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存储器系统（6116）第4章存储器系统引⼊：电⼦计算机是20世纪⼈类最伟⼤的发明之⼀。
随着计算机的⼴泛应⽤，⼈类社会⽣活的各个⽅⾯都发⽣了巨⼤的变化。
特别是微型计算机技术和⽹络技术的⾼速发展，计算机逐渐⾛进了⼈们的家庭，正改变着⼈们的⽣活⽅式。
计算机逐渐成为⼈们⽣活和⼯作不可缺少的⼯具，掌握计算机的使⽤也成为⼈们必不可少的技能。
本章知识要点：1）存储器的分类和三层体系结构2）RAM、ROM芯⽚的结构、⼯作原理3）存储器的扩展⽅法4）⾼速缓冲存储器技术5）虚拟存储器技术6）存储保护4.1 存储器概述4.1.1 存储器的分类在计算机的组成结构中，有⼀个很重要的部分，就是存储器。
存储器是⼀种记忆部件，是⽤来存储程序和数据的，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常⼯作。
存储器的种类很多，常⽤的分类⽅法有以下⼏种。
⼀、按其⽤途分（1）内存储器内存储器⼜叫内存，是主存储器。
⽤来存储当前正在使⽤的或经常使⽤的程序和数据。
CPU可以对他直接访问，存取速度较快。
（2）外存储器外存储器⼜叫外存，是辅助存储器。
外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相⽐就显得慢的多。
外存的特点是容量⼤，所存的信息既可以修改也可以保存。
存取速度较慢，要⽤专⽤的设备来管理。
计算机⼯作时，⼀般由内存ROM中的引导程序启动程序，再从外存中读取系统程序和应⽤程序，送到内存的RAM中，程序运⾏的中间结果放在RAM中,（内存不够是也可以放在外存中）程序的最终结果存⼊外部存储器。
⼆、按存储介质分（1）半导体存储器早期的半导体存储器，普遍采⽤典型的晶体管触发器和⼀些选择电路构成的存储单元。
现代半导体存储器多为⽤⼤规模集成电路⼯艺制成的⼀定容量的芯⽚，再由若⼲芯⽚组成⼤容量的存储器。
半导体存储器⼜分为双极型半导体存储器和MOS 型半导体存储器。
（2）磁表⾯存储器再⾦属或⾮⾦属基体的表⾯上，涂敷⼀层磁性材料作为记录介质，这层介质称为磁层。
主数据存储的六个级别主存储大致可分为六种不同的级别，你所在的公司的性质和需求将决定哪一级存储才是最佳选择。
第一级：点对点存储（peer to peer）用户：2〜10个成本：零冗余性：没有凡是拥有电脑的人，对于点对点存储概念都应该很熟悉。
实际上，每个用户的工作站中都存储着用户自己的数据。
万一数据需要与人共享，操作系统内置的技术允许别人看到这些数据。
这种存储成本低廉，又异常简单。
对于个人和小公司来说，这常常是最佳方案。
考虑到员工数量不到10人的公司和企业有成千上万个，点对点存储在所有数据存储中占到了很大比例。
但公司规模扩大后，管理多个不可靠的存储孤岛会变得越来越困难。
大多数台式机操作系统在统一安全方面也提供不了多少功能，所以，用户数量稍多后，这种模式就很难安全地支持用户存储。
第二级：文件服务器用户：10〜数百个成本：2000〜5000美元冗余性：很低例子：微软Windows Server和Buffalo TeraStation III这比分散的、基于工作站的主存储要高一个阶段，它把所有共享数据合并到了一台专用服务器上。
这样一来，公司就能针对所有关键任务数据，实现数据保护和安全模式的标准化。
数据集中存储还降低了冗余方面的投入成本，无论是购买冗余磁盘阵列还是冗余电源。
大多数文件服务器就是一台基于行业标准的服务器，配备了通用服务器操作系统和专门用于共享文件的多个直接连接磁盘。
不过，许多低端NAS设备也属于这一类。
随着这种NAS设备在大大小小的公司中越来越常见，有必要指出的是，它们实际上与文件服务器毫无二致。
但到了某个时候，单一的文件服务器或NAS设备就满足不了企业发展的需要了，这时最常见的办法就是添加更多的文件服务器。
如果以后一直采用这种做法，困扰点对点存储的问题同样又会出现。
那样的话，管理员的任务不是维护单一存储池，而是要做许多管理工作。
同样，设备数量增加后，因硬件故障而导致的数据丢失的风险会成倍增加。
计算机常用的三级存储体系在我们日常生活中，存储东西真的是一门大学问。
想想看，你的手机里存着多少照片、视频，还有那些有用的文件。
