计算机存储器的层次结构

计算机系统组成是什么计算机系统是如何组成的计算机系统是由多个不同组件、部件和技术构成的复杂系统。

每个组件都有特定的功能和目的，合在一起形成了一个完整的计算机系统。

计算机系统的组成主要包括以下几个方面：中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备、操作系统和应用软件。

1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机系统的核心，负责执行程序和处理数据。

它通常由控制单元和算术逻辑单元组成。

控制单元负责指挥和协调系统的各个部件，实现程序的顺序执行，而算术逻辑单元则负责执行算术和逻辑运算。

2. 存储器：存储器用于存储数据和程序。

计算机存储器层次结构分为主存储器和辅助存储器。

主存储器通常是使用半导体材料制造的随机访问存储器（RAM），用于存储当前正在运行的程序和处理的数据。

而辅助存储器（如硬盘、固态硬盘和光盘等）则用于长期存储数据和程序。

3. 输入输出设备：输入输出设备用于与外部世界进行交互。

常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪和摄像头等，用于将数据和命令输入到计算机系统中。

而输出设备如显示器、打印机和音频设备等则用于将计算机系统处理的结果反馈给用户。

4. 操作系统：操作系统是计算机系统的核心软件，它协调和管理计算机系统的各个硬件和软件资源。

操作系统负责分配CPU时间、内存管理、文件系统管理、设备管理和用户接口等。

常见的操作系统包括Windows、macOS和Linux等。

5. 应用软件：应用软件是用户使用计算机系统解决问题和完成工作的工具。

它包括各种办公软件、娱乐软件、图形设计软件、数据库管理软件等。

应用软件使用户能够利用计算机系统的功能实现各种任务和目标。

计算机系统的组成是一个相互协作的整体。

中央处理器通过存储器获取指令和数据进行处理，然后将结果输出到输出设备中显示给用户。

操作系统负责管理各个组件的资源和协调他们之间的通信。

应用软件则建立在操作系统之上，充分利用计算机系统的硬件和操作系统提供的功能。

另外，计算机系统的组成还涉及到计算机体系结构、总线技术、输入输出控制等方面。

计算机原理存储器
计算机原理中，存储器是指计算机用来存储数据和程序的部件。

存储器一般分为内存和外存两种类型。

内存是计算机中用于存储当前运行程序和数据的存储器。

它分为主存和辅存两部分。

主存是计算机中最主要的存储器，由半导体存储芯片构成，通常包括随机访问存储器（RAM）和只
读存储器（ROM）。

RAM具有读写功能，用于临时存储运行
程序和数据，数据可以快速读取和写入。

而ROM是只读存储器，其中的数据是固化的，无法进行修改。

主存的容量通常较小，但速度快。

外存主要是指硬盘、光盘等可以作为辅助存储器使用的设备。

相比主存，外存容量大，但速度较慢。

外存被用于长期存储程序和数据，能够持久保存。

计算机在运行过程中，通常需要将外存中的数据加载到主存中进行操作。

存储器在计算机中起到了至关重要的作用，它直接影响到计算机的性能和数据的处理速度。

不同类型的存储器在容量、速度和价格等方面有所差异，计算机系统需要根据不同的需求来选择合适的存储器组合。

第四章存储器管理第0节存储管理概述一、存储器的层次结构1、在现代计算机系统中，存储器是信息处理的来源与归宿，占据重要位置。

但是，在现有技术条件下，任何一种存储装置，都无法从速度、容量、是否需要电源维持等等多方面，同时满足用户的需求。

实际上它们组成了一个速度由快到慢，容量由小到大的存储装置层次。

图4-1 计算机系统存储器层次示意图2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：容量很小、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：容量在若干KB、MB、GB，中等速度、中等价格、需要电源维持、CPU可直接访问；•磁盘高速缓存：一般设于主存中；•多种类型的磁盘：容量在数MB或数GB，低速、价廉、不需要电源维持、CPU不可直接访问；由操作系统协调这些存储器的使用。

二、存储管理(主存管理)的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在速度、规模和成本之间获得较好的权衡。

(注意CPU和主存储器，这两类资源管理的区别)2、存储管理的主要功能：•地址重定位•主存空间的分配与回收•主存空间的保护和共享•主存空间的扩充三、逻辑地址与物理地址1、逻辑地址(相对地址，虚地址)：用户源程序经过编译/汇编、链接后，程序内每条指令、每个数据等信息，都会生成自己的地址。

