內存儲器層次

1. 存儲器的層次體系結構是什麼樣的

各存儲器之間的關系
按照與CPU的接近程度，存儲器分為內存儲器與外存儲器，簡稱內存與外存。內存儲器又常稱為主存儲器（簡稱主存），屬於主機的組成部分；外存儲器又常稱為輔助存儲器（簡稱輔存），屬於外部設備。CPU不能像訪問內存那樣，直接訪問外存，外存要與CPU或I/O設備進行數據傳輸，必須通過內存進行。在80386以上的高檔微機中，還配置了高速緩沖存儲器（cache），這時內存包括主存與高速緩存兩部分。對於低檔微機，主存即為內存。

把存儲器分為幾個層次主要基於下述原因：


半導體存儲器
1、合理解決速度與成本的矛盾，以得到較高的性能價格比。半導體存儲器速度快，但價格高，容量不宜做得很大，因此僅用作與CPU頻繁交流信息的內存儲器。磁碟存儲器價格較便宜，可以把容量做得很大，但存取速度較慢，因此用作存取次數較少，且需存放大量程序、原始數據（許多程序和數據是暫時不參加運算的）和運行結果的外存儲器。計算機在執行某項任務時，僅將與此有關的程序和原始數據從磁碟上調入容量較小的內存，通過CPU與內存進行高速的數據處理，然後將最終結果通過內存再寫入磁碟。這樣的配置價格適中，綜合存取速度則較快。


存儲器晶元
為解決高速的CPU與速度相對較慢的主存的矛盾，還可使用高速緩存。它採用速度很快、價格更高的半導體靜態存儲器，甚至與微處理器做在一起，存放當前使用最頻繁的指令和數據。當CPU從內存中讀取指令與數據時，將同時訪問高速緩存與主存。如果所需內容在高速緩存中，就能立即獲取；如沒有，再從主存中讀取。高速緩存中的內容是根據實際情況及時更換的。這樣，通過增加少量成本即可獲得很高的速度。

2、使用磁碟作為外存，不僅價格便宜，可以把存儲容量做得很大，而且在斷電時它所存放的信息也不丟失，可以長久保存，且復制、攜帶都很方便。

2. 【操作系統】01--存儲器的層次結構

操作系統存儲器，如何對存儲器進行有效的管理，直接影響著存儲器的利用率和系統性能。

1、存儲器的層次結構
2、程序的裝入和鏈接
3、連續分配存儲管理方式
4、分頁存儲管理方式
5、分段存儲管理方式

內部碎片和外部碎片
邏輯地址和物理地址
內存分配策略
分頁的地址變換，頁表的使用
分頁和分段的優缺點

1、存儲的層次結構

這個圖不怎麼看的清，總體是三個部分：存儲器的層次結構、程序的裝入和鏈接、連續分配存儲管理方式

====================

（1）內存分配——為每個進程分配一定的內存空間
（2）地址映射——把程序中所用的相對地址轉換成內存的物理地址
（3）內存保護——檢查地址的合法性，防止越界訪問
（4）內存擴充——解決「求大於供」的問題，採用虛擬存儲技術

內存分配
內存分配的主要任務是：為每一道程序分配內存空間，使它們「各得其所」；當程序撤消時，則收回它佔用的內存空間。分配時注意提高存儲器的利用率。
地址映射
目標程序所訪問的地址是邏輯地址集合的地址空間，而內存空間是內存中物理地址的集合，在多道程序環境下，這兩者是不一致的，因此，存儲管理必須提供地址映射功能，用於把程序地址空間中的邏輯地址轉換為內存空間中對應的物理地址。
內存保護
內存保護的任務是確保每道程序都在自己的內存空間運行，互不幹擾。保護系統程序區不被用戶侵犯（有意或無意的），不允許用戶程序讀寫不屬於自己地址空間的數據（系統區地址空間，其他用戶程序的地址空間）。
內存擴充
內存擴充的任務是從邏輯上來擴充內存容量，使用戶認為系統所擁有的內存空間遠比其實際的內存空間（硬體RAM）大的多。

【緩存都在其使用的工具之前，目的是為了減少訪問次數】

2.1 主存儲器

主存儲器是計算機系統中的一個主要部件，用於保存進程運行時的程序和數據，CPU的控制部件只能從主存儲器中取得指令和數據，數據能夠從主存儲器中讀取並將他們裝入到寄存器中，或者從寄存器存入到主存儲器，CPU與外圍設備交換的信息一般也依託於主存儲器地址空間。但是，主存儲器的訪問速度遠低於CPU執行指令的速度，於是引入了寄存機和告訴緩沖。

