存储系统
存储系统
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7.2.4 多层次Cache存储器 1.指令Cache和数据Cache 开始实现Cache时，是将指令和数据存放在同一Cache 中的。后来随着计算机技术的发展和处理速度的加快, 存取数据的操作经常会与取指令的操作发生冲突，从而 延迟了指令的读取。发展的趋势是将指令Cache和数据 Cache分开而成为两个相互独立的Cache。 2. 多层次Cache结构 当芯片集成度提高后，可以将更多的电路集成在一个 微处理器芯片中于是近年来新设计的快速微处理芯片都 将Cache集成在片内，片内cache的读取速度要比片外 Cache快得多。 Pentium微处理器的片内包含有8KB数 据 Cache和 8KB指令Cache。Cache行的长度为32B，采 取两路组相联组织。
m=t+c 标记 标记
主存储器 cache 存储器
字块 0 字块 1
…
字块 0 字块 1
…
字块 i
c
标记
字块 2 -1
…
字块 2m-1
主存地址 主存字 字块内 地址 块标记 b位
12
m = t +c 位
例如某机主存为1MB,划分2048页，每页512B，;Cache 为8KB, 划分16页，每页1KB。 11位 Cache 主存 主存地址 标记 0页 11位 9位 0页 标记 1页 . . . . . . 标记 15页 1页
…
块标记 字块地址 地址 t位 c位 m位 b位
命中
不命中
字块 92m-1
例如某机主存为1MB,划分2048页，每页512B，共分 0~127组，每组16页;Cache为8KB,划分16页，每页1KB 7位 Cache 主存 主存地址 0页 标记 0页 0组 7位 4位 9位 标记 1页 . . . . . . 标记 15页
计算机中的存储系统的构成
计算机中的存储系统的构成计算机中的存储系统主要由以下几个部分构成：1.主存储器（Main Memory）：主存储器是计算机硬件中最重要的部分之一，负责存储和检索程序运行所需的数据和指令。
它通常由DRAM（动态随机存取存储器）或SRAM（静态随机存取存储器）组成，容量从几GB到几十GB 不等。
2.辅助存储器（Secondary Memory）：辅助存储器主要包括硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
这些设备存储大量的数据和程序，虽然存取速度比主存储器慢，但容量大且价格低。
硬盘的容量通常在几百GB到几TB之间，而固态硬盘则具有更高的读写速度和耐用性。
3.三级存储器（Tertiary Memory）：这是更低一级的存储设备，通常包括光盘、U盘和SD卡等。
这些设备具有非常小的存储容量，通常用于存储小型的程序或数据文件。
4.高速缓存（Cache Memory）：高速缓存是主存和CPU之间的临时存储器，它保存了CPU最经常访问的数据和指令。
高速缓存的存取速度非常快，通常使用SRAM实现。
5.寄存器（Registers）：寄存器是CPU内部的高速存储部件，用于存储操作数和指令。
寄存器的存取速度比高速缓存还要快，但容量通常较小。
6.输入/输出设备（I/O Devices）：这些设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等，用于在计算机和用户之间进行交互。
这些设备通常有自己的存储和处理能力，例如打印机的墨盒就包含了一种形式的内存，用于存储墨水浓度和打印质量等信息。
7.通信接口（Communication Interfaces）：这些接口包括USB、HDMI、Ethernet等，用于计算机与其他计算机或设备之间进行数据交换。
这些接口通常也包含自己的内存，用于临时存储传输的数据。
在以上这些组成部分中，主存储器、辅助存储器和高速缓存是计算机存储系统中的核心部分。
它们之间的协作关系直接影响了计算机的性能和效率。
例如，当CPU需要访问的数据或指令不在高速缓存中时，它会从主存储器中读取数据或指令。
第5章 存储系统
控制 输入 电路
读 /写 选 片
地址反相器
A5 A6 A7 A8 A9
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第5章 存储系统 1．存储体 一个基本存储电路表示一位二进制位 存储电路有规则的组合，就是存储体，即存储阵列 2．外围电路 包括地址译码器、I/O电路、片选控制、输出驱 动电路 3．地址译码方式 （1）单译码方式 只有行方向的译码器 （2）双译码方式 行译码（X译码）和列译码（Y译码）