●一个用户程序的所有逻辑地址组成这个程序的逻辑地址空间(也称地址空间)。

这个空间是以0为基址、线性或多维编址的。

2、物理地址(绝对地址，实地址)：是一个实际内存(字节)单元的编址。

●计算机内所有内存单元的物理地址组成系统的物理地址空间，它是从0开始的、是一维的；●将用户程序被装进内存，一个程序所占有的所有内存单元的物理地址组成该程序的物理地址空间(也称存储空间)。

四、地址映射(变换、重定位)当程序被装进内存时，通常每个信息的逻辑地址和它的物理地址是不一致的，需要把(程序中的)逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；例如指令LOAD L，2500 /*将2500号单元内的数据送入寄存器L*/ ----P123图4-3 作业装进内存时的情况地址映射分静态和动态两种方式。

计算机体系结构中的缓存与存储器层次结构计算机体系结构中的缓存与存储器层次结构是现代计算机设计中非常重要的一部分。

缓存与存储器层次结构的设计，在提高计算机性能和运行效率方面起到了至关重要的作用。

本文将详细介绍计算机体系结构中的缓存与存储器层次结构的概念、功能以及优化策略。

一、缓存的概念与功能缓存是一种位于计算机处理器和主存之间的高速存储器，其目的是以更快的速度提供数据，从而减少处理器对主存的访问时间。

缓存通常采用了“局部性原理”，即在程序运行过程中，程序对数据的访问往往具有时间和空间的局部性特征。

因此，缓存会提前将程序可能频繁使用的数据从主存中复制到高速缓存中，以便在需要时快速访问，从而提高系统的整体性能。

缓存的功能主要包括存储数据和提供数据。

当处理器需要访问一个特定的数据时，首先会在缓存中进行查找。

如果缓存中存在该数据，则被称为“命中”，处理器可以直接从缓存中读取数据，从而节省了访问主存的时间。

如果缓存中不存在该数据，则被称为“未命中”，此时处理器需要从主存中读取数据，并将其复制到缓存中，以便下一次访问。

二、存储器层次结构存储器层次结构是计算机中各级存储器之间的层次化结构。

在存储器层次结构中，存储器按照访问速度和容量的大小分为若干级别，从而在提供足够大容量的同时，也保证了数据的高速访问。

存储器层次结构通常分为以下几个层级：寄存器、高速缓存、主存、磁盘存储器等。

其中，寄存器容量最小，但访问速度最快；高速缓存的容量比寄存器大，但访问速度比主存快；主存的容量比高速缓存大，但访问速度比磁盘存储器快。

三、缓存的优化策略为了充分发挥缓存的作用，并提高计算机的性能，设计人员采用了一系列优化策略：1. 块大小优化：缓存通过以固定的块大小存储数据。

选择适当的块大小能够提高缓存的命中率。

如果块大小太小，会增加不命中的次数；如果块大小太大，会浪费缓存容量。

因此，选择合适的块大小是一项重要的优化策略。

2. 替换算法优化：当缓存中的数据满时，新的数据需要替换掉已经存在的数据。

计算机存储器的层次结构
计算机存储器的层次结构通常分为以下几层：
1.寄存器：位于CPU内部的最高速度的存储器，可存储指令和数据。

2. 高速缓存（Cache）：位于CPU和主存储器之间的存储器，用于缓存经常使用的指令和数据。

由于其离CPU更近，因此速度更快。

3.主存储器（RAM）：位于主板上的存储器，用于存储正在被使用或者即将被使用的程序和数据。

4.辅助存储器：包括硬盘、固态硬盘、U盘、光盘等，用于长期存储数据和程序。

在计算机执行指令和读取数据时，会首先从寄存器中读取，如果寄存器中没有需要的数据，则去缓存中查找，如果缓存中也没有，则再从主存储器中读取。

如果需要的数据在主存储器中不存在，则会从辅助存储器中读取。

这样的存储器层次结构可以有效地提高计算机的运行效率和存储效率。

成考计算机试题及答案一、选择题1. 下面哪个是计算机的组成部分？A. 鼠标B. 显示器C. 键盘D. 打印机答案：A、B、C2. 计算机内部运算的基本单位是：A. 字节B. 位C. 字D. 千字节答案：B3. 常用的计算机操作系统有：A. WindowsB. LinuxC. iOSD. Android答案：A、B4. 在Microsoft Word中，Ctrl + S用于：A. 退出程序B. 打印文档C. 保存文档D. 复制文本答案：C5. 以下哪个是一种常见的图片文件格式？A. .txtB. .exeC. .jpgD. .mp3答案：C二、填空题1. CPU的英文全称是__________。

