存储系统层次结构
存储的核心概念
存储的核心概念存储是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和管理数据和程序。
它允许计算机在执行指令和处理数据时进行读写操作，并且可以长期保存数据以供以后使用。
存储的核心概念包括存储层次结构、存储器层次、主存储器和辅助存储器。
一、存储层次结构计算机中的存储层次结构是根据存取速度和容量来划分的，它分为多个层次，每个层次都有自己的特点和功能。
存储层次结构从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器。
下面我将逐一介绍这些层次。
1. 寄存器：寄存器是存储器层次结构中最接近CPU 的一层，也是最快的一层。
它用于存放CPU 需要立即访问的数据和指令。
寄存器的容量很小，一般只有几十个字节，但是它的读写速度非常快，能够满足CPU 对数据和指令的高速处理需求。
2. 高速缓存：高速缓存是位于CPU 和主存储器之间的一层存储器，作为主存储器和寄存器之间的缓冲区，用于加速CPU 对数据和指令的访问。
高速缓存的容量比寄存器大，但比主存储器小，一般几十到几百个千字节。
它的读写速度比主存储器快，但比寄存器慢。
它通过缓存一部分主存储器中的数据和指令，提高了CPU 对存储器的访问效率。
3. 主存储器：主存储器（也叫内存）是计算机系统中最重要的存储器，用于存放程序和数据。
它的容量比高速缓存大，一般几十到几百个千兆字节。
主存储器的读写速度比高速缓存慢，但比辅助存储器快。
它能够提供给CPU 进行读写操作。
4. 辅助存储器：辅助存储器（也叫外存）是计算机系统中最大的存储器，负责长期保存数据和程序。
它的容量比主存储器大，可以达到几百个千兆字节或者更大。
辅助存储器的读写速度比主存储器慢，但它具有永久存储的特点，即使计算机断电，数据也不会丢失。
以上是存储层次结构中的几个层次，不同层次的存储器在容量、读写速度、价格等方面都有所不同，通过合理地利用这些存储器，可以提高计算机系统的性能和效率。
二、存储器层次存储器层次是指存储器在层次结构中的位置和关系。
存储系统的层次结构
SP 000000 223EC0
（a）向下生成堆栈的 建立及初始化
（b） 入栈操作 （实栈顶）
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堆栈 段起 始地 址
POP AX 1A B1
POP BX 12 34 10200H 10202H 10204H 10206H 10208H ……
栈顶 (栈底)
1022CH 1A B1 1022EH 12 34 10230H 00 11
3. 堆栈存储 先进后出(FILO)/后进先出(LIFO)； 向下生成和向上生成； 实栈顶(堆栈指针SP)；
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堆栈的生成方式
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堆栈建立与操作示例
堆栈 段起 始地 址
栈底 及 初始 栈顶
地址 存储单元 10200H 10202H 10204H 10206H 10208H 1020AH 1020CH ……
器向 ）
D0
控制线
读写控制
一．该RAM芯片外部共有地址线 2n 根，数据线 1 根；
二．该类芯片内部一般采用双译码（复合译码、重合选择）方式，基本存储单
元排列成N*N 的正方矩阵，且有M =22n =N2 的关系成立；
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静态RAM芯片的引脚特性
6264
NC 1 A12 2 A7 3 A6 4 A5 5 A4 6 A3 7 A2 8 A1 9 A0 10 I/O0 11 I/O1 12 I/O2 13 GND 14
缓态
冲双 dN-1 器 向
）
D0 D1
DN-1
… …
…
…
… … …
读写控制逻辑
R/W CE
原题目：存储器的层次结构及其特点
原题目：存储器的层次结构及其特点存储器的层次结构及其特点引言存储器是计算机系统中非常重要的组成部分，它负责存储和提供指令和数据。
存储器的层次结构可以看作是一种组织结构，将存储器按照不同的访问速度、容量和成本划分为多个层次。
本文将介绍存储器的层次结构及其特点。
存储器层次结构存储器的层次结构一般可以分为以下几个层次：1. 寄存器：寄存器是位于CPU内部的存储单元，其容量有限。
