大容量存储器结构
存储器系统
存储器系统：概述：计算机中的存储系统是用来保存数据和程序的。
对存储器最基本的要求就是存储容量要大、存取速度快、成本价格低.为了满足这一要求,提出了多级存储体系结构。
一般可分为高速缓冲存储器、主存、外存3个层次,有时候还包括CPU内部的寄存器以及控制存储器.◆衡量存储器的主要因素：存储器访问速度、存储容量和存储器的价格;◆存储器的介质：半导体、磁介质和光存储器.◆存储器的组成：存储芯片+控制电路(存储体+地址寄存器+数据缓冲器+时序控制）;◆存储体系结构从上层到下层离CPU越来越远、存储量越来越大、每位的价格越来越便宜，而且访问的速度越来越慢存储器系统分布在计算机各个不同部件的多种存储设备组成，位于CPU内部的寄存器以及用于CU的控制寄存器。
内部存储器是可以被处理器直接存取的存储器,又称为主存储器，外部存储器需要通过I/O模块与处理器交换数据,又称为辅助存储器，弥补CPU处理器速度之间的差异还设置了CACHE，容量小但速度极快,位于CPU和主存之间，用于存放CPU 正在执行的程序段和所需数据。
整个计算机的存储器体系结构：通用寄存器堆—指令和数据缓冲栈—Cache（静态随机存储器RAM）—主存储器(动态随机存储器DRAM）—联机外部存储器（磁盘存储器)—脱机外部存储器(磁带、光盘存储器) 通常衡量主存容量大小的单位是字节或者字,而外存的容量则用字节来表示。
字是存储器组织的基本单元,一个字可以是一个字节，也可以是多个字节。
信息存取方式：信息的存取方式影响到存储信息的组织，常用的有4种，◆顺序存取存储器的数据是以记录的形式进行组织，对数据的访问必须按特定的线性顺序进行.磁带存储器的存取方式就是顺序存取。
◆直接存取共享读写装置，但是每个记录都有一个唯一的地址标识，共享的读写装置可以直接移动到目的数据块所在位置进行访问。
因此存取时间也是可变的。
磁盘存储器采用的这种方式。
◆随机存取存储器的每一个可寻址单元都具有唯一地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，而与先前的访问序列无关。
大容量存储器结构
2
转换是复杂的，因为
如果存在扇区，空闲扇区必须替代
每个磁盘成千个柱面
每个磁道的扇区数不是常数 – 最外磁道的扇区数可能比最内磁道的多40%的
磁盘技术改善
每个磁道多余100个扇区 (磁盘的外部区域)
磁盘结构
磁盘调度
01
OS必须确保对磁盘的快速访问
访问磁盘数据涉及两个延迟
磁盘带宽
旋转延迟– 扇区旋转到磁头下的时间
06
RAM
单击此处添加正文
概念
CONTENT
Cache
内存
磁盘
可移动 媒体
网络存储
速度
快慢
01
单击添加标题
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02
单击添加标题
单击此处添加正文
存储层次
CPU 寄存器
磁盘结构
逻辑块映射到磁盘 扇区
03
转换机制（块号 到 柱面/磁道/扇区） (block # to cylinder/track/sector)
02.