答案：Central Processing Unit2. 二进制数的基数是__________。

答案：23. 在计算机中，内存的单位是__________。

答案：字节4. HTML的英文全称是__________。

答案：HyperText Markup Language5. JavaScript是一种__________语言。

答案：编程三、简答题1. 请简要说明计算机网络的基本原理。

答：计算机网络是指将多台计算机通过通信线路连接在一起，实现信息的传输和共享。

计算机网络的基本原理包括以下几点：- 通信介质：计算机之间通过物理介质（如网线、光纤等）进行数据传输。

- 协议：计算机之间的通信需要事先约定好协议，以规定数据传输的格式和规则。

- 网络拓扑：计算机网络可以采用不同的拓扑结构，如星型、环形、总线等。

- 路由器与交换机：用于实现数据在不同网络之间的传递和转发。

- IP地址：每台计算机在网络中都有唯一的IP地址，用于标识和寻址。

2. 请简述计算机存储器的层次结构及其作用。

答：计算机存储器的层次结构分为以下几层：- 寄存器：位于CPU内部，速度最快，用于暂时存储指令和数据。

- 高速缓存：位于CPU与主存之间，速度较快，用于存储频繁使用的数据。

完整版计算机组成原理简答题计算机组成原理简答题第四章1、存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。

主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。

综合上述两个存储层次的作用，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。

主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。

而主存与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现，即将主存与辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间（物理地址空间）大得多的虚拟地址空间（逻辑地址空间）编程，当程序运行时，再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。

因此，这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。

2. 说明存取周期和存取时间的区别。

解：存取周期和存取时间的主要区别是：存取时间仅为完成一次操作的时间，而存取周期不仅包含操作时间，还包含操作后线路的恢复时间。

即：存取周期 = 存取时间 + 恢复时间3. 什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。

解：刷新：对DRAM定期进行的全部重写过程；刷新原因：因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充，因此安排了定期刷新操作；常用的刷新方法有三种：集中式、分散式、异步式。

集中式：在最大刷新间隔时间内，集中安排一段时间进行刷新，存在CPU访存死时间。

分散式：在每个读/写周期之后插入一个刷新周期，无CPU访存死时间。

异步式：是集中式和分散式的折衷。

4. 半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种？解：半导体存储器芯片的译码驱动方式有两种：线选法和重合法。

存储器层次结构存储器层次结构存储技术计算机技术的成功很⼤程度来源于存储技术的巨⼤进步。

早期的电脑甚⾄没有磁盘。

现在电脑上的磁盘都已经按T算了。

随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分两类：静态的：SRAM，⾼速缓存存储器，既可以在CPU，也可以在⽚下。

动态的：DRAM，⽤于主存或者图形系统帧缓冲区。

通常情况下，SRAM的容量都不会太⼤，⽽相⽐之下DRAM容量可以⼤得离谱。

静态RAMSRAM将每个位存储在⼀个双稳态存储器单元⾥，每个单元⽤⼀个六晶体管电路实现。

这种电路有⼀个属性，它可以⽆限期地保持两个不同的状态的其中⼀个，其他状态都是不稳定的。

如上图，它能稳定在左态和右态，如果处于不稳定状态，它就像钟摆⼀样⽴刻变成两种稳态的其中⼀种。

也因为它的双稳态特性，即使有⼲扰，等到⼲扰消除，电路就能恢复成稳定值。

动态RAMDRAM的每个存储是⼀个电容和访问晶体管组成，每次存储相当于对电容充电。

该电容很⼩，⼤约只有30毫微微法拉。

因为每个存储单元⽐较简单，DRAM可以造的⾮常密集。

但它对⼲扰⾮常敏感，被⼲扰后不会恢复。

因此它必须周期性地读出重写来刷新内存的每⼀位。

或者使⽤纠错码来纠正任何单个错误。

两者总结传统的DRAMDRAM芯⽚内的每⼀个单元被叫做超单元。

在芯⽚内，总共有d 个超单元，它们被排列成⼀个r×c ⼤⼩的矩阵，也就是说d=r×c，每个超单元都可以⽤类似(i,j) 之类的地址定位⽽每个超单元则是由w 个DRAM单元组成。