可擦除可编程ROM—EPROM ：用特殊手段擦除， 然后可重新多次写入
电可擦除可编程ROM—E2PROM ：用电方式进行 在线擦除
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第5章 存储系统
5.4.1 掩膜型ROM（Read Only Memory）
其基本存储电路可由二极管、晶体管、MOS管构成
X选线 X选线 X选线
基本存储电路如图示（6管） X 选 择 线 T1、T2：双稳态触发器 T3、T4：负载管 T T5、T6：控制门 T7、T8：控制管 T1截止 →A为1 →T2导通 → ↑ B为0 ← ← T2截止为另一种稳态
第11页
Vc c
1T
5
3
T4 B T2
0
T6
─ ─
T1
A
→
D0 T7
D0 T8 I /O
I /O
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第5章 存储系统 （1）单译码方式
A0 A1 · · An 地 址 译 码 · · · · · · · ··· · · ·
···
写 读选通 写选通
I/O 控 制
读 写
I/O 控 制
读
第16页
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【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。
微型计算机原理与组成-第5章 储存系统
· 读取CMOS-SRAM中的设备配置，确 定硬件运行环境。
· 系统引导、启动。
· 基本的输入输出控制程序。 · 存储一些重要的数据参数。 · 部分机器还含有硬化的部分操作系统。
ROM-BIOS一般为几十KB的容量，并 有逐渐加大的趋势，常为掩膜式ROM。 目前高档PC机已采用快速擦写存储器， 使ROM BIOS 的功能由软盘软件支撑升级。
5.4.5 页式虚拟存储器 页式虚拟存储器中的基本信息传送单 位为定长的页。
5.4.6 段页式虚拟存储器简介
段式虚拟存储器和页式虚拟存储器各有 其优缺点，段页式管理综合了两者的优点， 将存储空间仍按程序的逻辑模块分成段， 以保证每个模块的独立性及便于用户公用； 每段又分成若干个页。 页面大小与实存页相同，虚存和实存之 间的信息调度以页为基本传送单位。
2．CMOS-RAM 用于记录设备配置参数，如内存容量， 显示器类型，软硬磁盘类型及时钟信息等。 CMOS-RAM采用CMOS工艺制成，功耗很 少。
3．ROM-BIOS
ROM-BIOS用于存放基本的输入输出 系统程序，是操作系统驻留在内存中的最 基本部分，其主要用于以下几个方面。
· 开机后的自检。检测对象涉及计算机 系统的各主要功能部件包括CPU、ROM、 RAM、系统接口电路和键盘、软、硬磁 盘等外设。
5.1.1存储器的分类
1. 按存储介质分 按存储介质可以将存储器分为三种：半 导体存储器、磁表面存储器和光存储器。
2. 按存取方式分
按照存储器的存取可方式分为随机存取 （读写）存储器、只读存储器、顺序存取存 储器和直接存取存储器等。
存储系统及设备简介
存储系统及设备简介存储系统是计算机系统中用于存储数据的设备或软件。
它可以用来存储文件、程序、数据库、备份数据等多种数据。
存储系统通常包括硬盘、固态硬盘、光盘、磁带等物理设备，以及文件系统、数据库系统、备份系统等软件。
这些设备和软件可以单独使用，也可以组合使用，以满足不同的存储需求。
硬盘是最常见的存储设备之一，它可以将数据永久保存在磁盘上。
固态硬盘使用闪存存储技术，速度更快且更可靠，因此在近年来得到了广泛应用。
光盘和磁带则通常用于备份数据或长期存储数据。
在软件层面，文件系统是用于管理存储设备上的文件和目录的软件。
常见的文件系统包括NTFS、FAT32、ext4等。
数据库系统则专门用于管理大量的结构化数据，例如企业的客户信息、销售记录等。
备份系统则用于定期备份数据，以防止数据丢失。
存储系统和设备在现代计算机系统中扮演着非常重要的角色，它们不仅直接影响着计算机系统的性能和可靠性，还关系着数据的安全和持久性。
因此，选择合适的存储系统及设备对于计算机系统的设计和运行至关重要。
存储系统是现代计算机系统中不可或缺的组成部分，其功能和性能直接影响着计算机系统的整体表现。
在今天的数字化时代，我们对数据的存储需求越来越大，因此存储系统和设备的选择和配置变得尤为重要。
本文将继续讨论存储系统的相关内容，包括存储设备的发展趋势、存储系统的应用和挑战等方面。
