2008年下半年系分专题（计算机硬件基础知识三）

内存:
概述:
计算机中的存储系统是用来存储数据和程序的。对存储器最基本的要求是存储容量大，存取速度快，成本低。为了满足这一要求，提出了一种多级存储结构。一般分为三个层次:缓存、主存和外存，有时还包括CPU内部的寄存器和控制内存。
◆衡量内存的主要因素:内存访问速度、内存容量、内存价格；
◆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(bank+地址寄存器+数据缓冲+时序控制)；
◆存储架构从上层到下层离CPU越来越远，存储容量越来越大，每一位的价格越来越便宜，存取速度越来越慢
存储系统由分布在计算机不同部位的多种存储设备、位于CPU内部的寄存器和用于CU的控制寄存器组成。内存是处理器可以直接访问的内存，也叫主内存。外部存储器需要通过I/O模块与处理器交换数据，也称为辅助存储器。为了弥补CPU处理器速度的差异，还设置了一个缓存，它容量小但速度极快，位于CPU和主存储器之间，用于存储CPU正在执行的程序段和所需的数据。
整个计算机的内存架构:
通用寄存器文件-指令和数据缓冲栈-—Cache(静态随机存取存储器RAM)-主存(动态随机存取存储器DRAM)-在线外存(磁盘存储器)-离线外存(磁带、光盘存储器)
通常衡量主存容量的单位是字节或字，但外存。单词是记忆组织的基本单位。一个字可以是一个字节，也可以是多个字节。
信息存取方法:信息的存取方法影响存储信息的组织，常用的方法有四种。
◆顺序访问
内存中的数据是以记录的形式组织的，对数据的访问必须按照特定的线性顺序进行。磁带存储的存取方式是顺序存取。
◆直接访问
共享读写设备，但是每条记录都有唯一的地址标识符，共享读写设备可以直接移动到目标数据块的位置进行访问。因此，访问时间也是可变的。这种磁盘存储方式。
◆随机存取
存储器的每个可寻址单元都有一个地址和一个读写设备，系统可以在同一时间内访问任意存储单元的数据，不考虑之前的访问顺序。主存采用这种方式。
◆关联访问
也是随机访问的一种形式，但是选择一个单元格进行读写取决于它的内容而不是它的地址。缓存可能使用此方法来访问。
衡量内存系统性能的指标有以下几个:
& Oslash；存取时间:一次读写内存的时间
& Oslash；内存带宽:每秒可以访问的位数。
& OS lash；内存周期:两次相邻访问之间的时间
& Oslash；数据传输速率:每秒钟数据传输的位数。
主存:
主存是指CPU可以直接编程访问的内存，它存储着要执行的程序和要处理的数据。因为通常是在所谓主机的范畴内，所以常被称为内存。如果存储器的地址是n位，则容量是2倍。
主存有很多种，包括:
& Oslash；随机存取存储器(RAM):读写、随机存取、断电
& Oslash；只读存储器(ROM):只能读取原内容，不能写入新内容
& Oslash；可编程只读存储器(PROM)
& OS flash；可擦除可编程只读存储器(EPROM)
& Oslash；电可擦除可编程只读存储器(e 2 PROM)
& OS flash；Flash存储器
实际的存储器总是由一个或多个带有控制电路的存储芯片组成，其容量往往用W× B来表示，W代表存储器的字数，b代表每个字由多少位组成。
辅助内存:
由于主内存的容量有限(受地址位数、成本、速度等因素限制)，大多数计算机系统都配备了一流的大容量内存，作为主内存的补充和备份。它们位于主机的逻辑范畴之外，通常被称为外部存储器，或简称为外部存储器。
外存的特点是容量大、可靠性高、价格低。主要有两类。
◆磁面存储:这种外部存储主要包括磁带和磁盘存储。
▲磁带
磁带存储设备是一种顺序存取设备，存取时间长但存储容量大。磁带上的信息以文件块的形式存储，携带方便，价格低廉。按其读写方式可分为起止式和数据流式两种。
▲磁盘存储
磁盘存储是目前应用最广泛的外部存储。它访问速度快，存储容量大，适合经常通话的场合。它通常用作主内存的直接备份，并为虚拟存储提供物理基础。可以分为软盘和硬盘。
◆光存储器
光盘存储器利用激光束在记录面上存储信息，根据激光束的反射光读出信息。按其记录原理可分为形变型、相变型(晶体结构)和磁光型。有光盘、光驱、WORM、EOD等。
CD-ROM:只读光盘，只能写一次数据。制造商写入数据并永久保存。
CD-WO:可由用户一次性写入，写入后不可修改或擦除，但可多次读取。
CD-MO:可擦写的光盘，可以读写数据；
光盘存储的特点:
大容量、标准化、兼容性、耐久性、实用性
辅助存储的计算:
1 .存储容量为capacity=n*t*s*b，n为存储数据的磁盘总数；t是每侧的轨道数；s是每个通道的扇区号；b每个扇区存储的字节数
2。寻道时间是磁头移动到目标磁道所需的时间。
3。等待时间是读写扇区在磁头下旋转所需的时间。一般取轨道转一圈所需时间的一半作为平均等待时间。
4。磁盘访问时间=寻道时间+等待时间。
5。位密度:沿磁道方向每单位长度存储的二进制信息的数量；
6。磁道密度:沿磁盘半径每单位长度的磁道数；
7。数据传输速率R=B/T，B是记录在一个磁道上的字节数，T是每转的时间
8。磁带机的容量计算:(这些公式要熟悉并记住)
数据传输速率=磁带记录密度*带速；
数据块长度=字节数*块因子/记录密度+块间距；
读取N条记录所需的时间T=起止时间+有效时间+间隔时间；
例:
假设一个三盘的硬盘有四个记录面，转速为7200 rpm。磁盘表面有效记录区的外径为30cm，内径为30cm，记录位密度为250位/mm，磁道密度为8磁道/mm，每个磁道被分成16个扇区，每个扇区512字节。那么硬盘的未格式化容量和格式化容量大概是__(58)__ _，数据传输速率大概是_ _(58)_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
(58)a . 120 MB和1OOMBB.30MB和25MBC。60MB和50MBD.22.5MB和25mb
(59)a . 2356 kb/sb . 3534 kb/sc . 7069 kb/SD . 1178 kb . a .存储在同一磁盘上其他编号的磁道上。b .存储在具有相同编号的其他磁盘上
C .存储在其他磁盘上的其他编号轨道上。d .随机存储
58: b 59: d 60: b
RAID内存(廉价磁盘冗余阵列):基本思想是用几个小磁盘内存合理分配数据。采用的主要技术有:
1。块技术:将数据块写入阵列中的磁盘；
2。交叉技术:交叉读写分布式数据，提高访问速度；
3。重组技术:重新寻址多个磁盘空，按照寻址的空存储数据；
主要特点如下:
1。物理上多个磁盘，但操作系统看起来像逻辑磁盘；
2。数据分布在磁盘阵列中的磁盘存储器上；
3。采用冗余技术和校验技术，提高可靠性，恢复数据；
4。RAID速度快，容量大，功耗低，价格便宜，易于扩展。
RAID0:无冗余，无验证，磁盘间I/O性能和利用率空
RAID1:磁盘镜像，磁盘利用率50%，具有安全性
RAID2:汉明码纠错，数据分块，并行访问，适合大数据量，很少使用
RAID3:奇偶校验，数据分块，并行访问，单校验磁盘
RAID4:奇偶校验，独立访问，单校验磁盘，适合频繁访问， 低传输速率[/
Cache适合频繁访问和低传输速率的内存:(对系统和应用程序员都透明)(重要)
Cache位于主存和CPU通用寄存器组之间，全部由硬件调度，提高CPU的数据I/O效率，对程序员和系统程序员都透明。 Cache容量小但速度快，是计算机存储系统中最快的存取级。
利用缓存提高系统性能是基于程序局部性原理，即程序的地址访问流具有很强的时间相关性，未来的访问模式与最近的访问模式相似。根据这种局部性原则，主存中的访问概率内容存储在缓存中。当CPU需要读取数据时，首先查找缓存中是否有需要的内容，如果有，可以直接从缓存中读取。如果数据不是从主存储器中读取的，它将同时被发送到CPU和缓存中。
系统的平均存储周期t3与命中率H密切相关，如下式所示:
t3=h×t1+(1-h)×t2
其中t1代表缓存的周期时间，t2代表主存的周期时间。
当CPU发送内存访问请求时，内存地址被发送到缓存控制器，以确定数据是否已经在缓存中。如果命中，会直接访问缓存；否则，它将直接访问主内存。
Cache的地址映射是指将主存地址空映射到Cache地址空。缓存和主内存都使用相同大小的块。缓存中有三种常见的映射方法。
& OS lash；直接映射:一对一，(不需要替换算法)
& OS lash；完全关联映射:多对多
& Oslash；组关联映射:将块分成组，主存中一组对应缓存，根据高阶地址标识符存取数据。组关联可以允许相同的块和字标志，但允许不同的标记标志。
随着程序的执行，频繁访问的区域会逐渐迁移，缓存中的内容会逐渐陈旧，访问命中率会下降，因此需要更新内容。有三种常见的替换算法。
& OS lash；随机淘汰法:
& OS lash；FIFO:
& OS flash；LRU:
这个算法可以作为一个整体来把握，每一个的优缺点不用去记忆。
另外，为了保证缓存中的数据和主存中的内容一致，写的方法有以下几种:
& Oslash；直接写:同时
& Oslash；回写:
& OS lash；标记方法
例:
●一般来说，缓存的作用__(53)_。32位计算机的缓存容量为16 KB，缓存块大小为16KB。如果主存和缓存地址直接映射，那么主存地址为1234E8F8(十六进制)的单元加载的缓存地址为__(54)_。以下缓存替换算法中，平均命中率为__(55)_。
(53) A .全部由软件实现
B .全部由硬件实现
C .软硬件结合
D .有些计算机是由硬件实现的， 有些计算机是用软件实现的
(54) A. 00 0100 0100 1101(二进制)
B. 01 0010 0011 0100(二进制)
C. 10 1000 1111 1000(二进制)
(55) A .先入先出(FILO)算法

我们提供给用户的内存，也就是可以用于软件编程的内存，叫做虚拟内存。其容量为虚拟存储空室，简称虚拟空室。虚拟内存的编程地址称为虚拟地址或逻辑地址。对应于主存储器和辅助存储器地址。
为了实现虚拟存储，虚拟存储空和物理存储空要按照一定的格式进行组织和管理。根据管理方式的不同，虚拟存储可以分为三种类型:页面型、段型和段页面型。
& OS lash；页面管理:
& OS lash；细分市场管理:
& o flash；页面管理:
此外，还可以增加一个小容量的高速内存，实现快速表查询，快速表和慢速表也组成了两级内存体系
。另外，和缓存一样，虚拟内存系统需要采用一定的调度策略来实现主存内容的转换，使当前需要的程序和数据都在主存中。常用的消去算法有:
& OS lash；FIFO算法:选择主存中最高级的页面，消除
& Oslash；LRU算法:选择最近一段时间内访问频率最低的页面进行淘汰。