因此⼀个DRAM芯⽚可以存储dw 位的信息。

上图是⼀个16×8 的DRAM芯⽚的组织。

⾸先由两个addr引脚依次传⼊⾏地址i 和列地址j 。

每个引脚携带⼀个信号。

由于这是4×4 的矩阵，因此两个就够了。

然后定位到(i,j) ，将该地址的超单元信息传出去。

计算机系统层次存储结构当前计算机系统⼀般会采⽤层次结构存储数据，请介绍下典型计算机存储系统⼀般分为哪⼏个层次，为什么采⽤分层存储数据能有效提⾼程序的执⾏效率？答：所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量，存取速度和价格的存储器按照层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机的组合成为⼀个整体，使所存放的程序和数据按照层次分布在各种存储器中。

⽬前，在计算机系统中通常采⽤三级层次结构来构成存储系统，主要是由⾼速缓冲存储器cache，主存储器，和辅助存储器组成。

存储系统多级层次结构中，由上向下分为三级，其容量逐渐增⼤，速度逐渐降低，成本则逐次减少。

整个结构⼜可以看成两个层次：他们分别是主存---辅存层次和Cache---主存层次。

这个层次系统中的每⼀种存储器都不再是孤⽴的存储器，⽽是⼀个有机的整体。

他们在辅助硬件和计算机操作系统的管理下，可以把主存--辅存层次作为⼀个存储整体，形成的可寻存储空间⽐主存储器空间⼤得多。

由于辅存的容量⼤，价格低，是的存储系统的整体平均价格低。

由于Cache的存取速度可以喝cpu的⼯作速度相媲美，所以cache--主存层次可以缩⼩主存和cpu 之间的速度差距，从整体上提⾼存储器系统的存取速度。

尽管cache成本⾼，但是由于容量⼩，故不会使存储系统的整体价格增加。

综上所述，⼀个较⼤的存储系统是由各种不同类型的存储设备构成的，是⼀个具有多级层次结构的存储系统。

该系统既有与cpu相近的速度，⼜有极⼤的容量，⽽且成本较低。

其中⾼速缓存解决了存储系统的速度问题，辅助存储器则解决了系统的容量问题。

采⽤多级层次结构的存储器可以有效的解决存储器的速度，容量，价格之间的⽭盾。

计算机结构化面试题及答案一、计算机基础知识1. 什么是计算机的主要组成部分？答：计算机的主要组成部分包括中央处理器（CPU）、内存、输入设备、输出设备和存储设备等。

2. 请简要解释计算机的存储器层次结构，并举例说明。

答：计算机的存储器层次结构按照速度和容量递增，拥有多层次的存储设备。

其中包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。

以CPU寄存器为最快、容量最小的存储设备，高速缓存为介于寄存器和主存之间的存储设备，主存储器则为存放程序和数据的主要存储设备，辅助存储器如硬盘和光盘等容量更大、速度较慢的存储设备。

举例：寄存器位于CPU内部，速度非常快，用于存储最常用的数据或指令；高速缓存则是位于CPU与主存储器之间的存储设备，加快了数据的读写速度；主存储器如RAM（随机访问存储器）一般是直接与CPU相连的，常用于存储正在运行的程序和数据；辅助存储器如硬盘用于长期储存大量的程序和数据。

二、计算机网络与通信1. 请解释OSI参考模型中的每个层次，并说明每层的功能。

答：OSI（Open Systems Interconnection）参考模型是国际标准化组织制定的网络通信协议的参考模型。

它将网络通信分为七个层次，每个层次具有特定的功能。

①物理层（Physical Layer）：负责传输比特流，控制数据在物理媒介上的传输。

②数据链路层（Data Link Layer）：提供无差错的传输，并建立起直接相连的节点之间的可靠连接。

③网络层（Network Layer）：通过建立路由机制，实现数据在网络中的传输，包括寻址、路由选择和分组转发等功能。

④传输层（Transport Layer）：负责数据的分段和重组，并且可通过建立端到端的连接提供可靠的数据传输服务。

⑤会话层（Session Layer）：提供多个应用程序之间的对话控制和同步。

⑥表示层（Presentation Layer）：提供数据格式的转换和编码、解码的功能，确保数据能够被正确地解释。

层次化存储器基本结构层次化存储器是计算机系统中重要的存储器层次结构之一，它由多层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。