假设队列中只有一个突出的请求，那么所有的算法都与 FCFS 一样
性能分析
连续分配导致较少的磁头运动
03
比如索引分配使磁盘上的数据离散分布，这导致更多的磁头运动
02
文件分配方式可能影响性能
01
性能分析
目录和索引块的位置也可能影响性能
比如, 目录项 在第一个柱面，数据在最后一个柱面
或者 索引块 在第一个柱面，而文件的数据块在最后一个柱面
SCAN调度算法
算法特点
1
基本克服了SSTF策略的服务于中间磁道和响应时间变化比较大的缺点
2
具有SSTF策略的优点，即吞吐量比较大，平均响应时间比较小
电容型铁电存储器结构
电容型铁电存储器结构电容型铁电存储器是一种利用铁电材料的特性来存储信息的存储器。
它具有非易失性、快速读写速度和高密度存储等优势，因此在电子设备中得到了广泛应用。
电容型铁电存储器的结构由铁电薄膜和电极组成。
铁电薄膜是存储信息的关键部分，它通常由铁酸钛等铁电材料制成。
铁电材料具有一种特殊的性质，即在外电场的作用下可以产生电偶极矩，而且这种电偶极矩是可逆的。
利用这种性质，可以通过改变外电场的方向来改变铁电薄膜的极化方向，从而存储不同的信息。
电极是用来给铁电薄膜施加外电场的部分，通常由金属材料制成。
电极与铁电薄膜之间有一个绝缘层，用来隔离电极和铁电薄膜之间的电流。
绝缘层的选择很重要，它要具备良好的绝缘性能，以防止电流泄漏，并且要具备良好的介电性能，以保证电极施加的外电场可以有效地作用于铁电薄膜。
电容型铁电存储器的读写操作是通过施加外电场来实现的。
在写操作中，外电场的方向改变，使铁电薄膜的极化方向发生变化，从而存储不同的信息。
在读操作中，通过检测电容的电压变化来判断存储的信息。
由于铁电材料的电偶极矩是可逆的，所以电容型铁电存储器可以进行多次读写操作，而不会引起信息的丢失。
电容型铁电存储器具有许多优点。
首先，它具有非易失性，即在断电情况下仍能保持存储的信息，这使得它在断电后能够快速恢复工作。
其次，电容型铁电存储器的读写速度非常快，可以达到纳秒级甚至更短的时间，这使得它在高速数据处理中得到了广泛应用。
此外，电容型铁电存储器的密度很高，可以实现大容量的存储，这对于现代电子设备来说非常重要。
然而，电容型铁电存储器也存在一些缺点。
首先，由于铁电薄膜的极化方向可以改变，所以在读写操作中需要施加外电场，这就需要额外的能量消耗。
其次，铁电材料在长时间的使用中可能会发生极化疲劳现象，导致存储的信息丢失。
此外，铁电材料的制备工艺相对复杂，成本较高。
总的来说，电容型铁电存储器是一种具有非易失性、快速读写速度和高密度存储等优势的存储器。
【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。
DRAM基本单元是什么
DRAM基本单元是什么本文要点提示：1. DRAM 的工作原理图文解说，包括读写以及存储；2. 揭秘DRAM便宜但SRAM贵之谜。
学DRAM这块内容比较久了，尤其之前跟着一个精通内存的同事（后来跳到了三星）学到了一些。
也做了很多笔记，试着用自己认为通俗系统的图片和文字来解说，DRAM一个基本单元的工作原理。
DRAM(Dynamic Random Access Memory)，即动态随机存储器，最常见的应用场景是电脑和手机的内存，是目前的电路系统中不可或缺的重要组成部分，本文会细致且较为形象的说明DRAM存储数据以及读取数据的全过程。
1. 单管构成的DRAM最小单元单管DRAM是目前大容量存储器唯一的选择方案。
电路构成上包括一个读写开关管和一个存储电容器，如下图所示。
利用存储电容器存储数据，如果存储电容器上存有电荷，则表示存储单元存储1，否则存储O。
首先，要知道两个前提：其一，施加到存储电容上的电压为1/2的电源电压（Vcc/2）；其二，由于电子是带负电荷，因此，电子越多处电势就越低。
为了便于理清概念，我们把水库顶部电势定为0V，水库底部的电势定为Vcc。