随着计算机硬件技术的不断发展，存储设备的性能、容量和可靠性也在不断提升。
其中，固态硬盘（SSD）作为一种新型的存储设备，以其高速的读写性能和可靠的存储特性，受到了广泛的关注。
与传统的机械硬盘（HDD）相比，固态硬盘具有更快的数据读写速度、更低的能耗和更小的体积，因此在高性能计算、大规模数据处理和云计算等领域得到了广泛的应用。
随着技术的不断进步，固态硬盘的容量和性能还会继续提升，今后有望成为存储系统的主流设备。
除了固态硬盘外，存储系统中的光盘和磁带等传统存储设备也在不断演进和改进。
计算机的存储系统
第6章计算机的存储系统现代计算机采用程序控制方式工作，因此，用来存放程序的存储系统是计算机的重要组成部分。
存储器包括内存储器和外存储器。
内存储器包括主存储器和高速缓冲存储器，外存储器即辅助存储器。
主存储器简称主存，它位于主机内部。
本章介绍计算机的存储系统，包括主存储器的基本组成、层次结构和工作原理，高速缓冲存储器的工作原理，以及各类外存储器。
6.1 存储器与存储系统概述6.1.1 存储器的作用现代计算机都是以存储器为中心的计算机，存储器处于全机的中心地位。
存储器的作用可归纳为：⑴存放程序和数据。
计算机执行的程序、程序运行所需要的数据都是存放在存储器中的。
⑵现代计算机可以配置的输入输出设备越来越多，数据传送速度不断加快，并且多数采用直接存储器存取（DMA）方式和输入输出通道技术，与存储器直接交换数据而不通过CPU。
⑶共享存储器的多处理器计算机的出现，使得可利用存储器来存放共享数据，并实现各处理器之间的通信，更加强了存储器作为整个计算机系统中心的作用。
6.1.2 存储器分类⒈按存取方式分类⑴随机存取存储器RAM(Random Access Memory）特点：存储器中任何一个存储单元都能由CPU或Ｉ/O设备随机存取，且存取时间与存取单元的物理位置无关。
用途：常用作主存或高速缓存。
⑵只读存储器ROM(Read-Only Memory）特点：存储器的内容只能读出而不能写入。
用途：常用来存放固定不变的系统程序。
作为固定存储，故又叫“固存”。
随着用户要求的提高，只读存储器产品从ROM→可编程只读存储器PROM→光可擦除可编程只读存储器EPROM→电可擦除可编程的只读存储器EEPROM，为用户方便地存入和改写内容提供了物质条件。
⑶顺序存取存储器SRAM特点：存储器中存储的信息（字或者记录块），完全按顺序进行存放或读出，在信息载体上没有惟一对应的地址号，访问指定信息所花费的时间和信息所在存储单元的物理位置密切相关。
存储系统原理
存储系统原理
存储系统原理的概述
存储系统是计算机系统中用于数据存储和访问的关键组成部分。
它包括了多种类型的存储介质和相应的硬件、软件，用于实现数据的持久性存储和高效的数据访问。
存储系统原理主要涉及以下几个方面：
1. 存储层次结构：存储系统根据存储介质的特性和成本，将存储空间划分为多个层次。
通常从高到低分为：高速缓存、内存、磁盘和磁带等。
不同层次的存储设备之间通过缓存和映射机制来实现数据的高效传输和访问。
2. 存储介质：常见的存储介质包括半导体存储器（如DRAM、SRAM、闪存等）和磁存储器（如硬盘、磁带等）。
不同的存
储介质具有不同的读写速度、容量、可靠性和成本等特点，应根据应用需求进行选择。
3. 存储管理：存储系统需要提供对数据的有组织的管理和保护。
这包括了文件系统的设计与实现、存储空间的分配和回收、数据的备份与恢复、数据的安全性和完整性保护等。
4. 存储与计算的接口：存储系统需要提供给计算机系统高效的存储访问接口，以实现数据的读写和操作。
这包括了存储器层次结构的映射、虚拟存储器的管理、存储器保护机制等。
5. 存储性能优化：存储系统需要通过各种性能优化技术，提高
数据的访问速度和存储利用率。
这包括了读写缓存、预取、数据压缩和去重、存储调度算法等。
6. 存储系统可靠性与容错：随着存储容量的不断增加，存储系统的可靠性和容错性变得越来越重要。
它包括对硬件故障的容错机制（如RAID）、数据冗余备份和快速恢复等。
总之，存储系统原理是研究存储介质、存储管理和存储性能等方面的基本原理和技术，旨在设计和实现高性能、高可靠性和高效能的存储系统。
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存储系统 10263305 董秀云计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件和管理信息调度的设备（硬件）和草法（软件）所组成的系统。