2.2 寄存器

寄存器訪問速度最快，能與CPU協調工作，價格昂貴，容量不大，寄存器用於加速存儲器的訪問速度，如用寄存器存放操作數，或用作地址寄存器加快地址轉換速度等。

2.3 高速緩存

高速緩存容量大於或遠大於寄存器，但小於內存，訪問速度高於主內存器，根據程序局部性原理，將主存中一些經常訪問的信息存放在高速緩存中， 減少訪問主存儲器的次數 ，可大幅度提高程序執行速度。通常，進程的程序和數據存放在主存，每當使用時，被臨時復制到高速緩存中，當CPU訪問一組特定信息時，首先檢查它是否在高速緩存中，如果已存在，則直接取出使用，否則，從主存中讀取信息。有的計算機系統設置了兩級或多級高速緩存，一級緩存速度最高，容量小，二級緩存容量稍大，速度稍慢。

2.4 磁碟緩存

磁碟的IO速度遠低於對主存的訪問速度，因此將頻繁使用的一部分磁碟數據和信息暫時存放在磁碟緩存中， 可減少訪問磁碟的次數， 磁碟緩存本身並不是一種實際存在的存儲介質，它依託於固定磁碟，提供對主存儲器空間的擴充，即利用主存中的存儲空間，來暫存從磁碟中讀出或寫入的信息，主存可以看做是輔存的高速緩存，因為，輔存中的數據必須復制到主存方能使用，反之，數據也必須先存在主存中，才能輸出到輔存。

主存儲器簡稱 主存或內存 , 用於保存程序運行時的指令和數據.

寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數據和 地址 .

通常, 處理機從指存中讀出數據放入指令寄存器, 這一時間段我們稱之為取指周期; 處理機從數存中讀取數據放入數據寄存器, 再流入運算器, 這一時間段我們稱之為執行周期.

高速緩存和磁碟緩存:

高速緩沖存儲器是介於寄存器和存儲器之間的存儲器, 主要用於備份主存中較常用的數據, 用來減少處理機對主存儲器的訪問次數, 提高運行效率.

磁碟緩存主要用於暫時存放頻繁使用的一部分磁碟數據和信息, 以減少訪問磁碟的次數.

3. 一般的計算機系統至少將存儲器分為三個層次

1. 存儲器層次結構的最底層是存儲器儲器（Memory）層次，它是計算機系統中用於保存程序和數據的物理介質。存儲器儲器通常包括隨機存儲器（Random Access Memory，RAM）和只讀存儲器（Read-Only Memory，ROM）。
2. 存儲器層次結構的中間層次是高速緩存（Cache）層次，它是一種特殊的RAM，用於加速對主存的訪問。高速緩存通常由多個小容量的緩存組成，其中最近使用的數據被保存在緩存中，以便更快地訪問。
3. 存儲器層次結構的頂層是虛擬存儲器（Virtual Memory）層次，它是一種將主存和磁碟空間組合起來使用的技術。虛擬存儲器允許程序使用比物理內存更大的地址空間，並且能夠將不常用的數據從物理內存中移動到磁碟上，以釋放物理內存。
通過將存儲器分為三個層次，計算機系統可以更加高效地管理程序和數據的存儲和訪問。

4. 計算機存儲系統分為哪幾個層次

在計算機系統中存儲層次可分為高速緩沖存儲器、主存儲器、輔助存儲器三級。高速緩沖存儲器用來改善主存儲器與中央處理器的速度匹配問題。輔助存儲器用於擴大存儲空間。

存儲系統的性能在計算機中的地位日趨重要，主要原因是：

1、馮諾伊曼體系結構是建築在存儲程序概念的基礎上，訪存操作約佔中央處理器（CPU）時間的70%左右。

2、存儲管理與組織的好壞影響到整機效率。

3、現代的信息處理，如圖像處理、資料庫、知識庫、語音識別、多媒體等對存儲系統的要求很高。

(4)內存儲器層次擴展閱讀：

移動存儲特點：

1、獲國家保密局認證，安全可靠；

2、與加密系統無縫結合，防護能力倍增；

3、國內首創，將普通U盤變為加密U盤，徹底解決U盤的方便性帶來的風險；

4、採用雙因子認證技術；

5、專用加密移動存儲與系統無縫結合，管理更流暢；

6、功能多樣，可滿足各種不同需求的保密要求；

7、完善的審計功能，隨時掌握U盤持有人的行為。

移動存儲功能：

1、集中注冊與授權。可通過注冊信息實現U盤身份識別和介質追蹤；

2、主機身份認證。所有安裝客戶端的計算機都須經管理員分配實名信息後方可使用；

3、加密上鎖。對加密上鎖後的U盤需要用戶進行身份認證；

4、訪問控制。可靈活控制移動存儲介質注冊策略和信息，設定允許使用的計算機或租；

5、外出拷貝。拷入U盤內的數據可與外界的計算機進行數據交互使用，也可實現定向拷貝；

6、用戶審計。移動管理存儲系統提供詳細的審計記錄及審計報告。

主存儲器：

存放指令和數據，並能由中央處理器直接隨機存取的存儲器，有時也稱操作存儲器或初級存儲器。主存儲器的特點是速度比輔助存儲器快，容量比高速緩沖存儲器大。

計算機存儲介質：

計算機存儲介質是計算機存儲器中用於存儲某種不連續物理量的媒體。計算機存儲介質主要有半導體、磁芯、磁鼓、磁帶、激光碟等。