存储器的层次结构(精)
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。
片上计算机系统05-存储器
只读存储器（Read Only Memory）
– 非易失性 – 掩膜型只读存储器（ROM）、可编程只读存 储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器 （EPROM）、电可擦除可编程只读存储器 （EEPROM）、闪速存储器（Flash Memory） 紫外线接收窗
一、存储器分类
1、按存储介质分类
– 半导体存储器：TTL、MOS – 磁表面存储器：磁盘、磁带、磁鼓 – 磁芯存储器：硬磁材料的环状元件 – 光盘存储器：激光、磁光
易失
体积小、功耗低、存取时间短、易失性。
非 易 失
2、按数据保存方式分类
随机存储器（Random Access Memory）
– 易失性 – 静态随机存储器、动态随机存储器
地址空间
逻辑地址 物理地址 虚地址（逻辑地址）：程序员编程时采用 0 1 2 3 4 5 6 7
的地址（相对地址），地址空间大于实际 MOV AX, #4 20 MOV AX, #4 主存。 MOV BX, #2 21 MOV BX, #2 MOV CX, #6 实地址（物理地址）：主存的实际地址 22 MOV CX, #6 JMP 6 23 JMP 26 AND AX, #23 虚 硬件：MMU 实 24 AND AX, #23 AND BX, #22 地 地 软件： OS 25 AND BX, #22 MOV DX,址 #3 址MOV DX, #3 26 SUB DX, AX 27 SUB DX, AX
3、按数据存取方式分类
直接访问：
– 访问时间不随访问位置而变化。 – 内存
串行访问：
– 访问时间随访问位置而变化。 – 磁带（顺序访问）
【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。
层次化存储器基本结构
层次化存储器基本结构层次化存储器是计算机系统中重要的存储器层次结构之一，它由多层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。
在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调，以提高系统的存储器性能和效率。
一、层次化存储器的概念层次化存储器是指计算机系统中采用多层次存储器结构的存储器系统。
它由多个层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。
一般来说，层次化存储器由高速缓存、主存储器和辅助存储器三个层次组成。
其中，高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，速度最快，容量最小；主存储器是位于CPU外部的二级缓存，速度较快，容量较大；辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，速度较慢，容量最大。
二、层次化存储器的特点1. 高速缓存：高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，具有很快的访问速度和较小的容量。
它能够缓存CPU频繁访问的数据和指令，以提高系统的执行效率。
2. 主存储器：主存储器是位于CPU外部的二级缓存，具有较快的访问速度和较大的容量。
它是CPU和辅助存储器之间的桥梁，负责数据的传输和临时存储。
3. 辅助存储器：辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，具有较慢的访问速度和最大的容量。
它主要用于长期存储和备份数据，以及作为主存储器的扩展。
三、层次化存储器的工作原理在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调工作。
当CPU需要访问数据或指令时，首先会在高速缓存中查找，如果找到了，则直接进行访问；如果没有找到，则会在主存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到高速缓存中，并进行访问；如果还没有找到，则会在辅助存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到主存储器中，并再次进行查找和访问。
四、层次化存储器的优势层次化存储器的设计思想是利用不同层次的存储器的特点和优势，以提高系统的存储器性能和效率。