计算机的主存储器不能同时满足存取速度快、存储容量大、成本低的要求，在计算机中必须有速度由慢到快、容量由大到小的多级层次存储器，以最优的控制调度算法和合理的成本，构成具有可接受性能的存储系统。
计算机最初采用串行的延迟线存储器，不久又用磁鼓存储器。
50年代中期，主要使用磁芯存储器作为主存。
60年代中期以来，半导体存储器已取代磁芯存储器。
在逻辑结构上，并行存储和从属存储器技术的采用提高了主存的供数速度，缓和了主存和高速的中央处理器速度不匹配的矛盾。
1968年IBM-360/85最早采用了高速缓冲存储器－主存储器结构。
高速缓冲存储器的存取周期与中央处理器主频周期一样，由硬件自动调度高速缓冲存储器与主存储器之间信息的传递，使中央处理器对主存储器的绝大部分存取操作，可以在中央处理器和高速缓冲存储器之间进行。
虚拟存储器源出于英国 ATLAS计算机的一级存储器概念。
这种系统的主存为16千字的磁芯存储器，但中央处理器可用20位逻辑地址对主存寻址。
到1970年，美国RCA公司研究成功虚拟存储器系统。
IBM公司于1972年在IBM370系统上全面采用了虚拟存储技术。
存储层次在计算机系统中存储层次可分为高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器三级。
高速缓冲存储器用来改善主存储器与中央处理器的速度匹配问题。
辅助存储器用于扩大存储空间。
存储映像完成逻辑地址空间和物理地址空间之间的变换，并且合理地管理存储系统资源。
逻辑地址是指程序员编制的程序地址，由它构成逻辑地址空间。
程序主存储器中的实际地址称为物理地址，由它构成物理地址空间。
存储映像基本上分为两种情况：一种是逻辑地址空间小于物理地址空间，映像要求可以访问所有的物理存储器;另一种是逻辑地址空间大于物理地址空间,映像要确定每个逻辑地址实际所对应的物理地址。
存储变换最简单的方法是采用基址编址。
基址编址是将基址寄存器中的内容（程序基点）与逻辑地址相加，形成物理地址，然后访问存储器。
存储保护近代计算机系统资源为一同执行的多个用户程序所共享。
就主存来说，它同时存有多个用户的程序和系统软件。
为使系统正常工作，必须防止由于一个用户程序出错而破坏同时存在主存内的系统软件或其他用户的程序，还须防止一个用户程序不合法地访问并非分配给它的主存区域。
因此，存储保护是多道程序和多处理机系统必不可少的部分。
主存保护是存储保护的重要环节。
主存保护一般有存储区域保护和访问方式保护。
存储区域保护可采用界限寄存器方式，由系统软件经特权指令给定上、下界寄存器内容，从而划定每个用户程序的区域，禁止越界访问。
界限寄存器方式只适用于每个用户程序占用一个或几个连续的主存区域，而对于虚拟存储器系统，由于一个用户的各页离散地分布于主存内，就需要采用键式保护和环状保护等方式。
键式保护是由操作系统为每个存储页面规定存储键，存取存储器操作带有访问键，当两键符合时才允许执行存取操作，从而保护别的程序区域不被侵犯，环状保护是把系统程序和用户程序按重要性分层，称为环，对每个环都规定访问它的级别，违反规定的存取操作是非法的，以此实现对正在执行的程序的保护。
由于科学计算和数据处理对存储系统的要求越来越高,需要不断改进已有的存储技术,研究新型的存储介质，改善存储系统的结构和管理。
大规模集成电路和磁盘依然是主要的存储介质。
利用新型材料制做大规模集成电路、大容量的联想存储器可大大提高速度，对于计算机系统和软件都会发生影响。
磁盘技术、光盘技术、约瑟夫逊结器件，以至研究新的存储模型，都是计算机存储系统发展的研究课题。
1.局部性原理程序运行的局部性原理有时间、空间和顺序三方面的规律。
2.一致性原则和包含性原则（1）一致性原则：同一个信息会同时存放在几个层次的存储器中，此时，这一信息在几个层次的存储器中必须保持相同的值。
（2）包含性原则：处在内层（更靠近CPU）存储器中的信息一定被包含在各外层的存储器中，即内层存储器中的全部信息一定是各外层存储器中所存信息中一小部分的副本。
计算机最初采用串行的延迟线存储器，不久又用磁鼓存储器。
50年代中期，主要使用磁芯存储器作为主存。
60年代中期以后，半导体存储器已取代磁芯存储器。
在逻辑结构上，并行存储和从属存储器技术的采用提高了主存的供数速度，缓和了主存和高速的中央处理器速度不匹配的矛盾。
1968年IBM- 360/85最早采用了高速缓冲存储器——主存储器结构。
高速缓冲存储器的存取周期与中央处理器主频周期一样，由硬件自动调度高速缓冲存储器与主存储器之间信息的传递，使中央处理器对主存储器的绝大部分存取操作，可以在中央处理器和高速缓冲存储器之间进行。
