軟件設(shè)計師筆記之存儲器系統(tǒng)
存儲器系統(tǒng)：
概述：
計算機中的存儲系統(tǒng)是用來保存數(shù)據(jù)和程序的。對存儲器最基本的要求就是存儲容量要大、存取速度快、成本價格低。為了滿足這一要求，提出了多級存儲體系結(jié)構(gòu)。一般可分為高速緩沖存儲器、主存、外存3個層次，有時候還包括CPU內(nèi)部的寄存器以及控制存儲器。
衡量存儲器的主要因素：存儲器訪問速度、存儲容量和存儲器的價格；
存儲器的介質(zhì)：半導(dǎo)體、磁介質(zhì)和光存儲器；
存儲器的組成：存儲芯片+控制電路（存儲體+地址寄存器+數(shù)據(jù)緩沖器+時序控制）；
存儲體系結(jié)構(gòu)從上層到下層離CPU越來越遠(yuǎn)、存儲量越來越大、每位的價格越來越便宜，而且訪問的速度越來越慢。
存儲器系統(tǒng)分布在計算機各個不同部件的多種存儲設(shè)備組成，位于CPU內(nèi)部的寄存器以及用于CU的控制寄存器。內(nèi)部存儲器是可以被處理器直接存取的存儲器，又稱為主存儲器，外部存儲器需要通過I/O模塊與處理器交換數(shù)據(jù)，又稱為輔助存儲器，彌補CPU處理器速度之間的差異還設(shè)置了CACHE，容量小但速度極快，位于CPU和主存之間，用于存放CPU正在執(zhí)行的程序段和所需數(shù)據(jù)。
整個計算機的存儲器體系結(jié)構(gòu)可以用下面的圖來說明：
通常衡量主存容量大小的單位是字節(jié)或者字，而外存的容量則用字節(jié)來表示。字是存儲器組織的基本單元，一個字可以是一個字節(jié)，也可以是多個字節(jié)。
信息存取方式：信息的存取方式影響到存儲信息的組織，常用的有4種，
◆順序存取
存儲器的數(shù)據(jù)是以記錄的形式進(jìn)行組織，對數(shù)據(jù)的訪問必須按特定的線性順序進(jìn)行。磁帶存儲器的存取方式就是順序存取。
◆直接存取
共享讀寫裝置，但是每個記錄都有一個唯一的地址標(biāo)識，共享的讀寫裝置可以直接移動到目的數(shù)據(jù)塊所在位置進(jìn)行訪問。因此存取時間也是可變的。磁盤存儲器采用的這種方式。
◆隨機存取
存儲器的每一個可尋址單元都具有唯一地址和讀寫裝置，系統(tǒng)可以在相同的時間內(nèi)對任意一個存儲單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，而與先前的訪問序列無關(guān)。主存儲器采用的是這種方式。
◆相聯(lián)存取
也是一種隨機存取的形式，但是選擇某一單元進(jìn)行讀寫是取決于其內(nèi)容而不是其地址。Cache可能采用該方法進(jìn)行訪問。
衡量存儲器系統(tǒng)性能的指標(biāo)有以下幾種：
存取時間：一次讀/寫存儲器的時間
存儲器帶寬：每秒能訪問的位數(shù)。
存儲器周期：兩次相鄰的存取之間的時間
數(shù)據(jù)傳輸率：每秒鐘數(shù)據(jù)傳輸?shù)腷it數(shù)目。
主存儲器：
主存儲器是指能由CPU直接編程訪問的存儲器，它存放需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)據(jù)。因為它通常位于所謂主機的范疇，常稱為內(nèi)存。如果內(nèi)存的地址為n位，容量為2的n次。
主存儲器的種類很多，主要有：
隨機存儲器（RAM）：可以讀出和寫入，隨機訪問存取，斷電消失
只讀存儲器（ROM）：只能讀出原有的內(nèi)容，不能寫入新內(nèi)容
可編程ROM（PROM）
可擦除PROM（EPROM）
電可擦除PROM（E2PROM）
閃速存儲器（flash memory）
實際的存儲器總是由一片或多片存儲芯片配以控制電路組成的，其容量往往是W×B來表示。W表示該存儲器的存儲單元（word）的數(shù)量，而B表示每一個word由多少bit組成。#p#
輔助存儲器：