具体优势如下：1. 提高存储器访问速度：高速缓存和主存储器具有较快的访问速度，可以满足CPU对数据和指令的快速访问需求，提高系统的执行效率。
请简要介绍存储器层次结构及其作用。
请简要介绍存储器层次结构及其作用。
存储器层次结构是计算机体系结构中的一个重要概念，用来描述计算机中不同层次的存储器组织和作用。
它是按照存储器访问速度和容量进行划分，并通过不同层次之间的数据传输来实现高效的数据访问。
存储器层次结构包括多层次的存储器，从高速小容量的寄存器到低速大容量的辅助存储器。
存储器层次结构的作用主要有以下几个方面：1. 提高数据访问速度：存储器层次结构的最底层是寄存器，它位于CPU内部，速度最快。
寄存器被用来存储CPU需要立即访问的数据和指令。
而较高层次的存储器，如高速缓存和主存储器，虽然速度较寄存器慢，但容量更大，可以存储更多的数据和指令。
通过将频繁使用的数据和指令存储在高速缓存中，可以缩短CPU从主存储器中读取数据的时间，从而提高数据访问速度。
2. 增加存储容量：存储器层次结构的最高层是辅助存储器，如硬盘或固态硬盘。
辅助存储器的容量远大于其他层次的存储器，它可以存储大量的数据和程序。
虽然辅助存储器的速度较慢，但它提供了长期存储数据的能力，可以保存在断电后不会丢失的数据。
通过将不常用的数据和程序存储在辅助存储器中，可以释放高速缓存和主存储器的空间，提高系统的整体存储容量。
3. 优化存储器资源的利用：存储器层次结构可以根据不同的访问模式和数据访问特点来优化存储器资源的利用。
高速缓存作为CPU和主存储器之间的缓冲区，可以根据程序的局部性原理，预先将可能会被使用的数据和指令存储在高速缓存中，以提高命中率。
同时，高速缓存还可以利用替换算法来选取最不常用的数据进行替换，以保证高速缓存中存储的是最有用的数据。
4. 提高系统性能：存储器层次结构的设计可以提高系统的整体性能。
通过将数据和指令存储在更接近CPU的存储层次中，可以减少数据传输的延迟，加快数据访问速度。
同时，存储器层次结构还可以根据程序的特性和访问模式进行优化，提高命中率和数据的局部性，减少不必要的数据传输，提高系统的整体性能。
存储器层次结构在计算机体系结构中起着重要的作用。
存储器层次结构课件
优化成本：通过降低存储器的成 本来提高系统的性价比。例如， 使用更便宜的存储元件、优化设
计和批量生产等。
04 存储器层次结构性能评估 与优化方法
存储器层次结构性能评估指标
01
02
03
04
读取命中率
评估层次结构在读取操作中的 性能，衡量从存储器中获取所
需数据的速度和效率。
带宽
评估层次结构在数据传输方面 的性能，包括每秒传输的字节 数和每秒进行的操作次数。
存储器层次结构特点：存储器层次结构具有以下特点：1）访问速度逐层递减， 价格逐层递增；2）离CPU越近的存储器访问速度越快，价格也越高；3）离CPU 越远的存储器访问速度越慢，价格也越低。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构应用场景- 嵌入式系统
服务器和数据中心：在服务器和数据中心中，由于需要处理大量的数据 和要求，通常采用较大的存储器层次结构，如主存储器、辅助存储器和
磁盘优化
采用更高效的磁盘技术 ，如SSD、HDD等，提 高磁盘I/O性能和存储容
量。
系统优化
通过优化操作系统、文 件系统和网络协议等，
提高整体系统性能。
存储器层次结构性能提升策略
负载均衡
通过公道分配负载，避免系统 过载或空载，提高整体性能。
缓存预热
在程序运行前，将热点数据提 前加载到缓存中，提高读取命 中率。
散布式文件系统等。
个人计算机：在个人计算机中，由于需要处理多种任务和应用程序，通 常采用适中的存储器层次结构，如高速缓存、主存储器和硬盘驱动器等 。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构优化策略- 优化 访问速度
优化容量：通过增加存储容量来 满足不断增长的数据需求。例如 ，使用更大容量的硬盘驱动器、 内存模块和散布式文件系统等。
存储器层次结构
存储器层次结构存储器层次结构存储技术计算机技术的成功很⼤程度来源于存储技术的巨⼤进步。
早期的电脑甚⾄没有磁盘。
现在电脑上的磁盘都已经按T算了。
随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分两类：静态的：SRAM，⾼速缓存存储器，既可以在CPU，也可以在⽚下。
动态的：DRAM，⽤于主存或者图形系统帧缓冲区。
通常情况下，SRAM的容量都不会太⼤，⽽相⽐之下DRAM容量可以⼤得离谱。