1970年，美国RCA公司研究成功虚拟存储器系统。
IBM公司于1972年在IBM370系统上全面采用了虚拟存储技术。
由于科学计算和数据处理对存储系统的要求越来越高，需要不断改进已有的存储技术，研究新型的存储介质，改善存储系统的结构和管理。
大规模集成电路和磁盘依然是主要的存储介质。
利用新型材料制作大规模集成电路、大容量的联想存储器可大大提高速度，对于计算机系统和软件都会发生影响。
磁盘技术、光盘技术、约瑟夫逊结器件，以至研究新的存储模型，都是计算机存储系统发展的研究课题。
此外还要进行新的存储机制的研究。
这方面的研究方向是：①由一维线性存储发展到面向二叉树存储结构，提供更广阔数据结构所需的动态存储空间。
②由单纯的数据存储发展到能融合图像、声音、文字、数据等为一体的多维存储系统。
③由存储精确的数据到能接收模糊数据的输入。
④面向对象的存储管理的研究。
⑤智能存储技术的研究，探索新的记忆原理，发明新的存储器件，构造新的存储系统。
计算机存储层次在计算机系统中存储层次可分为高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器三级。
高速缓冲存储器用来改善主存储器与中央处理器的速度匹配问题。
辅助存储器用于扩大存储空间。
计算机存储映像完成逻辑地址空间和物理地址空间之间的变换，并且合理地管理存储系统资源。
逻辑地址是指程序员编制的程序地址，由它构成逻辑地址空间。
程序主存储器中的实际地址称为物理地址，由它构成物理地址空间。
存储映像基本上分为两种情况：一种是逻辑地址空间小于物理地址空间，映像要求可以访问所有的物理存储器；另一种是逻辑地址空间大于物理地址空间，映像要确定每个逻辑地址实际所对应的物理地址。
计算机存储变换最简单的方法是采用基址编址。
基址编址是将基址寄存器中的内容（程序基点）与逻辑地址相加，形成物理地址，然后访问存储器。
计算机存储保护近代计算机系统资源为一同执行的多个用户程序所共享。
就主存来说，它同时存有多个用户的程序和系统软件。
为使系统正常工作，必须防止由于一个用户程序出错而破坏同时存在主存内的系统软件或其他用户的程序，还须防止一个用户程序不合法地访问并非分配给它的主存区域。
因此，存储保护是多道程序和多处理机系统必不可少的部分。
主存保护是存储保护的重要环节。
主存保护一般有存储区域保护和访问方式保护。
存储区域保护可采用界限寄存器方式，由系统软件经特权指令给定上、下界寄存器内容，从而划定每个用户程序的区域，禁止越界访问。
界限寄存器方式只适用于每个用户程序占用一个或几个连续的主存区域，而对于虚拟存储器系统，由于一个用户的各页离散地分布于主存内，就需要采用键式保护和环状保护等方式。
键式保护是由操作系统为每个存储页面规定存储键，存取存储器操作带有访问键，当两键符合时才允许执行存取操作，从而保护别的程序区域不被侵犯，环状保护是把系统程序和用户程序按重要性分层，称为环，对每个环都规定访问它的级别，违反规定的存取操作是非法的，以此实现对正在执行的程序的保护。
编辑本段主存储器存放指令和数据，并能由中央处理器直接随机存取的存储器，有时也称操作存储器或初级存储器。
主存储器的特点是速度比辅助存储器快，容量比高速缓冲存储器大。
主存储器是按地址存取信息的。
一般用随机存储器作主存储器。
存取数据的时间与数据所在存储单元的地址无关。
主存储器工作时，首先由中央处理器将地址送至存储器的地址寄存器并译码，同时接收由中央处理器发出的“读”或“写”命令。
于是，存储器就按照地址译码的输出确定相应的存储单元。
如果是读命令，则将存储单元的代码读出并送往代码缓冲寄存器，如果是写命令，代码缓冲寄存器接收新代码，接着写入存储体。
主存储器采用半导体存储器件。
存储芯片是集成电路市场的支柱产品，主要采用MOS存储器。
容量大而速度低的外围存储器主要采用磁盘、光盘、磁带等。
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通过将高性能NAS与MD32x0i和MD36x0iiSCSI阵列及MD12x0扩展盘柜整合在一起，来部署多用途的统一存储。
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3．全面、直观的NASManager有助于减少建立和管理多个卷和共享所需的时间。
4．一个基于向导的安装工具会自动执行初始设置和配置流程。
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