1.3.3 存储系统
存储器分类
存储器按照所处位置、制作材料、访问方式、寻址方式、工作方式可以分成多种类型。
- 位置：在主机或主板上的是内存，否则是外存。
- 材料：磁存储器，如磁带。半导体存储器。光存储器，如光盘。
- 访问方式：按地址方式的存储器，按内容访问的存储器。
- 寻址方式：随机存储器，访问任何一个存储单元所需时间相同。顺序存储器，访问所需时间与存储位置相关，如磁带。直接存储器，介于随机和顺序之间，例如光盘，对磁道的寻址是随机的，在磁道内寻址是顺序的。
- 工作方式：
（1）读写存储器（RAM），既可读取，也可存入。有易失性，即断电后所存信息丢失。
（2）只读存储器（ROM），非易失性，即断电后存储信息还在。
a. 固定存储器（ROM)，厂家生产时写死数据，无法被修改。用于存放系统BIOS、微控制程序。
b. 可编程的只读存储器（PROM），内容由用户一次性写入，之后无法修改。
c. 可擦除可编程只读存储器（EPROM），由用户写入信息，写入后可用紫外线擦除。
d. 电擦除的可编程只读存储器（EEPROM），与EPROM类型，不过是用电擦除信息。
e. 闪速存储器（Flash Memory），特性介于EPROM和EEPROM之间，擦除信息速度快。
存储器的层次结构
存储系统由不同类型的存储器+硬件+软件组成。
计算机存储系统常用三级结构描述，包括高速缓存、主存储器（MM）、辅助存储器（外存储器）。Cache可用于显著提高计算机系统的工作速度，非必须的功能部件。
主存储器
主存储器的存储体由读写存储器和只读存储器组成，其中大部分空间是读写存储器。
具体来讲，主存储由地址寄存器、数据寄存器、存储体、地址译码线路、主存控制线路组成。
能够进行读操作和写操作。
读操作：CPU把存储单元地址送入地址寄存器，经过地址译码线路获取存储体对应存储单元，主存控制线路发出读指令，将被选存储单元的内容读入数据寄存器。
写操作：CPU把写入存储单元地址送入地址寄存器，经过地址译码线路获取存储体对应存储单元，主存控制线路发出写指令，将数据寄存器的内容写入被选存储单元。
主存储器的性能指标有4个。
- 内存容量：B,KB,MB,GB,TB,PB,EB表示的单位从小到大，相邻单位差1024倍。1KB=1024B。
- 存储时间：取数时间是存储器从接收读命令到完成所需的时间。存取周期是存储器2次操作之间所需的最小时间间隔，半导体存储器的存取周期一般是60~100ns。
- 可靠性：平均故障时间（MTBF）衡量，是指2次故障之间的平均时间间隔。
- 带宽（Band Width）：用数据传送率描述，即每秒传送的数据位数。
高速缓存的特点及组成
Cache用于对主存中的即将使用的数据进行临时复制，提升计算机的运行速度。其利用了程序执行的局部性特点。
局部性特点包含时间局部性、空间局部性。
- 时间局部性：某指令执行后，不久后可能再次被执行；某数据被访问后，不久后可能再次被访问。
- 空间局部性：程序访问了某个存储单元，不久后其附近存储单元也将被访问。
Cache的特点：
- 位于CPU和主存之间，容量小，几KB~几MB。
- 速度快，是主存的5~10倍。
- 其内容是主存内容的副本。
Cache由控制部分和存储部分组成。CPU访问的数据如果已在Cache中，则直接访问，否则从主存读取数据，并按替换原则更新Cache存储的数据。CPU执行写入操作，将数据直接写入主存。
外存储器的种类和特点
外存储器用于存放暂时不用的程序和数据。相对于内存，容量大，速度慢。
CPU不能直接访问外存，将数据以文件为单位调入内存，才可被访问。
常用的存储器类型如下：
- 磁盘存储器：由盘片、驱动器、控制器和接口组成。盘片存储信息。驱动器控制磁头沿着盘片径向运动以寻找目标磁道，驱动盘片以额定速率旋转，控制数据的读写。控制器接收主机命令，转成磁盘驱动控制命令，实现主机与驱动间数据格式转换。接口是主机和磁盘的连接部件。
- 硬盘：由固态硬盘、机械硬盘、混合硬盘。技术指标有3个
（1）存储容量：能存储的二进制信息总量。
格式化容量 = 每个扇区字节数 X 每道的扇区数 X 每个记录面磁道数 X 记录面数
（2）平均访问时间：发出读写命令，至磁头移动到指定位置所需时间。
平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间
平均寻道时间，磁头移动到目标磁道所需时间。
平均等待时间，待读写的扇区转到磁头下方所需时间。
（3）数据传输率：磁头找到数据地址后，单位时间读/写的字节数。
数据传输率 = 每个扇区的字节数 X 每道的扇区数 X 磁盘的转速 - 光盘：用聚焦激光束在盘式介质非接触地记录高密度信息的存储装置。由于非接触式，光盘的寿命长，机械振动问题少，可靠性高。
- USB: USB移动硬盘和USB闪存盘。特点是存储容量大，支持热插拔（即插即用）。传输速率与采用的USB接口标准相关。
云存储：将网络中大量存储设备集合起来协同工作，对外提供数据存储和业务访问功能的系统。
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