艺不同，可分为双极型和MOS型。
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U盘
2013-11-14
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(3) 光存储器
• 利用光学原理制成的存储器，它是通过 能量高度集中的激光束照在基体表面引 起物理的或化学的变化，记忆二进制信 息。如光盘存储器。
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3
4.1.1
存储器分类
• 1．按与CPU的连接和功能分类
• (1) 主存储器 CPU能够直接访问的存储器。用于存 放当前运行的程序和数据。主存储器设在 主机内部，所以又称内存储器。简称内存 或主存。
2013-11-14
4
(2) 辅助存储器
• 为解决主存容量不足而设置的存储器， 用于存放当前不参加运行的程序和数据。 当需要运行程序和数据时，将它们成批 调入内存供CPU使用。CPU不能直接访问 辅助存储器。 • 辅助存储器属于外部设备，所以又称为 外存储器，简称外存或辅存。
写操作（存操作） 地址 （MAR） AB
MEM
CPU MEM MDR
MEM
CPU
CB 读命令 （Read）
MEM
存储单 元内容 （M）
DB
MEM
CB 写命令 MEM （Write） DB 存储单元 MDR M
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CPU与主存之间的数据传送控制方式
• 同步控制方式：数据传送在固定的时间间隔内 完成，即在一个存取周期内完成。 • 异步控制方式：数据传送的时间不固定，存储 器在完成读/写操作后，需向CPU回送“存储器 功能完成”信号（MFC），表示一次数据传送完 成。 • 目前多数计算机采用同步方式控制CPU与主存之 间的数据传送。 • 由于异步控制方式允许不同速度的设备进行信 息交换，所以多用于CPU与外设的数据传送中。
纪禄平-计算机组成原理(第四版)-4-1存储子系统-概述PPT课件
逻辑上能提供比物理存储器更大的虚拟存储空间，相 关地址称为虚拟地址或逻辑地址。
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6
3.存储器的分类(按存储介质)
（1）半导体存储器 静态存储器:利用双稳态触发器的两个稳定状态存 储信息,信息易失 动态存储器:依靠电容上的电荷暂存信息，主存
（2）磁表面存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大, 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存
存储器的位宽
数据传输率(R) =
bps
存取周期
【例】某双通道DDR-4内存传输频率为3200MHz，位 宽64比特，则其有效带宽为：
RDDR-4=2×(64b×3200MHz÷8)=51.2GBps
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14
容量却很小
L3
L2
MM 主存(DDR3/4)
EM 外存(硬盘等)
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5
2.物理存储器与虚拟存储器
物理存储器: 物理形态上真实存在的存储器，简称为实存，其地址 称为物理地址或实地址。
虚拟存储器: 虚拟存储器是一个逻辑模型，并非物理存在，基于物 理存储器并靠硬件+操作系统的映射来实现。
内存
虚拟存储技术
外存
FLASH Memory（闪存） 接近 速度指标：频率-存取周期或读/写周期(ns) 通常用作主存、高速缓存。
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10
（2）顺序存取存储器（SAM）
访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问时间与 数据的存储位置有关。
例如：磁带机（录音机）、电影胶片。
定位操作 两步操作
数据读/写操作
平均定位时间(ms) 速度指标
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4.存储器的技术指标
(1)存取时间
从存储器收到读写命令，到存储器读出（写入）信息 所需要的时间，TA
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第四章 存储子系统
本章需解决的主要问题： （１ ）存储器如何存储信息？ （２ ）在实际应用中如何用存储芯片组成具有 一定容量的存储器？
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 2006秋季学期
４ ． １概述
４ ． １ ． １存储系统的层次结构
随机访问 主要存放Ｃ Ｐ Ｕ 当前使用的程序和数据。
速度快 容量有限 （２ ）辅存 （外存） 速度较慢 存放大量的后备程序和数据。
容量大 （３ ）高速缓存 速度很快 存放Ｃ Ｐ Ｕ 在当前一小段时间内 容量小 多次使用的程序和数据。
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 ２ ０ ０ ６ 秋季学期
