计算机存储层次结构

‘壹’ 【操作系统】01--存储器的层次结构

操作系统存储器，如何对存储器进行有效的管理，直接影响着存储器的利用率和系统性能。

1、存储器的层次结构
2、程序的装入和链接
3、连续分配存储管理方式
4、分页存储管理方式
5、分段存储管理方式

内部碎片和外部碎片
逻辑地址和物理地址
内存分配策略
分页的地址变换，页表的使用
分页和分段的优缺点

1、存储的层次结构

这个图不怎么看的清，总体是三个部分：存储器的层次结构、程序的装入和链接、连续分配存储管理方式

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（1）内存分配——为每个进程分配一定的内存空间
（2）地址映射——把程序中所用的相对地址转换成内存的物理地址
（3）内存保护——检查地址的合法性，防止越界访问
（4）内存扩充——解决“求大于供”的问题，采用虚拟存储技术

内存分配
内存分配的主要任务是：为每一道程序分配内存空间，使它们“各得其所”；当程序撤消时，则收回它占用的内存空间。分配时注意提高存储器的利用率。
地址映射
目标程序所访问的地址是逻辑地址集合的地址空间，而内存空间是内存中物理地址的集合，在多道程序环境下，这两者是不一致的，因此，存储管理必须提供地址映射功能，用于把程序地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中对应的物理地址。
内存保护
内存保护的任务是确保每道程序都在自己的内存空间运行，互不干扰。保护系统程序区不被用户侵犯（有意或无意的），不允许用户程序读写不属于自己地址空间的数据（系统区地址空间，其他用户程序的地址空间）。
内存扩充
内存扩充的任务是从逻辑上来扩充内存容量，使用户认为系统所拥有的内存空间远比其实际的内存空间（硬件RAM）大的多。

【缓存都在其使用的工具之前，目的是为了减少访问次数】

2.1 主存储器

主存储器是计算机系统中的一个主要部件，用于保存进程运行时的程序和数据，CPU的控制部件只能从主存储器中取得指令和数据，数据能够从主存储器中读取并将他们装入到寄存器中，或者从寄存器存入到主存储器，CPU与外围设备交换的信息一般也依托于主存储器地址空间。但是，主存储器的访问速度远低于CPU执行指令的速度，于是引入了寄存机和告诉缓冲。

2.2 寄存器

寄存器访问速度最快，能与CPU协调工作，价格昂贵，容量不大，寄存器用于加速存储器的访问速度，如用寄存器存放操作数，或用作地址寄存器加快地址转换速度等。

2.3 高速缓存

高速缓存容量大于或远大于寄存器，但小于内存，访问速度高于主内存器，根据程序局部性原理，将主存中一些经常访问的信息存放在高速缓存中， 减少访问主存储器的次数 ，可大幅度提高程序执行速度。通常，进程的程序和数据存放在主存，每当使用时，被临时复制到高速缓存中，当CPU访问一组特定信息时，首先检查它是否在高速缓存中，如果已存在，则直接取出使用，否则，从主存中读取信息。有的计算机系统设置了两级或多级高速缓存，一级缓存速度最高，容量小，二级缓存容量稍大，速度稍慢。

2.4 磁盘缓存

磁盘的IO速度远低于对主存的访问速度，因此将频繁使用的一部分磁盘数据和信息暂时存放在磁盘缓存中， 可减少访问磁盘的次数， 磁盘缓存本身并不是一种实际存在的存储介质，它依托于固定磁盘，提供对主存储器空间的扩充，即利用主存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出或写入的信息，主存可以看做是辅存的高速缓存，因为，辅存中的数据必须复制到主存方能使用，反之，数据也必须先存在主存中，才能输出到辅存。

主存储器简称 主存或内存 , 用于保存程序运行时的指令和数据.

寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和 地址 .

通常, 处理机从指存中读出数据放入指令寄存器, 这一时间段我们称之为取指周期; 处理机从数存中读取数据放入数据寄存器, 再流入运算器, 这一时间段我们称之为执行周期.

高速缓存和磁盘缓存:

高速缓冲存储器是介于寄存器和存储器之间的存储器, 主要用于备份主存中较常用的数据, 用来减少处理机对主存储器的访问次数, 提高运行效率.

磁盘缓存主要用于暂时存放频繁使用的一部分磁盘数据和信息, 以减少访问磁盘的次数.

‘贰’ 计算机的存储系统分为哪几个层次

计算机系统中存储层次可分为高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器三级

高速缓冲存储器用来改善主存储器与中央处理器的速度匹配问题

辅助存储器用于扩大存储空,即硬盘，光盘等，容量大，但存取数据慢，计算机都是先把辅存中要读的东西放到主存后处理，然后在依据情况是否写回。

主存即为内存，断电信息丢失，但存取数据块，他的容量大小直接影响计算机运行速度。

‘叁’ 计算机存储系统分为哪几个层次

在计算机系统中存储层次可分为高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器三级。高速缓冲存储器用来改善主存储器与中央处理器的速度匹配问题。辅助存储器用于扩大存储空间。