静态RAMSRAM将每个位存储在⼀个双稳态存储器单元⾥，每个单元⽤⼀个六晶体管电路实现。
这种电路有⼀个属性，它可以⽆限期地保持两个不同的状态的其中⼀个，其他状态都是不稳定的。
如上图，它能稳定在左态和右态，如果处于不稳定状态，它就像钟摆⼀样⽴刻变成两种稳态的其中⼀种。
也因为它的双稳态特性，即使有⼲扰，等到⼲扰消除，电路就能恢复成稳定值。
动态RAMDRAM的每个存储是⼀个电容和访问晶体管组成，每次存储相当于对电容充电。
该电容很⼩，⼤约只有30毫微微法拉。
因为每个存储单元⽐较简单，DRAM可以造的⾮常密集。
但它对⼲扰⾮常敏感，被⼲扰后不会恢复。
因此它必须周期性地读出重写来刷新内存的每⼀位。
或者使⽤纠错码来纠正任何单个错误。
两者总结传统的DRAMDRAM芯⽚内的每⼀个单元被叫做超单元。
在芯⽚内，总共有d 个超单元，它们被排列成⼀个r×c ⼤⼩的矩阵，也就是说d=r×c，每个超单元都可以⽤类似(i,j) 之类的地址定位⽽每个超单元则是由w 个DRAM单元组成。
因此⼀个DRAM芯⽚可以存储dw 位的信息。
上图是⼀个16×8 的DRAM芯⽚的组织。
⾸先由两个addr引脚依次传⼊⾏地址i 和列地址j 。
每个引脚携带⼀个信号。
由于这是4×4 的矩阵，因此两个就够了。
然后定位到(i,j) ，将该地址的超单元信息传出去。
第6章 存储器层次结构
n局部性原理★n存储器层次结构☆n高速缓存存储器☆n到目前为止的计算机模型中，我们假设计算机的存储器系统是一个线性的字节数组，而CPU能够在一个常数时间内访问每个存储器位置。
但它没有反映现代系统实际的工作方式。
n实际上，存储器系统是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。
n如果你的程序需要的数据是存储在CPU寄存器中，那在指令的执行期间，在零个周期内就能访问到它们；如果存储在高速缓存中，需要1~30个周期；如存储在主存中，需要50~200个周期；如存储在磁盘上，需要大约几千万个周期n作为一个程序员，需要理解存储器层次结构，它对应用程序的性能有着巨大的影响，这是因为计算机程序的一个称为局部性的基本属性引起的。
•不同矩阵乘法核心程序执行相同数量的算术操作，但有不同程度局部性，它们运行时间可以相差20倍•本章将介绍基本的存储技术、局部性、高速缓冲存储器等内容。
n局部性原理★n存储器层次结构☆n高速缓存存储器☆•RAM(随机访问存储器，Random-Access Memory )–静态RAM (SRAM)•每个cell使用6个晶体管电路存储一个位•只要有电，就会无限期地保存它的值•相对来说，对电子噪声等干扰不敏感•比DRAM更快、更贵–动态RAM (DRAM)•每个cell使用1个电容和1个访问晶体管电路存储一个位•每隔10-100 ms必须刷新值•对干扰敏感•比SRAM慢，便宜ü拍、太、吉、兆、千、毫、微、纳(毫微)、皮(微微)、飞(毫微微)•传统DRAM芯片–所有cell被组织为d个supercell，每个supercell包含了w个cell，一个d×w的DRAM总共存储了dw位信息。
supercell被组织成r行c 列的矩阵，即rc=d。
•步骤1(a): Row access strobe (RAS)选择row 2•步骤1(b): 从DRAM阵列中拷贝Row 2到行缓冲区•步骤2(a): Column access strobe (CAS)选择column 1。
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CPU Cache
512KB~8MB 400GB/S
RAM
1~8GB 12GB/S
500GB 200MB/S
DISK
重定位及其方式
1 逻辑地址(空间相对地址)
– 符号名字空间 int a,b; a=10; – 逻辑地址空间(编译后目标程序的地址范围)
2 存储空间(绝对地址)
– 存储空间:所有物理存储单元的集合/物理地址的集合
存储分配方式
静态分配
– 采用静态重定位方式 – 装入时确定其在内存中的位置 – 运行中不能再申请内存 – 运行中不能在内存中移动
动态分配
– 采用动态重定位方式 – 装入时确定其在内存中的位置 – 运行中可申请内存 – 可在内存中移动
存储管理中的分配技术
一
连续分区管理
二
页式管理
段式管理 段页式管理
加载时定位
… Load R1,1106 Add R1,1108 Store R1,1110 234 128 …
0000 . 1000 . . 1100 1102 1104 1106 1108 . . . .