存储单元的三个基本操作三个基本操作分别是存储资料，写入资料以及读取资料三种。
同样，便于理解，将这三种过程用水库存储放掉水来类比，稍微形象一些。
存储资料资料存储的示意图如下所示，也就是当水库闸门关闭时（行地址线路Vth=0V），水库中的水无法流出，上游的水也无法流入，存储在水库中的水位保持不变，因此可以实现存储资料的目的。
水位的高低就用高低电平来表示。
写入资料资料的写入可以分为写入“0”的情形和写入“1”的情形两种。
以写入0的情形来说明。
具体顺序是：首先，由于之前可能有资料，水库中可能是满水或者缺水空水的的状态。
然后，将上游水道（列地址选路）中水位上升到满水，相当于低电位状态（列地址线路Vcc=0V）。
最后，利用行地址线路控制（Vth=高电平）将上游水闸门打开，由于上游水道（列地址线路Vcc=0V）水位全满为高水位状态，因此根据水库中水位状态，会将水池填满，使得水库变为高水位（低电平状态0）。
NOR ,SRAM,SDRAM,NAND结构和容量计算
NOR flash，NAND flash，SDRAM结构和容量分析1.NOR flash结构和容量分析例如：HY29LV160 。
引脚分别如图：HY29LV160 有20根地址线，16位的数据线。
所以：容量=220(地址线)X16(数据位数)bit=1MX16bit=1MX2B=2MB2.SRAM简单介绍SRAM是英文Static RAM的缩写，它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。
SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。
而DRAM（Dynamic Random Access Memory)每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，因此SRAM具有较高的性能，但是SRAM也有它的缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积，且功耗较大。
所以在主板上SRAM存储器要占用一部分面积。
SRAM一种是置于CPU与主存间的高速缓存，它有两种规格：一种是固定在主板上的高速缓存（Cache Memory ）；另一种是插在卡槽上的COAST（Cache On A Stick）扩充用的高速缓存，另外在CMOS芯片1468l8的电路里，它的内部也有较小容量的128字节SRAM，存储我们所设置的配置数据。
还有为了加速CPU内部数据的传送，自80486CPU起，在CPU的内部也设计有高速缓存，故在Pentium CPU就有所谓的L1 Cache（一级高速缓存）和L2Cache（二级高速缓存）的名词，一般L1 Cache是内建在CPU的内部，L2 Cache是设计在CPU的外部，但是Pentium Pro把L1和L2 Cache同时设计在CPU的内部，故Pentium Pro的体积较大。
最新的Pentium II 又把L2 Cache移至CPU内核之外的黑盒子里。
SRAM显然速度快，不需要刷新的操作，但是也有另外的缺点，就是价格高，体积大，所以在主板上还不能作为用量较大的主存。
DRAM存储器概述和应用
DRAM存储器概述和应用随着计算机和电子设备的发展，存储器在信息处理中起着至关重要的作用。
而动态随机存取存储器(DRAM)作为一种常见的存储器类型，具有较高的容量和较低的成本，广泛应用于各个领域。
本文将对DRAM存储器的基本原理、特点以及应用进行介绍，以便更好地了解DRAM存储器在现代科技中的地位和作用。
一、DRAM存储器的基本原理DRAM存储器是一种按位存取的半导体存储器，其基本原理是利用电容器来存储和读取数据。
每个存储单元由一个电容器和一个访问线组成，而访问线用于读取和写入数据。
DRAM存储器需要定期刷新以保持数据的稳定性，这是由于电容器的特性决定的。