寄存器的访问速度最快，但容量较小。
2. 高速缓存：高速缓存是位于CPU外部但靠近CPU的存储器，其容量较小。
高速缓存的访问速度比主存快，可以存储CPU频繁访问的数据和指令。
3. 主存：主存是存储器的主体部分，容量较大。
主存的访问速度较高，但仍比高速缓存慢。
4. 辅助存储器：辅助存储器是相对于主存而言的，容量较大且相对便宜。
辅助存储器的访问速度比主存慢。
存储器层次特点存储器的层次结构具有以下几个特点：1. 访问速度：存储器层次结构中，寄存器的访问速度最快，随着层次的递增，访问速度逐渐变慢。
这是因为较高层次的存储器需要较长的访问时间，但其容量较大。
2. 容量：存储器层次结构中，容量随着层次的递增而增加。
辅助存储器的容量最大，但速度最慢。
3. 成本：存储器层次结构中，成本随着层次的递增而减少。
寄存器的成本最高，但容量最小，辅助存储器的成本最低，但容量最大。
结论存储器的层次结构使得计算机系统能够根据访问需求和成本因素合理地组织存储器。
通过在不同层次上使用不同类型的存储器，系统可以在访问速度、容量和成本之间取得平衡。
因此，了解存储器的层次结构及其特点对于设计和优化计算机系统非常重要。
计算机中的存储器层次结构及其特点是什么
计算机中的存储器层次结构及其特点是什么计算机的存储器层次结构是指由多个不同速度和容量的存储器组成的层次化结构，其目的是在满足性能和成本的要求下，提供高效的数据存储和访问。
存储器层次结构包括高速缓存、主存储器和辅助存储器，每个层次的存储器都有其特定的特点和用途。
1. 高速缓存高速缓存是位于计算机中央处理器（CPU）内部的一种特殊存储器，用于存放最常用的数据和指令。
它具有以下特点：- 高速访问：由于其接近CPU，高速缓存能够以更快的速度提供数据，从而减少CPU的等待时间，提高系统性能。
- 小容量：高速缓存的容量相对较小，一般只能存储少量的数据和指令。
- 自动管理：高速缓存采用自动管理机制，通过缓存替换算法和预取策略来提高数据访问效率。
2. 主存储器主存储器属于计算机系统的核心组成部分，用于暂时存储正在执行的程序和数据。
主存储器具有以下特点：- 大容量：相比于高速缓存，主存储器的容量较大，可以存储更多的数据和指令。
- 较低的访问速度：相对于高速缓存，主存储器的访问速度慢一些，但仍然比辅助存储器快得多。
- 动态随机存取：主存储器采用动态随机存取存储器（DRAM）作为存储单元，具有读写功能。
3. 辅助存储器辅助存储器用于长期存储和备份数据和程序，其特点如下：- 大容量：辅助存储器具有非常大的容量，可以存储大量的数据和程序。
- 相对较慢的访问速度：辅助存储器的访问速度相对较慢，但它能够长期保存数据，并且可以进行离线操作。
- 持久性存储：与高速缓存和主存储器不同，辅助存储器是非易失性存储器，即断电后数据仍然会被保留。
通过这三个层次的存储器结构，计算机系统能够根据数据的访问频率和容量需求进行智能管理和分配，从而提高系统性能和运行效率。
高速缓存作为最接近CPU的快速存储器，能够快速提供数据，减少CPU的等待时间。
主存储器作为快速存取存储器，存储正在执行的程序和数据。
而辅助存储器则用于长期保存数据和进行离线操作。
总结起来，计算机中的存储器层次结构通过高速缓存、主存储器和辅助存储器的组合，实现了性能和成本的平衡。
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。
计算机系统层次存储结构
计算机系统层次存储结构当前计算机系统⼀般会采⽤层次结构存储数据，请介绍下典型计算机存储系统⼀般分为哪⼏个层次，为什么采⽤分层存储数据能有效提⾼程序的执⾏效率？答：所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量，存取速度和价格的存储器按照层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机的组合成为⼀个整体，使所存放的程序和数据按照层次分布在各种存储器中。
⽬前，在计算机系统中通常采⽤三级层次结构来构成存储系统，主要是由⾼速缓冲存储器cache，主存储器，和辅助存储器组成。
存储系统多级层次结构中，由上向下分为三级，其容量逐渐增⼤，速度逐渐降低，成本则逐次减少。
整个结构⼜可以看成两个层次：他们分别是主存---辅存层次和Cache---主存层次。
这个层次系统中的每⼀种存储器都不再是孤⽴的存储器，⽽是⼀个有机的整体。
他们在辅助硬件和计算机操作系统的管理下，可以把主存--辅存层次作为⼀个存储整体，形成的可寻存储空间⽐主存储器空间⼤得多。