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 ２ ０ ０ ６ 秋季学期
（１ ）主存 （内存）
２
分层存储体系结构示意图 Ｃ Ｐ Ｕ Ｃ ａ ｃ ｈ ｅ 主存
外存
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 ０ ０ ６ 秋季学期 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 姚爱红 ２ ２ ０ ０ ６ 秋季学期
３
４ ． １ ． ２物理存储器与虚拟存储器
物理存储器：真正在物理上存在的主存储器。
存储容量为物理地址空间，使用物理地址访问。
虚拟存储器：提供给用户编程使用的存储器。
存储容量为虚拟地址空间，使用的编程地址为 虚拟地址，或者说逻辑地址。
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 ０ ０ ６ 秋季学期 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 姚爱红 ２ ２ ０ ０ ６ 秋季学期
４
４ ． １ ． ３存储器的分类
１ ． 按物理存储机制（存储介质）分类 （１ ）半导体存储器 作主存、高速缓存。
利用双稳态触发器存储信息 （动态存储器除外）。
速度快，非破坏性读出 （单管动态存储器除外）， 信息易失 （只读存储器除外）。
（２ ）磁表面存储器 作外存。
利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。
容量大， 非破坏性读出， 长期保存信息， 速度慢。
（３ ）光盘存储器 作外存。
利用光斑的有无表示信息。
长期保存信息， 速度慢。
非破坏性读出， 容量很大， 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 ０ ０ ６ 秋季学期 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 姚爱红 ２ ２ ０ ０ ６ 秋季学期
５
２ ． 按存取方式分类
（１ ）随机存取存储器 随机存取： 可按地址访问存储器中的任一单元， 访问时间与单元地址无关。
可读可写 Ｒ Ａ Ｍ ： 固存： 用户不能编程 Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ ： 用户可一次编程 Ｒ Ｏ Ｍ ： 只读不写 Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ ： 用户可多次编程 （紫外线擦除） Ｅ Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ ：用户可多次编程 （电擦除） Ｆ ｌ ａ ｓ ｈＭ ｅ ｍ ｏ ｒ ｙ 速度指标： 存取周期或读／ 写周期（ｎ ｓ ） 作主存、高速缓存。
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 ０ ０ ６ 秋季学期 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 姚爱红 ２ ２ ０ ０ ６ 秋季学期
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（２ ）顺序存取存储器（Ｓ Ａ Ｍ ） 访问时读／ 写部件按顺序查找目标地址，访问时 间与数据位置有关。
两步操作 速度指标 等待操作 读／ 写操作 平均等待时间 数据传输率 （ｍ ｓ ） （字节／ 秒）
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 ０ ０ ６ 秋季学期 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红 姚爱红 ２ ２ ０ ０ ６ 秋季学期
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（３ ）直接存取存储器（Ｄ Ａ Ｍ ） 访问时读／ 写部件先直接指向一个小区域，再在该 区域内顺序查找。
访问时间与数据位置有关。
定位（寻道）操作 等待（旋转）操作 读／ 写操作
三步操作
平均定位（平均寻道）时间 （ｍ ｓ ） 速度指标 平均等待（平均旋转）时间 （ｍ ｓ ） 数据传输率 （位／ 秒）
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３ ． 按存储器在系统中的位置分类
高速缓冲存储器（Ｃ Ａ Ｃ Ｈ Ｅ ） 主存 外存
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４ ． １ ． ４存储器系统的关键特性
Ø 存取时间：从存储器受到读（或写）申请命令，到 从存储器读出（或写入）信息所需的时间称为存储器 访问时间或称存取时间。
Ø 存取周期：主要针对随机存储器 Ø 数据传输率：数据传入或传出存储器的速率。
１ ／ Ｔ或 Ｔ ＝ Ｔ ＋ Ｎ ／ Ｒ Ｎ Ａ
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１ ０
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