尽管需要刷新，DRAM仍然具有较高的存储密度和较低的制造成本，因此被广泛应用于计算机系统和其他电子设备中。
二、DRAM存储器的特点1. 高存储密度：DRAM存储单元的结构简单，存储密度较高，可以在较小的芯片面积上存储大量的数据。
2. 快速访问速度：相对于其他存储器类型，DRAM存储器的访问速度较快，适用于对存储器响应速度要求较高的任务。
3. 低功耗：DRAM存储器的功耗较低，适用于移动设备等对电池寿命要求较高的场景。
4. 需要刷新：由于电容器的特性，DRAM存储器需要定期刷新以保持数据的稳定性。
5. 不易集成：DRAM存储器的制造过程复杂，相比于闪存等其他存储器类型，较难被集成在大规模集成电路中。
三、DRAM存储器的应用1. 个人电脑：DRAM存储器是个人电脑中最常见的存储器类型，用于存储操作系统、应用程序和数据等。
2. 数据中心：在云计算和大数据时代，数据中心经常需要使用大容量的存储器进行数据存储和处理，DRAM存储器在其中发挥着重要作用。
3. 移动设备：随着智能手机和平板电脑的普及，对存储器容量和访问速度的需求不断增加，DRAM存储器得到了广泛的应用。
4. 汽车电子：现代汽车中的电子设备越来越多，包括车载娱乐系统、导航系统等，这些设备需要使用存储器进行数据存储和处理，DRAM存储器在其中扮演着重要角色。
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。
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14.2 磁盘调度策略－减少寻道时间
❖ 由于寻道(柱面定位时间）时间占主要部 分，合理组织磁盘数据的存储位置可提高 磁盘I/O性能。
随机调度性能最差。
当一个进程读磁盘上一个大的 连续分配文件 时，尽管看起来对磁盘的访问请求很多，但 由于各块连在一起，磁头的移动距离却很小， 而链接文件和索引文件的数据块可能会散布 在整个盘上，使磁盘的磁臂大幅度移动，I/O 负担加重(见后续内容）。
14.2 磁盘调度策略－SSTF
14.2 磁盘调度策略－扫描(SCAN)
❖ 磁头臂仅仅沿一个方向移动，满足途中所有未完成的请求。 (电梯调度法）
❖ 选择在磁头前进方向上从当前位置移动最少的磁盘I/O请 求执行，到达这个方向上的最后一个磁道时才倒转服务方 向，沿相反方向扫描，同样按顺序完成请求。
❖ 优点：
❖ 例：假设磁盘访问序列：
14.2 磁盘调度策略——FCFS
640 磁道.
14.2 磁盘调度策略－SSTF
❖ 短查找时间优先(SSTF, Shortest Service Time First)： 考虑磁盘I/O请求队列中各请求的磁头定位位置，选择 从当前磁头位置出发，移动最少的磁盘I/O请求。 该算法的目标是使每次磁头移动时间最少。它不一 定是最短平均寻道定位时间，但比FIFO算法有更好 的性能。 对中间的磁道有利，可能会有进程处于饥饿状态。
随机分布时的访问时间为连续分布时的33.5倍。
14.2 磁盘调度策略
❖ OS为每个I/O设备维护一条请求队列。对于 磁盘，队列中可能有来自多个进程的许多I/O 请求（读或写）。调度方法如下：
随机调度RSS:性能差，可以用来评估其它技术 先来先服务（FCFS） 短查找时间优先算法（SSTF） 扫描(SCAN)算法 循环扫描(C-SCAN)算法 LOOK算法
❖ 磁盘系统通常以柱面为单位供用户记录文件信息（磁 盘空间是以“柱面”划分和使用的）。若将信息连续 地存储在一个“柱面”上，则针对一次I/O请求只需移 动一次磁头，定位相应柱面，然后根据不同盘面上的 读/写磁头进行连续读/写。
❖ OS可通过合理调度它们对磁盘的使用顺序，达到减少 磁盘平均服务时间的目的。
该算法是对SSTF算法的改进，磁盘I/O较好，且没有进程 会饿死。偏爱请求接近最靠里或最靠外的磁道的进程，以 及偏爱最近到达的进程。