由于辅存的容量⼤，价格低，是的存储系统的整体平均价格低。
由于Cache的存取速度可以喝cpu的⼯作速度相媲美，所以cache--主存层次可以缩⼩主存和cpu 之间的速度差距，从整体上提⾼存储器系统的存取速度。
尽管cache成本⾼，但是由于容量⼩，故不会使存储系统的整体价格增加。
综上所述，⼀个较⼤的存储系统是由各种不同类型的存储设备构成的，是⼀个具有多级层次结构的存储系统。
该系统既有与cpu相近的速度，⼜有极⼤的容量，⽽且成本较低。
其中⾼速缓存解决了存储系统的速度问题，辅助存储器则解决了系统的容量问题。
采⽤多级层次结构的存储器可以有效的解决存储器的速度，容量，价格之间的⽭盾。
计算机体系结构存储器层次结构与缓存的工作原理
计算机体系结构存储器层次结构与缓存的工作原理计算机体系结构中的存储器层次结构与缓存是计算机系统中非常重要的组成部分。
存储器层次结构是指在计算机系统中，按照性能和容量进行划分的一系列存储器组件。
缓存则是存储器层次结构中的一个关键组件，用于提高计算机的运行速度和效率。
本文将详细介绍计算机体系结构存储器层次结构与缓存的工作原理。
一、存储器层次结构存储器层次结构是指计算机系统中按照存储器的访问速度和容量大小进行分层管理的一种结构。
在存储器层次结构中，存储器的速度逐级递减，容量逐级递增，从高到低依次为寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。
1.寄存器：寄存器是计算机系统中最快的存储器，位于CPU内部，用于存储指令和数据。
寄存器的容量较小，但访问速度非常快，可以直接与CPU进行交互。
2.高速缓存：高速缓存是位于CPU与主存储器之间的存储器，在缓存中存储了最近被访问的指令和数据。
缓存的容量比主存储器小，但访问速度比主存储器快得多。
高速缓存的作用是减少CPU与主存储器之间的访问时间，提高系统的响应速度。
3.主存储器：主存储器是计算机系统中的主要存储器，用于存储程序和数据。
主存储器的容量较大，但相对于寄存器和高速缓存而言，访问速度较慢。
4.辅助存储器：辅助存储器是计算机系统中的外部存储器，用于长期存储程序和数据。
辅助存储器容量大，但访问速度相对较慢。
二、缓存的工作原理缓存是存储器层次结构中的一个重要组成部分，它的作用是减少CPU访问主存储器的时间，提高系统的运行速度和效率。
缓存利用了程序的局部性原理，通过存储最近被访问的指令和数据，以便下次CPU访问时能够更快地获取。
缓存工作原理可以分为以下几个步骤：1.确定缓存行：缓存中的数据以缓存行为单位进行存储和管理。
在访问主存储器之前，缓存首先需要确定要访问的缓存行。
2.检查缓存：在确定了要访问的缓存行后，缓存会先检查该缓存行中是否已存储所需的数据。
如果已经存在，则称为缓存命中；如果不存在，则称为缓存未命中。
计算机存储器的层次结构
计算机存储器的层次结构计算机存储器的层次结构是一种按照速度、容量和成本等因素进行优化的层次化设计，用于满足计算机对数据存储和读写的要求。
一般情况下，计算机存储器系统包括几个主要层次：寄存器、缓存、主存和辅助存储器。
下文将详细介绍每个层次的特点和作用。
1. 寄存器（Register）：寄存器是计算机中速度最快的存储器，位于CPU内部，通常由硬件实现。
寄存器既可以存储指令，也可以存储数据。
它的特点是容量小且成本高，但读写速度非常快。
寄存器的主要作用是存储CPU当前的工作数据，如指令地址、运算结果等。
2. 缓存（Cache）：缓存是位于CPU和主存之间的高速存储器，用于解决CPU和主存之间的速度不匹配问题。
由于主存的读写速度无法满足CPU的高速计算需求，缓存可以暂时存储主存中的部分数据，以提高CPU的访问速度。
缓存分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache），一级缓存一般嵌入在CPU内部，容量较小但速度很快，而二级缓存位于CPU和主存之间，容量较大但速度稍慢。
3. 主存（Main Memory）：主存也称为内存，是计算机中用于存储数据和指令的主要存储器。
主存分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。
随机存储器是一种易失性存储器，具有读写功能，其内容在断电后会丢失。
而只读存储器是一种不可擦写、只读的存储器，用于存储固定不变的数据和程序。
主存的特点是容量大但速度较慢，价格适中。
