存储系统概述
计算机原理 第四章 存储系统 课堂笔记及练习题
计算机原理第四章存储系统课堂笔记及练习题主题：第四章存储系统学习时间：2016年10月24日--10月30日内容：一、学习要求这周我们将学习第四章存储系统的相关内容。
通过本章的学习要求了解主存储器的主要技术指标、理解存储器的层次结构及分类，加深对半导体随机读写器相关知识的理解。
二、主要内容（一）存储系统概述存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，是计算机系统的重要组成部分之一。
存储器有主存储器和辅助存储器之分，主存储器（简称主存）处于全机中心地位，直接与CPU交换信息；辅助存储器（简称辅存）或称为外存储器（简称外存）通常用来存放主存的副本和当前不在运行的程序和数据，在程序执行过程中，每条指令所需的数据及取下一条指令的操作都不能直接访问辅助存储器，需要通过主存储器与CPU交换信息。
（二）主存储器的主要技术指标主存储器的主要性能指标为主存容量、存储器存取时间和存储周期时间。
计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字，一个存储字所包括的二进制位数称为字长。
主存储器的另一个重要的性能指标是存储器的速度，一般用存储器存取时间和存储周期来表示。
存储器存取时间(memory access time)又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
存储周期(memory cycle time)指连续启动两次独立的存储器操作(例如连续两次读操作)所需间隔的最小时间。
通常，存储周期略大于存取时间。
（三）存储器的层次结构对存储器的要求是“大容量、高速度、低成本”，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方面是困难的。
一般来讲，速度高的存储器，每位价格也高，因此容量不能太大。
主存-辅存层次，满足了存储器的大容量和低成本需求。
cache-主存层次，解决了速度与成本之间的矛盾。
现代大多数计算机同时采用主存-辅存和cache-主存这两种存储层次，构成cache-主存-辅存三级存储层次，如下图所示。
CPU能直接访问的存储器称为内存储器，包括cache和主存储器。
【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。
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。
简述计算机的存储系统
简述计算机的存储系统。
4.计算机的存储系统分为三级：
一、CPU——Cache 存储层次。
由于主存储器的读写速度低于CPU的速度，而CPU每执行一条指令都要访问内存储器，所以CPU 总是处于等待状态，严重降低了系统的效率。
引入Cache后，在Cache 内保存着主存储器内容的部分副本，CPU在读写数据时首先访问Cache。
由于Cache的速度与CPU相同，因此CPU就能在零等待状态下迅速地完成数据的读写。
二、Cache——内存储器存储层次。
当Cache中不含有CPU所需的数据时，CPU才去访问内存储器。
此时用一个存储器读取周期的时间从内存中读出这个数据后送到CPU，并且，把含有这个数据的整个数据块从内存送到Cache中。
三、内存储器——外存储器存储层次。
当一个程序需要执行时，计算机必须将其程序通过一定的调度算法从外存调入内存。
Cache→内存储器→外存储器：其容量越来越大，但读写速度越来越低。
西安电子科技大学_计算机组成与体系结构_第4章存储系统_课件PPT
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
存储器、存储系统以及操作方法与流程
存储器、存储系统以及操作方法与流程存储器是计算机系统中最基本、最重要的部件之一，用于存储程序、数据等信息，是计算机系统中重要的资源之一、存储器的主要功能是数据的存储和读取，在计算机系统中有着非常重要的地位。