每次看着满满当当的存储空间，心里总会冒出一个疑问：这些数据到底是怎么管理的？说到这里，咱们就不得不提到计算机的三级存储体系。
这个名字听上去高大上，其实说白了就是存储数据的不同层次，简单易懂又能让你对计算机有更深的了解。
让我们聊聊一级存储，也就是咱们常说的“寄存器”和“缓存”。
嘿，你可以把它想象成一个快速的小仓库，里面储存着最常用的数据和指令。
就像你在厨房里常用的调料罐，盐、糖、酱油总是放在手边，想用就能立刻拿到。
寄存器是CPU里的一部分，速度飞快，几乎可以说是计算机里的“超跑”。
缓存则稍微大一些，但也得非常迅速。
哎呀，这俩东西的速度和效率，简直能让你忍不住拍手叫好。
然后就是二级存储，咱们通常称为“主存”或“内存”。
这个就像是你的冰箱，虽然没有那么快，但却能存放大量的数据。
你想想，冰箱里有多少东西能让你一顿饭不愁？同样，内存中储存着程序运行时所需的数据和指令。
这部分存储可以随时读写，非常灵活。
不过，记住了，内存里的数据一旦断电就全没了，和那冰箱里的食物一样，过期了就得扔掉，真是让人心疼。
再往下就是三级存储，咱们称它为“外部存储”或“磁盘存储”。
这一层就像是你家里的仓库，可以放下超多的东西。
外部存储包括硬盘、固态硬盘、U盘等等。
这些家伙的容量大得惊人，能够装下你一辈子的视频、音乐和文件。
说到这里，你肯定会想，哎，为什么不把所有东西都放在外部存储里呢？哈哈，问题就在于速度。
外部存储的读写速度相比内存和缓存慢得多，这就像你去仓库找东西，总得花点时间才能翻到那个你想要的文件。
你看，这三级存储就像一座金字塔。
最上面的是寄存器，速度快但容量小；中间是内存，速度和容量中等；最下面是外部存储，容量大但速度慢。
这种分层存储的方式，可以让计算机在运行时既能高效又能节省资源，真是聪明绝顶的设计。
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。
第一章概论1.试说明冯诺依曼计算机的基本特征，请画出其框图并简要说明每个部分的主要功能。
答：1、采用二进制代码形式表示信息。
2、采用存储程序工作方式。
3、计算机硬件系统由五大部件（存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备）组成运算器：完成算术和逻辑运算；存储器：存储指令和数据；控制器：负责全机操作；输入输出部件：信息的输入和输出。
2.存储程序控制方式：即事先编写程序，再由计算机把这些信息存储起来，然后连续地、快速地执行程序，从而完成各种运算过程。
3.计算机内部有哪两种信息流，它们之间有什么关系答：计算机内部有控制信息流和数据信息流。
控制信息流包括指令信息、状态信息、时序信息，这些信息的组合产生各类控制信号，对数据信息进行加工处理，并控制数据信息的流向，实现计算机的各项功能。
4.试举例说明计算机硬件和软件功能在逻辑上的等价性答：在计算机中，实际上有许多功能既可以直接由硬件实现，也可以在硬件支持下依靠软件实现，对用户而言，在功能上是等价的。
这种情况称为硬、软件在功能上的逻辑等价。
例如：硬件可以直接做乘法运算，也可以通过软件用相加和移位的方式实现乘法运算。
第二章计算机中的信息表示1.》2.试述浮点数规格化的目的和方法答：浮点的规格化是为了使浮点数尾数的最高数值位为有效数位。
当尾数用补码表示时，若符号位与小数点后的第一位不相等，则被定义为已规格化数，否则便是非规格化数。
通过规格化，可以保证运算数据的精度。
通常，采用向左规格化，即尾数每左移一位，阶码减1，直至规格化完成。
3.请简要说明什么是计算机系统硬件与软件之间的界面，其主要功能是什么答：从程序的编制与执行角度看，指令规定了计算机的操作类型及操作数地址，它们是产生各种控制信号的基础。
另外，从硬件设计角度看，在设计计算机的时候先要确定硬件能够直接执行哪些操作，表现为一组指令集合，称之为计算机的指令系统。
因此，指令系统体现了一台计算机的软、硬件界面。
4. 如果堆栈采用自底向上生成方式，对于下述两种情况，分别讨论压入和弹出时，应先后做哪些操作（1） 栈顶单元是已存数据的实单元（2） 栈顶单元是待存元素的空单元答：如果是实单元：压栈时先SP SP →-1,后存入数据；弹出时先取出数据，后SP SP →+1。