❖ 缺点：
不但需要知道磁头的当前位置，而且还要知道磁头的移动 方向。
Байду номын сангаас
14.2 磁盘调度策略－扫描(SCAN)
14.2 磁盘调度策略－循环扫描(C-SCAN)
❖ 循环扫描(C-SCAN)算法：在一个方向上使用扫描算 法，当沿着某个方向访问到最后一个磁道时，磁头 返回到磁盘的另一端，并再次开始扫描（到达边沿 时直接移动到另一沿的第一个位置，在返回过程中 不处理任何请求）。
磁盘 ❖ 固定头磁盘：每个磁道设置一个磁头， 变换磁道时不需要磁头的机械移动，速 度快但成本高
❖ 移动头磁盘：一个盘面只有一个磁头， 变换磁道时需要移动磁头，速度慢但成 本低
❖ 顺序存取设备：只有在前面的物理块被访问 过之后，才能存取后续的物理块的内容。
磁带
14. 磁盘结构
❖ 所有盘面中处于同一磁道号上的所有磁道组成一 个柱面
14.1 磁盘结构
❖ CPU和内存的访问速度比磁盘要快若干个数量 级，磁盘速度的增长远远低于CPU、主存速度 的增长，磁盘系统的性能对整个系统的性能有 重要影响，磁盘设备管理的目标就是提高磁盘 系统的性能。
扇区 柱面
磁臂 磁头
14. 磁盘结构
❖ 直接（随机）存取设备：存取磁盘上任一物 理块的时间不依赖于该物理块所处的位置，
14.2 磁盘调度策略－减少寻道时间
❖ 就一个磁盘片组而言，各盘面上的同心圆磁盘数相同。 常将这些同心圆从外向内依次编号为0，1，2，…,m-1， 同样，也将磁盘片组的全部盘面从上至下地编成片面 号0，1，2，k-1，其中k为磁盘片组的所有盘面数（每 片盘有正反两个盘面）。一个磁盘片组所有盘面的第i 条(i=0,1,2,…，m-1)条磁道均在同一个圆柱面上，故每 个片组有m个圆柱面。
旋转延迟时间：磁盘旋转到指定扇区的机械运动时间； 它与磁盘转速相关，如：软盘转速可为600rpm(每分 钟转速)，硬盘可为5400-10000r/m。（存取时间＝寻 道时间＋旋转延迟时间）
传送时间：从指定扇区读写数据的时间。 排队延迟时间：发出I/O请求的进程须首先在队列中等
待该设备可用）
14. 2 磁盘调度策略
当多个访盘请求在等待时，采用一定的策略，对这些请 求的服务顺序调整安排，旨在降低平均磁盘服务时间， 达到公平、高效 公平：一个I/O请求在有限时间内满足 高效：减少设备机械运动所带来的时间浪费
❖ 磁盘调度考虑的问题： 一次访盘时间 = 寻道时间+旋转延迟时间+传送时间 (1) 减少寻道时间（活动头磁盘） (2) 减少延迟时间（固定头磁盘）
14.2 磁盘调度策略
例子：读一个128KB大小的文件： (1)文件由8个连续磁道(每个磁道32个扇区)上的
256 个扇区构成： 20ms+(7.3ms+16.7ms)*8=220ms; 其中，柱面定位时间为20ms，旋转延迟时间
为7.3ms，32扇区数据传送时间为16.7ms；
(2)文件由256个随机分布的扇区构成： (20ms+7.3ms+0.5ms)*256=7373ms; 其中，1扇区数据传送时间为0.5ms；
❖ 物理地址形式：磁头号（盘面号）、 磁道号 （柱面号）、扇区号
❖ 磁盘系统由磁盘本身和驱动控制设备组成，实际 读写的动作过程是由磁盘驱动控制设备按照主机 要求完成的。
❖ 一次访盘请求：读/写，磁盘地址（设备号，柱 面号，磁头号，扇区号），内存地址（源/目）
14.1磁盘结构
❖ 几个名词
寻道时间：磁头定位磁道所需时间（或者称柱面定位 时间：磁头移动到指定柱面的机械运动时间）；
14.2 磁盘调度策略——FCFS
❖ 原理：磁盘I/O执行顺序为磁盘I/O请求的先后顺序。 ❖ 优点：
公平性； 在磁盘I/O负载较轻且每次读写多个连续扇区时，性
能较好。
❖ 缺点：
效率不高，相邻两次请求可能会造成最内到最外的柱 面寻道，使磁头反复移动，增加了服务时间，对机械 也不利
如果大多数进程竞争一个磁盘，性能接近于随机调度