存储器不同于处理器，处理器只能处理当前的数据信息，在不同的应用场景中不断运行，而存储器可以存储更多、更长时间的数据信息并保证数据的安全、可靠性和稳定性。
存储器主要分类存储器主要分为两大类：内存和外存。
内存包括随机存取内存（RAM）和只读存储器（ROM），其中RAM又包括动态随机存取内存（DRAM）和静态随机存取内存（SRAM）两种；外存又称为辅助存储器，包括硬盘、软盘、光盘、闪存以及U盘等。
存储系统的架构存储系统包括计算机系统的内存与外存两个部分，主要分为主存储器、高速缓存、辅助存储器等三个层次。
其中主存储器一般是指DRAM和SRAM，常常直接集成在CPU中，是CPU和外部设备（如硬盘、光盘等）间信息交换的媒介；高速缓存是位于主存之外，但比主存存储更快、相应时间更短的存储器，用于加快主存储器与CPU之间的数据传输，同时也减轻了对内存访问的压力；辅助存储器则包括各种外存。
操作方法与流程存储器的操作包括存储和检索两个阶段，下面将分别解释存储器的操作方法与流程。
1. 存储操作流程存储操作是将数据写入存储器的过程，其主要流程如下：（1）CPU通过地址总线将存储地址传给内存控制器。
（2）内存控制器接收到地址信息后，将其分解为行地址和列地址，并将其传给DRAM芯片。
（3）DRAM芯片从内存数组中选取对应的行，然后读取该行中所有的列，并将这些数据通过输出信号传给内存控制器。
（4）内存控制器接收到DRAM芯片输出的数据后，将其写入内存，同时向CPU发送写入成功的信号。
2. 检索操作流程检索操作是从存储器中读取数据的过程，其主要流程如下：（1）CPU通过地址总线将存储地址传给内存控制器。
（2）内存控制器接收到地址信息后，将其分解为行地址和列地址，并将其传给DRAM芯片。
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320MB/S
3GB/S 6GB/S
2GB/S、4GB/S 、8GB/S
容量
1T/2T/3T 4T/6T
转速
5900 rpm 7200 rpm
最大连接设
2
1 or 15 with
16
备数
port multiplier
300GB 600GB 900GB
10000 rpm 15000 rpm
RAID数据保护机制---热备
热备（Hot Spare）：当冗余的RAID阵列中某个磁盘失效时，在不 干扰当前RAID系统正常使用的情况下，用RAID系统中另外一个正 常的备用磁盘顶替失效磁盘。
热备通过配置热备盘实现，热备盘分为全局热备盘和局部热备盘
RAID5 RAID3 RAID1
替换失效磁盘 热备盘
RAID
RAID 的主要实现方式分为硬件RAID 方式和软件RAID 方式 硬件RAID：利用集成了处理器的硬件RAID适配卡来对RAID任务进行处理，无须
占用主机CPU资源。 软RAID：通过软件技术实现，需要操作系统支持，一般不能对系统磁盘实现RAID
功能。
RAID的数据组织方式
分块：将一个分区分成多个大小相等的、地址相邻的块，这些块称为分块。 它是组成条带的元素。
硬盘寻道机制
容量 硬盘容量=柱面数×磁头数×扇区数×512Bytes 转速 盘片转动圈数 / 分钟(rpm) 平均访问时间=平均寻道时间+平均潜伏时间 数据传输率 外部数据传输率 内部数据传输率
CPU 磁头读取盘片
硬盘缓存 硬盘缓存
1. 信息存储介质 2. 信息存储系统
目录
存储系统产生的背景
传统计算机存储系统的 局限性：
CPU
硬盘成为整个系统的性能瓶颈
有限的硬盘槽位，难满足大容量需
RAM
求
单个硬盘存放数据，数据可靠性难 以保证
存储空间利用率低
本地存储，数据分散，难以共享
可扩展性不够 总线结构，而非网络结构 可连接的设备受到限制增加容量时，
需停机
硬盘
传统计算机存储系统
一、存储介质与存储系统
1. 信息存储介质 2. 信息存储系统
存储介质