OS
… Load R1,1106 Add R1,1108 Store R1,1110 234 128 …
OS
… 1106 Load R1,106 Add R1,108 1108 1110 Store R1,110 234 128 …
举例:教学计划及其实施
重定位分类:静态重定位
物理内存 程序A的代码
000 … 100 102 104 106 108 … … Load R1,106 Add R1,108 Store R1,110 234 128 …
J5 需20KB J2 需30KB
状态 大 位 小 置 14K 20K 已分 空表 目 60K 64K 已分 60K 124 已分 20K 34K 已分
已分分区表UBT
状态 大 位 小 置 10K 54K 空闲 空表 目 72K 184 空闲 空表 目
空闲分区表FBT
10KB
J3 需60KB
J4 需60KB
J1 需14KB J5 需20KB J2 需30KB
区大小 14KB
30KB 外零头(碎片) 60KB
10KB
J3 需60KB
J4 需60KB
已分配区 空闲区 256KB
132KB
72KB
存储管理:连续分配
3.多道可变分区管理(数据结构)
方案一:设置两张存储管理表
0000 20KB OS
J1 需14KB
0000
OS
8KB
作业J1 需14KB
20KB 28KB
44KB
16KB
32KB
76KB
作业J2 需60KB
64KB
140KB
J1
116KB
J2 256KB 物理内存
存储管理:连续分配
3.多道可变分区管理(概念)
内存地址 0000 OS
20KB
J1 14KB J2 30KB J3 60KB J4 60KB J5 20KB
存储管理:连续分配
1.单道连续区管理
0000 20KB 用户程序 需80KB存储空间 100KB
OS
空闲区
256KB 一次只能装入一个作业
存储管理:连续分配
2.多道固定分区管理
0000 OS 0000 OS
8KB
作业1 需14KB
20KB
40KB
20KB 28KB
44KB
16KB
60KB
80KB 100KB 76KB
中移动 – 有利于程序段的共享
缺点
– 需要硬件的支持 – 实现存储管理的软件算法比较复杂
存储器管理的功能
内存的分配和回收
– 记录内存使用情况
– 存储的按需分配
– 存储的回收
内存容量的“扩充” 地址转换
– 常采用动态重定位,需要硬件支持
பைடு நூலகம்存储保护
– 为了保护区域内信息不被破坏，必须实现存 储保护。存储保护的工作必须由硬件和软件 配合来实现。
1000 程序A的代码
000 … 100 102 104 106 108 … … Load R1,106 Add R1,108 Store R1,110 234 128 …
OS
… Load R1,106 Add R1,108 Store R1,110 234 128 …
+
动态重定位特点
优点
– 不要求分配连续的存储空间,可按页或段分配 – 用户作业可动态申请附加的存储空间,并可在内存
源 程 序 名空间
目标 代码 逻辑地址空间
os 目标 代码
存储空间
重定位的概念
物理内存
程序A的代码
000 … 100 102 104 106 108 … … Load R1,106 Add R1,108 Store R1,110 234 128 …
逻辑地址
0000 . 1000 … 1100 1102 1104 1106 1108 . . . .
32KB
作业2 需60KB
64KB
140KB
120KB ... .... 256KB 分区大小相等 256KB 分区大小不等
116KB
存储管理:连续分配
2.多道固定分区管理(续)
•需建立固定分区说明 表 •内零头(碎片)问题 作业J1 14KB 作业J2 60KB
分区号 1 2 3 4 5 起始地址 20KB 28KB 44KB 76KB 140KB 长度 8KB 16KB 32KB 64KB 116KB 状态 0 0 1 0 0 1 0 作业名
静态重定位特点
优点
– 无需硬件支持,OS装载时由软件实现
缺点
– 需要分配一个连续的存储空间 – 用户需要事先确定所程序所需的存储量 – 装载后不能在内存中移动
重定位分类:动态重定位
重定位寄存器 (位于CPU中)
物理内存
0000 . 1000 . . 1100 1102 1104 1106 1108 . . . .
三
四
存储管理: 连续分配
一道作业的全部内容(程序和数据)装入到内存的 一个连续存储区中,作业在执行过程中不会发生 内存与外存交换的现象,作业的容量要受到物理 内存容量的限制。 属于实存管理技术 四种方案
– 单道连续区管理 – 多道固定分区管理 – 多道可变分区管理 – 多道可重定位分区管理
256KB
72KB
空表
空表
存储管理:连续分配
3.多道可变分区管理(数据结构)
方案二:空闲存储区链
1 N+2 N个字(已分区) N+2 向前指针 N个字(空闲分区) 0 N+2 向后指针 0 N+2
1
Free指针
0 L+ 2 0 L+ 2
0 M+2 0 M+2