由于主存容量有限（受地址位數(shù)、成本、速度等因素制約），在大多數(shù)計算機系統(tǒng)中設(shè)置一級大容量存儲器作為對主存的補充與后援。它們位于主機的邏輯范疇之外，常稱為外存儲器，簡稱外存。
外存的最大特點是容量大、可靠性高、價格低，主要有兩大類。
◆磁表面存儲器：這類外存儲器主要包括磁帶和磁盤存儲器。
▲磁帶
磁帶存儲設(shè)備是一種順序存取的設(shè)備，存取時間較長，但存儲容量大。磁帶上的信息是以文件塊的形式存放的，而且便于攜帶，價格便宜。按它的讀寫方式可分為兩種：啟停式和數(shù)據(jù)流。
▲磁盤存儲器
磁盤存儲器是目前應(yīng)用最廣泛的外存儲器。它存取速度較快，具有較大的存儲容量，適用于調(diào)用較頻繁的場合，往往作為主存的直接后援，為虛擬存儲提供了物理基礎(chǔ)?？煞譃檐洷P和硬盤。
◆光存儲器
光盤存儲器是利用激光束在記錄表面存儲信息，根據(jù)激光束的反射光來讀出信息。按照它的記錄原理可分為形變型、相變型（晶相結(jié)構(gòu)）和磁光型。有CD、CD-ROM、WORM、EOD等。
CD-ROM：只讀光盤，只能一次性寫入數(shù)據(jù)，由生產(chǎn)廠家將數(shù)據(jù)寫入，永遠(yuǎn)保存
CD-WO：可由用戶寫入一次，寫入后不能修改或擦除，但是可以多次讀出
CD-MO：可改寫光盤，可以讀出也可以寫入數(shù)據(jù)；
光盤存儲器的特點：
大容量、標(biāo)準(zhǔn)化、相容性、持久性、實用性
輔助存儲器方面的計算：
1.存儲容量為capacity=n*t*s*b，n為存放數(shù)據(jù)的總盤面數(shù)；t為每面的磁道數(shù)；s為每道的扇區(qū)數(shù)；b為每個扇區(qū)存儲的字節(jié)數(shù)
2.尋道時間為磁頭移動到目標(biāo)磁道所需的時間。
3.等待時間為待讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時間。一般用磁道旋轉(zhuǎn)一周所用的時
間的一半作為平均等待時間。
4．磁盤存取時間=尋道時間+等待時間。
5．位密度：沿磁道方向，單位長度存儲二進(jìn)制信息的個數(shù)；
6．道密度：沿磁盤半徑方向，單位長度內(nèi)磁道的數(shù)目；
7. 數(shù)據(jù)傳輸速率R=B/T，B為一個磁道上記錄的字節(jié)數(shù)，T為每轉(zhuǎn)一周的時間
8．磁帶機的容量計算：（這些公式要熟悉記住）
數(shù)據(jù)傳輸率=磁帶記錄密度*帶速；
數(shù)據(jù)塊長度=字節(jié)數(shù)*塊因子/記錄密度+塊間間隔；
讀N條記錄所需時間T=啟停時間+有效時間+間隔時間；
RAID存儲器（廉價磁盤冗余陣列）：基本思想是用多個小的磁盤存儲器，通過合理的分布數(shù)據(jù)，支持多個磁盤同時進(jìn)行訪問，從而改善磁盤存儲器的性能。其采用的主要技術(shù)：
1． 分塊技術(shù)：把數(shù)據(jù)分塊寫到陣列中的磁盤上；
2． 交叉技術(shù)：對分布式的數(shù)據(jù)采用交叉式進(jìn)行讀寫，提高訪問速度；
3． 重聚技術(shù)：對多個磁盤空間重新編址，數(shù)據(jù)按照編址后的空間存放；
主要特點如下：
1． 物理上多個磁盤，但操作系統(tǒng)看是一個邏輯磁盤；
2． 數(shù)據(jù)分布在磁盤陣列中的磁盤存儲器上；
3． 采用冗余技術(shù)和校驗技術(shù)提高可靠性，可恢復(fù)數(shù)據(jù)；
4． RAID速度快、容量大、功耗低、價格便宜、容易擴展。
RAID0：無冗余、無校驗，具有最高的I/O性能和最高的磁盤空間利用率
RAID1：磁盤鏡像、磁盤利用率50%，具有最高的安全性
RAID2：海明碼糾錯、數(shù)據(jù)分塊、并行訪問、適合大批量數(shù)據(jù)、已很少使用
RAID3：奇偶校驗、數(shù)據(jù)分塊、并行訪問、單獨校驗盤
RAID4：奇偶校驗、獨立存取、單獨校驗盤、適合訪問頻繁、傳輸率低
