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(004)计算机系统——体系结构存储系统

分类: 文章 • 2024-05-25 21:20:34
  • 存储器是计算机的记忆，存储着程序和数据
  • 存储器按照存取速度分为(速度又高到低、容量大小又小到大、单位制造成本又高到低)：
  1. 寄存器（MB）；
  2. Cache（高速缓冲存储器）；
  3. 主存储器；
  4. 辅存储器（1T：500RMB）；

  • 存储器的存取方式：
    (004)计算机系统——体系结构存储系统

  • 存储器的性能：存取时间；存取带宽；存取传输效率

  • 存取时间：随机是完成一次读写所花的时间，非随机存取是将读写装置一道目的位置所用时间

  • 存储器带宽：每秒能访问的位数。存储器的带宽周期是纳秒级的。

计算公式为（b：字节）：1/存储器周期*每周期可访问的位数*8（b）

频率和周期是倒数关系

数据传输率：每秒输入/输出的数据位数（对随机存取而言，传输率=1/存储器周期）

例：地址编号从00000H到79999H且按字节编址的内存容量为多大KB，若用16K*4bit的存储芯片构成内核，需要多少片？

解：内存容量是：79999-00000+1=80000（16）转换成十进制是8*16的4次方=524288字节，也就是524288字节/1024(KB)=512KB

所需要的存储芯片个数=设计的内存容量/单个存储芯片的容量=512*1024B/(16*1024*4*0.125)B=64块

主存储器

主存储器的分类：

（1）RAM：随机存储器，可读写，只能暂存数据，断电后数据丢失

  • SRAM：静态随机存储器，代表是Cache。在不断电时信息能一直保存，读写速度快，成本高，多用于容量较小的高速缓冲存储器
  • DRAM：动态随机存储器，代表是主存储器。需要定时刷新以维持信息不丢失，读写较慢，集成度高，生产成本低。

（2）ROM：只读存储器，使用掩膜技术写入，写入时间是出厂前，用途是：存放BIOS和微程序控制，举例：小霸王游戏机游戏卡

（3）PROM：可编程 ROM，只能写入一次，写入方式：特殊电子设备进行写入

（4）EPROM：可擦除的PROM，可多次写入/擦除

（5）E的平方PROM：电可擦除EPROM，可写入，速度慢

（6）Flash Memory：闪速存储器，特性介于EPROM和E的平方ROM之间。缺点：不能进行字节级别的删除操作

（7）CAM：相联存储器，一种特殊的存储器，按内容进行访问的存储设备。其速度比按地址进行读写的方式要快

辅助存储器

辅助存储器的分类

（1）磁带：按照顺序存储的一种设备，特点：存储容量大，价格便宜，适合数据的备份存储

（2）磁盘：根据柱面、盘面、扇区可以确定数据所在的位置的一种存储设备。

（3）光盘：CD，VCD，DVD，特点：靠表面（光面）反射激光读取数据，存取速度比磁盘慢。缺点：不易长期保存，光面容易被破坏如剐蹭，变形。

（4）RAID：独立（便宜）磁盘冗余阵列。将多个相对便宜的磁盘组合起来，成为一个磁盘组，配合数据分散排列的设计，提升数据安全性能和整个磁盘系统的效能。特点：利用错磁盘来提升数据传输率（多个文件并行读写）；通过数据冗余与校验实现可靠性（不同文件块存储在不同的磁盘中）。应用是：分块技术、交叉技术和重聚技术。

RAID分类

（1）RAID 0级（无冗余和无校验的数据分块技术）：将连续的数据F分散到多个磁盘D上存取，这时需要读取/写入的请求被多个磁盘响应，并行执行，即每个磁盘执行属于各自的任务请求。例如：将F1……F10这10个文件存储在D1、D2、D3上。D1对应 的文件是F1、F4、F7、F10；D2对应的是F2、F5、F8；D3对应的是F3、F6、F9。优点是：数据上的并行执行充分利用总线的宽度，显著提高磁盘整体存取性能（易管理、磁盘利用率高）。缺点是：不提供数据冗余，一旦数据损坏，损坏数据无法恢复。用途是：适用于对性能要求高，但对数据安全要求低的领域，如：图形工作站等，对个人而言也是提高硬盘存储性能的绝佳选择。

（2）RAID 1级（磁盘镜像整列）：组成是成对的磁盘，即一个工作盘、一个镜像盘。每个工作盘的数据都对应有镜像盘，镜像盘上保存着完全相同的数据，具有最高的安全性，但磁盘空间利用率只用50% 。用途是：RAID 1级用于存放系统软件、数据及其他重要文件。

（3）RAID 2级（采用纠错海明码的磁盘整列，海明码出现在数据的第2的N次方位上（N=0，1，2……））。采用技术是海明码纠错技术，即用户增加校验盘来提供纠错和验错功能。磁盘驱动器组中校验盘的位置也是第2的N次方个（N=0，1，2……），用于校验和纠错，其余的用来存数据。RAID2最少需要三个磁盘（前两个是校验盘，第三个是数据盘）的整列方能工作。磁盘越多其空间利用率越高。

（4）RAID 3级（采用奇偶校验码的并行传送）：RAID3将数据分成多个块，按奇偶校验算法存放在N+1个磁盘上。实际数据占用的有效空间为N个磁盘，第N+1个磁盘存放校验容错信息。特点是：当N+1个硬盘中的一个硬盘出现故障的时候，从其他N个盘中可以恢复原始数据。因此，RAID3安全性可以得到保障。用途是：RAID3比较适合大文件类型且安全性要求较高的应用，如视频编辑、硬盘播放机和大型数据库等。

（5）RAID 4级（带奇偶检验码的独立磁盘结构），与RAID3相似，不同的是RAID4不把单个文件数据分成多个块，而是作为一个数据块存储在一个磁盘上，最后一个是校验盘。每次写数据都要访问校验盘。缺点是：奇偶校验盘的写操作成为RAID4效率的瓶颈。商业化很少用到。

（6）RAID 5级（无独立校验盘的奇偶校验码磁盘阵列）：RAID5是把数据和奇偶检验信息存储到RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验码和相对应的数据分别存储在不同的磁盘上（这样的话，如果RAID5的一个磁盘数据损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据）。RAID5的磁盘空间利用率较高=（N-1）/N。RAID4和RAID5都使用了独立存取技术，整列中每一个磁盘都相互独立操作，因此I/O请求可以并行处理。可用于I/O请求率高的应用，而不适合高数据传输率的应用。

（7）RAID 6级（具有独立的数据硬盘与两个独立的分布式校验方案）在RAID5的基础上，提高了数据保护的一种RAID方式，属于RAID5扩展等级。与RAID5不同的是：除了每个硬盘上都有统计数据的XOR校验区外，还有一个针对每个数据块的XOR校验区。每个数据块都有两个校验保护，所以RAID6的数据冗余性能相当好。缺点：性能低一些（由于增加了一个校验，所以写入相率低于RAID5）。同时控制系统的设计也较为复杂，有效存储空间也相对RAID5减少，

（8）RAID 10级（将RAID1和RAID0结合起来，即RAID0+1是磁盘分段及镜像的结合，结合两者的优点）。RAID10级采用两组RAID0的磁盘整列互为镜像，他们之间又成为一个RAID1阵列。

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