硬盘：是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟 片组成
磁带：是一种用于记录声音、图像、数字或其他信号的载有磁层的带状材 料，是产量最大和用途最广的一种磁记录材料
光盘：光盘以光信息做为存储物的载体
Flash存储：一种不挥发的内存器件
Vmware esx
Esx 4\5
aix 4\5\6
aix
solaris
Solaris 9\10
hp-ux
hp-ux 11
主机文件系统
Windows下常见的文件系统：FAT32、NTFS Linux下常见的文件系统：ext3、jfs、Reiserfs、xfs 其它文件系统:ZFS、HFS、VMFS、UFS、GFS
RAID数据保护机制---重构
重构：镜像阵列或者RAID阵列中发生故障的磁盘上的所有用户数据和校验 数据的重新构建（rebuild）过程，或者将这些数据写到一个或者多个备用 磁盘上的过程。
D0,D1,D2,D3,D4,D5
驱动器1 D4 D2 D0
驱动器2 D5 D3 D1
校验驱动器 P3 P2 P1
条带（Striping）：同一磁盘阵列中的多个磁盘驱动器上的相同位置构成条 带，提高同时读写性能
驱动器1
D6 D3 D0
磁盘上的数 据分块
驱动器2
D7 D4 D1
磁盘上的数 据分块
驱动器3
D8 D5 D2
磁盘上的数 据分块
条带2(strip) 分条深度 条带1(strip) 条带0(strip)
SAS
FC
按照硬盘形态
机械硬盘 固态硬盘
市场主流硬盘
目 前 市 场 上 主 流 硬 盘 厂 商 包 括 Seagate( 希 捷 ) 、 WD （ 西 部 数 据 ） 、 HITACHI(日立)等。
硬盘接口比较
接口
IDE
SATA
SCSI
SAS
FC
接口类型
并行
串行
并行
串行
串行
主流接口速 100MB/S
二、RAID技术
1. RAID基本概念与技术原理 2. RAID技术与应用 3. RAID特点及不同场景下应用 4. RAID与LUN
RAID概念与实现方式
RAID（Redundant Array of Independent Disks）：独立冗余磁盘阵列，简 称磁盘阵列。RAID是按照一定的形式和方案组织起来的存储设备，它比单 个存储设备在速度、稳定性和存储能力上都有很大提高，并且具备一定的 数据安全保护能力。
存储设备的组成 硬件组成一般包括： ①框 ② 控制器 ③ BBU ④ 风扇 ⑤ 电源 ⑥ 接口卡 ⑦ 另。硬盘（硬盘框）
存储设备的架构
硬件组成一般包括：
前端、高速缓存、后端、磁盘
主机操作系统
windows操作系统
Windows2003\windows2008
linux操作系统
Suse linux9\10\11 、 Redhat linux4\5\6
16256
127-loop 1600万 fabric
线缆长度
0.4 m
1m
12m
6m
30m(铜轴电缆)
10km(光纤)
应用
普通PC机 低端工作站 中高端工作站 中高端工作站
高端工作站
SSD硬盘：读写机制决定读写效率
VS
SSD在随机读取方面的效率要比硬盘驱动器高得多， 无 寻 道 到 时 间和旋转延迟，适合small block size读写
硬盘
磁带
光盘
软盘
Flash存储
存储设备
磁带机
磁带库
虚拟磁带库
存储系统
硬盘的组件
磁头驱动机构 磁盘片 接口
前驱控制电路
浮动磁头 主轴组件 组件
高速缓存芯片
数据传输芯片
主控芯片
硬盘的柱面、磁面、磁道与扇区
磁面 磁道 扇区 柱面
磁道 磁面
硬盘的分类
按照接口类型
硬盘接口
IDE/ATA
SCSI
SATA
存储存储系系统统概述概述
目标
了解存储技术的发展、现状和趋势 了解基本存储介质以及硬盘的知识 熟悉常用RAID级别原理与特点 熟悉SAN网络基础知识
什么是存储？
用于存放数据信息的设备和介质 存储是一个系统 是计算机技术发展的结果
存储对企业的影响和价值
德州大学报告显示 灾难性数据丢失导致公司倒闭：