存储系统的性能在计算机中的地位日趋重要，主要原因是：

1、冯诺伊曼体系结构是建筑在存储程序概念的基础上，访存操作约占中央处理器（CPU）时间的70%左右。

2、存储管理与组织的好坏影响到整机效率。

3、现代的信息处理，如图像处理、数据库、知识库、语音识别、多媒体等对存储系统的要求很高。

(3)计算机存储层次结构扩展阅读：

移动存储特点：

1、获国家保密局认证，安全可靠；

2、与加密系统无缝结合，防护能力倍增；

3、国内首创，将普通U盘变为加密U盘，彻底解决U盘的方便性带来的风险；

4、采用双因子认证技术；

5、专用加密移动存储与系统无缝结合，管理更流畅；

6、功能多样，可满足各种不同需求的保密要求；

7、完善的审计功能，随时掌握U盘持有人的行为。

移动存储功能：

1、集中注册与授权。可通过注册信息实现U盘身份识别和介质追踪；

2、主机身份认证。所有安装客户端的计算机都须经管理员分配实名信息后方可使用；

3、加密上锁。对加密上锁后的U盘需要用户进行身份认证；

4、访问控制。可灵活控制移动存储介质注册策略和信息，设定允许使用的计算机或租；

5、外出拷贝。拷入U盘内的数据可与外界的计算机进行数据交互使用，也可实现定向拷贝；

6、用户审计。移动管理存储系统提供详细的审计记录及审计报告。

主存储器：

存放指令和数据，并能由中央处理器直接随机存取的存储器，有时也称操作存储器或初级存储器。主存储器的特点是速度比辅助存储器快，容量比高速缓冲存储器大。

计算机存储介质：

计算机存储介质是计算机存储器中用于存储某种不连续物理量的媒体。计算机存储介质主要有半导体、磁芯、磁鼓、磁带、激光盘等。

‘肆’ 计算机有哪些存储结构

在计算机中存储和组织数据的方式被称之为数据结构，链表和数组是较为常见的两种结构。

1、数组

数组就像一个个紧挨着的小格子，每一个格子都有它们自己的序号，这个序号被称之为“索引”。与生活中不太相同的是，平时计数习惯以“1”开始，而在计算机中，“0”是开头的第一个数字。

数组中的数据，在计算机的存储器中，也是按顺序存储在连续的位置中。当我们寻找需要的数据时，通过格子中的索引，便可以找到数据。

2、链表

链表的存储方式有些像地址和住宅的关系，地址可以写在一张纸上，但是这并不代表住宅也紧密相邻。链表中的数据在计算机中也是分散地存储在各个地方，但是链表里面除了存储数据，还存储了下一个数据的地址，以便于找到下一个数据。

与数组不同的是，链表储存数据不像数组一样，需要提前设定大小，就像火车的车厢长度是随着乘客的数量而增加的。

(4)计算机存储层次结构扩展阅读

数据的链式存储结构可用链接表来表示。

其中data表示值域，用来存储节点的数值部分。Pl，p2，…，Pill(1n≥1)均为指针域，每个指针域为其对应的后继元素或前驱元素所在结点(以后简称为后继结点或前驱结点)的存储位置。

通过结点的指针域(又称为链域)可以访问到对应的后继结点或前驱结点，若一个结点中的某个指针域不需要指向其他结点，则令它的值为空（NULL）。

在数据的顺序存储中，由于每个元素的存储位置都可以通过简单计算得到，所以访问元素的时间都相同；而在数据的链接存储中。

由于每个元素的存储位置保存在它的前驱或后继结点中，所以只有当访问到其前驱结点或后继结点后才能够按指针访问到，访问任一元素的时间与该元素结点在链式存储结构中的位置有关。

‘伍’ 计算机存储系统有哪些部分组成,各自特点

计算机的存储系统
一、存储器：是计算机的重要组成部分.
它可分为：
计算机内部的存储器（简称内存）
计算机外部的存储器（简称外存）
内存储器从功能上可以分为：读写存储器
RAM、只读存储器ROM两大类
计算机存储容量以字节为单位，它们是:字节B(
1Byte=8bit)、千字节(1KB=1024B)、兆字节(1MB=1024KB)、千兆字节（1GB=1024MB）、1TB＝1024GB
二、计算机的外存储器一般有：软盘和软驱、硬盘、CD－ROM、可擦写光驱即CD－RW光驱还有USB接口的移动硬盘、光驱、或可擦写电子硬盘（优盘）等。
三、存储器的容量的基本单位是字节(Byte)，并有下列的运算换算关系：
1KB=1024Bytes
1MB=1024KB
1GB=1024MB
1TB=1024GB
1个汉字在计算机内需要2个字节来存储；
1个英文字符(即ASCII码)在计算机中需要1个字节来存储；
1个字节相当于8个二进制位。

‘陆’ 计算机内的存储器呈现出一种层次结构形式包括哪三层结构

第一层：通用寄存器堆
第二层：指令与数据缓冲栈
第三层：高速缓冲存储器
第四层：主储存器（DRAM）
第五层：联机外部储存器（硬磁盘机）
第六层：脱机外部储存器（磁带、光盘存储器等）
这就是存储器的层次结构~~~ 主要体现在访问速度~~~