4. 辅助存储器（Auxiliary Storage）：辅助存储器通常是指硬盘、光盘等外部的大容量存储介质。
与主存相比，辅助存储器的容量更大，价格更便宜，但读写速度更慢。
辅助存储器一般被用于长期存储大量的数据和程序，以及作为主存的扩展。
存储器的层次结构的设计原理是通过将数据和指令分级存储在各个层次，根据访问频率和速度要求将数据从慢速的层次复制到快速的层次中，以提高计算机的运行效率。
具体而言，数据和指令首先从辅助存储器加载到主存中，当CPU需要访问数据时，首先在缓存中查找，如果找不到则从主存中读取，如果还是找不到则从辅助存储器中读取。
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存储系统概述-1
●现代计算机系统中存储系统占据重要地位。
●在某些情况下，由于科学、工程和数学问题的复杂性，故提出了对中央处理机能力的更高要求；而由于在数据处理和以数据为主的应用中出现了庞大的数据存储量，则提出了对大容量存储器的迫切需要。
存储系统概述-2
●中央处理机和主存储器之间在速度上的差距不断增大，在技术上难以解决这种差距。
●必须从存储系统结构上来克服这种速度上的很大差距。
如采用了存储器按模交叉存取，以及诸如高速缓冲存储器、虚拟存储器、并行存储器和存储器分级结构等许多较新的结构概念，使主存储器演变发展成存储系统。
存储器容量、速度与价格的关系-1
●存储器容量S M=W·l·m
●W为存储器字长，用位数（bit）或字节
数（Byte）表示；l为存储器字数；m为
并行工作的存储器个数。
●
存储器的速度可用访问时间T A 、存储周期T M 、或频宽B m 表示。
●T A 是CPU 启动一个访存操作后必须等待的时间。
●T M 是存储器进行一次存/取时间。
●B m 是存储器被连续访问时，单位时间内传送的数据量。
B m =W/T M
●若有m 个存储器并行工作，则总的存储器频宽为B m =w·m/T M
●
存储器的每位价格c=C/S M 。
●每位价格c 不仅包含了存储单元本身价格，也包含了存储器外围电路的价格。
●存储器总价格C 正比于S M ／T M (或S M ／T A )。
即正比于W·1·m ／T M （或W·1·m ／T A ）。
设计原则
设计存储系统主要目标是：在尽可能低的价格下，提供尽可能高的速度及尽可能大的存储容量。
Memory Hierarchy（存储层次） The principle of locality （局部性原理）
says that most programs do not access all
code or data uniformly. It plus the guideline that smaller hardware is faster, led to
hierarchies based on memories of different
speeds and sizes.
A typical memory hierarchy
“存储金字塔”
层0：CPU内寄存器组：由编译器完成分配，传送速度按处理机速度
层1：高速缓存（cache）：可几个层次，MMU控制
层2：主存储器：基本存储器，MMU与操作系统管理，存取策略
层3：外存储器（硬盘）：联机存储器（I/O处理）
层4：后援存储器（光盘、磁带机）：海量，联机存储器（I/O处理）层次关系：M1M2
包含性(inclusion)
形式表示：M1 ⊂M2 ⊂M3 ⊂... ⊂Mn
所有信息最初存放在最外层Mn，处理过程中Mn的子集复制到Mn-1，Mn-1复制到Mn-2，。
定性：在Mi的信息字，可在Mi+1，。
Mn找到同一信息字，但在Mi-1中不一定能找到。
一致性(coherence)
同一信息项与后继存储器层次上的副本应保持一致
实现的二种策略：
（1）写直达（WT-write-through)
在Mi中修改了一个字，则在Mi+1中需立即修改。
（2）写回(WB-write-back)
Mi+1的修改工作要等到该字在Mi中被替换或从Mi 消失时进行。
局部性(locality)
90-10规则：典型程序在其10%的代码上耗费执行时间的90%（例如：嵌套循环）。
说明CPU对存储器的访问，在时间、空间、次序往往都集中在一定范围内进行。
三个特性：
（1）时间局部性：最近的访问项（指令/数据）很可能在不久的将来再次被访问（往往会引起对最近使用区域的集中访问）
（2）空间局部性：一个进程访问的各项其地址彼此很近（往往会访问在存储器空间的同一领域）
（3）顺序局部性：按序执行和不按序执行的比例在普通程序中是5：1。