在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调，以提高系统的存储器性能和效率。

一、层次化存储器的概念层次化存储器是指计算机系统中采用多层次存储器结构的存储器系统。

它由多个层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。

一般来说，层次化存储器由高速缓存、主存储器和辅助存储器三个层次组成。

其中，高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，速度最快，容量最小；主存储器是位于CPU外部的二级缓存，速度较快，容量较大；辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，速度较慢，容量最大。

二、层次化存储器的特点1. 高速缓存：高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，具有很快的访问速度和较小的容量。

它能够缓存CPU频繁访问的数据和指令，以提高系统的执行效率。

2. 主存储器：主存储器是位于CPU外部的二级缓存，具有较快的访问速度和较大的容量。

它是CPU和辅助存储器之间的桥梁，负责数据的传输和临时存储。

3. 辅助存储器：辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，具有较慢的访问速度和最大的容量。

它主要用于长期存储和备份数据，以及作为主存储器的扩展。

三、层次化存储器的工作原理在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调工作。

当CPU需要访问数据或指令时，首先会在高速缓存中查找，如果找到了，则直接进行访问；如果没有找到，则会在主存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到高速缓存中，并进行访问；如果还没有找到，则会在辅助存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到主存储器中，并再次进行查找和访问。

四、层次化存储器的优势层次化存储器的设计思想是利用不同层次的存储器的特点和优势，以提高系统的存储器性能和效率。

具体优势如下：1. 提高存储器访问速度：高速缓存和主存储器具有较快的访问速度，可以满足CPU对数据和指令的快速访问需求，提高系统的执行效率。

存储器的基本编址单位一、什么是存储器在计算机中，存储器是用于存储和检索数据的硬件设备。

存储器分为主存储器和辅助存储器两种类型。

其中，主存储器用于暂时存储计算机正在运行的程序和数据，而辅助存储器则用于永久性地存储程序和数据。

二、存储器的基本编址单位存储器的基本编址单位是指最小可寻址的存储单元。

在计算机体系结构中，存储器的基本编址单位通常被称为字节（Byte）。

2.1 字节的定义字节是计算机存储器中数据的基本单位，它的大小由计算机体系结构规定，通常为8个二进制位（bit）。

一个字节可以存储一个字符，或者8个二进制位的数据。

2.2 字的概念在一些特定的计算机体系结构中，字是指存储器中能一次性读写的位数。

字的大小可以是8位、16位、32位或64位，具体取决于计算机的体系结构。

2.3 存储器的地址和寻址存储器的地址是指存储器中每个存储单元的唯一标识。

通过地址，计算机可以准确地找到存储器中存储的数据。

存储器的寻址是通过地址来定位存储单元并进行读写操作。

2.4 字节编址在大多数计算机体系结构中，存储器以字节为基本编址单位。

每个字节都有一个唯一的地址，可以单独进行读写操作。

存储器中的每个字节都可以通过地址来访问。

三、存储器的层次结构存储器的层次结构是指按照速度、容量和成本等因素将存储器划分为多个层次的结构。

存储器的层次结构包括主存储器、高速缓存和辅助存储器等。

3.1 主存储器主存储器是计算机体系结构中最接近CPU的存储器层次。

它通常由动态随机存取存储器（DRAM）或静态随机存取存储器（SRAM）构成。

主存储器具有较快的访问速度，但容量较小。

3.2 高速缓存高速缓存是位于主存储器和CPU之间的存储器层次。

它用于暂存CPU频繁访问的数据和指令。

高速缓存具有比主存储器更快的访问速度，但容量较小。

3.3 辅助存储器辅助存储器是用于永久性地存储程序和数据的存储器层次。

它通常以硬盘、固态硬盘或光盘等形式存在。

辅助存储器具有较大的容量，但访问速度较慢。