RAID5：獨立存取、無單獨校驗盤、適合訪問頻繁、傳輸率低
Cache存儲器：（對系統(tǒng)和應(yīng)用程序員都是透明的）（重點）
Cache位于主存儲器與CPU通用寄存器組之間，全部由硬件來調(diào)度，用于提高CPU的數(shù)據(jù)I/O效率，對程序員和系統(tǒng)程序員都是透明的。Cache容量小但速度快，它在計算機的存儲體系中是訪問速度最快的層次。
使用Cache改善系統(tǒng)性能的依據(jù)是程序的局部性原理，即程序的地址訪問流有很強的時序相關(guān)性，未來的訪問模式與最近已發(fā)生的訪問模式相似。根據(jù)這一局部性原理，把主存儲器中訪問概率最高的內(nèi)容存放在Cache中，當(dāng)CPU需要讀取數(shù)據(jù)時就首先在Cache中查找是否有所需內(nèi)容，如果有則直接從Cache中讀??；若沒有再從主存中讀取該數(shù)據(jù)，然后同時送往CPU和Cache。
系統(tǒng)的平均存儲周期t3與命中率h有很密切的關(guān)系，如下的公式：
t3=h×t1+(1-h)×t2
其中，t1表示Cache的周期時間，t2表示主存的周期時間。#p#
當(dāng)CPU發(fā)出訪存請求后，存儲器地址先被送到Cache控制器以確定數(shù)據(jù)是否已在Cache中，若命中則直接對Cache進(jìn)行訪問，否則直接進(jìn)行主存訪問。
Cache的地址映射是指把主存地址空間映射到Cache地址空間，Cache和主存都使用同樣大小的塊為單位。Cache中常見的映射方法有三種。
直接映射：一對一,(不需要替換算法)
全相聯(lián)映射：多對多
組相聯(lián)映射：將塊劃分成組，主存中的一組與Cache相對應(yīng)，根據(jù)高位地址標(biāo)志符來訪問數(shù)據(jù)，組相聯(lián)可以允許相同的Block和word標(biāo)志，而tag標(biāo)志不同。
隨著程序的執(zhí)行，訪問頻繁地區(qū)將逐漸遷移，Cache中的內(nèi)容逐漸變得陳舊，訪問命中率下降，就需要更新內(nèi)容。常用的替換算法有三種。
隨機淘汰法：
先進(jìn)先出法FIFO：
近期最少使用法LRU：
對于這個算法可以從整體上把握，每個的優(yōu)點、缺點，不需要記算法的過程。
另外，為了保證環(huán)存在Cache中得數(shù)據(jù)與主存中的內(nèi)容一致，對寫操作來說有以下幾種方法：
寫直達(dá)：同時
寫回：
標(biāo)記法#p#
虛擬存儲器：（重點）（對應(yīng)用程序員透明）
虛擬存儲系統(tǒng)的作用是給程序員一個更大的虛擬的存儲空間，其容量可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過主存儲器的容量，而與輔助存儲器容量相當(dāng)。
我們提供給用戶的這個存儲器，即在軟件編程上可以使用的存儲器，就稱為虛擬存儲器。它的容量即虛擬存儲空間，簡稱虛擬空間。面向虛擬存儲器的編程地址稱為虛擬地址，或稱為邏輯地址。與主存和輔助存儲器地址相對應(yīng)。
為了實現(xiàn)虛擬存儲器，需將虛擬存儲空間與物理實存空間，按一定的格式分區(qū)組織管理，根據(jù)管理的方式不同可以分為三種虛擬存儲器：頁式、段式和段頁式。
頁式管理：
段式管理：
段頁式管理：
此外還可以增加一個小容量的高速存儲器實現(xiàn)一種快表查詢，而快表和慢表也構(gòu)成了兩級存儲器系統(tǒng)
另外，與Cache一樣，虛擬存儲器系統(tǒng)還需采用一定的調(diào)度策略實現(xiàn)主存內(nèi)容的變換，使當(dāng)前需要的程序和數(shù)據(jù)都在主存之中。常用的淘汰算法有：
FIFO算法：選擇最先進(jìn)入主存的頁面淘汰
LRU算法：選擇在最近一段時間內(nèi)訪問頻率最低的頁面淘汰
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