分级存储是根据数据的重要性、访问频率、保留时间、容量、性能等指标，将数据采取不同的存储方式分别存储在不同性能的存储设备上，通过分级存储管理实现数据客体在存储设备之间的自动迁移。
数据分级存储的工作原理是基于数据访问的局部性。
通过将不经常访问的数据自动移到存储层次中较低的层次，释放出较高成本的存储空间给更频繁访问的数据，可以获得更好的性价比。
这样，一方面可大大减少非重要性数据在一级本地磁盘所占用的空间，还可加快整个系统的存储性能。
传统的数据存储一般分为在线(On-line)存储和离线(Off-line)存储两级存储方式。
而在分级存储系统中，一般分为在线(On-line)存储、近线（Near-line）存储和离线(Off-line)存储三级存储方式。
在线存储是指将数据存放在高速的磁盘系统（如闪存存储介质、FC磁盘或SCSI磁盘阵列）等存储设备上，适合存储那些需要经常和快速访问的程序和文件，其存取速度快，性能好，存储价格相对昂贵。
在线存储是工作级的存储，其最大特征是存储设备和所存储的数据时刻保持“在线”状态，可以随时读取和修改，以满足前端应用服务器或数据库对数据访问的速度要求。
近线存储是指将数据存放在低速的磁盘系统上，一般是一些存取速度和价格介于高速磁盘与磁带之间的低端磁盘设备。
近线存储外延相对比较广泛，主要定位于客户在线存储和离线存储之间的应用。
就是指将那些并不是经常用到（例如一些长期保存的不常用的文件归档），或者说访问量并不大的数据存放在性能较低的存储设备上。
但对这些设备的要求是寻址迅速、传输率高。
因此，近线存储对性能要求相对来说并不高，但又要求相对较好的访问性能。
同时多数情况下由于不常用的数据要占总数据量的较大比重，这也就要求近线存储设备在需要容量上相对较大。
近线存储设备主要有SATA磁盘阵列、DVD-RAM光盘塔和光盘库等设备。
离线存储则指将数据备份到磁带或磁带库上。
大多数情况下主要用于对在线存储或近线存储的数据进行备份，以防范可能发生的数据灾难，因此又称备份级存储。
主数据存储的六个级别主存储大致可分为六种不同的级别，你所在的公司的性质和需求将决定哪一级存储才是最佳选择。
第一级：点对点存储（peer to peer）用户：2〜10个成本：零冗余性：没有凡是拥有电脑的人，对于点对点存储概念都应该很熟悉。
实际上，每个用户的工作站中都存储着用户自己的数据。
万一数据需要与人共享，操作系统内置的技术允许别人看到这些数据。
这种存储成本低廉，又异常简单。
对于个人和小公司来说，这常常是最佳方案。
考虑到员工数量不到10人的公司和企业有成千上万个，点对点存储在所有数据存储中占到了很大比例。
但公司规模扩大后，管理多个不可靠的存储孤岛会变得越来越困难。
大多数台式机操作系统在统一安全方面也提供不了多少功能，所以，用户数量稍多后，这种模式就很难安全地支持用户存储。
第二级：文件服务器用户：10〜数百个成本：2000〜5000美元冗余性：很低例子：微软Windows Server和Buffalo TeraStation III这比分散的、基于工作站的主存储要高一个阶段，它把所有共享数据合并到了一台专用服务器上。
这样一来，公司就能针对所有关键任务数据，实现数据保护和安全模式的标准化。
数据集中存储还降低了冗余方面的投入成本，无论是购买冗余磁盘阵列还是冗余电源。
大多数文件服务器就是一台基于行业标准的服务器，配备了通用服务器操作系统和专门用于共享文件的多个直接连接磁盘。
不过，许多低端NAS设备也属于这一类。
随着这种NAS设备在大大小小的公司中越来越常见，有必要指出的是，它们实际上与文件服务器毫无二致。
但到了某个时候，单一的文件服务器或NAS设备就满足不了企业发展的需要了，这时最常见的办法就是添加更多的文件服务器。
如果以后一直采用这种做法，困扰点对点存储的问题同样又会出现。
那样的话，管理员的任务不是维护单一存储池，而是要做许多管理工作。
同样，设备数量增加后，因硬件故障而导致的数据丢失的风险会成倍增加。
简述现代计算机常用的三级存储体系。
现代计算机常用的三级存储体系包括以下三种：
1. 主存储器（Random Access Memory，RAM）：主要用于存储正在运
行的程序和数据，属于容量大、速度快、成本高的存储器，但一旦计算机
断电，内存中的数据就会丢失。
2.辅助存储器（如硬盘、闪存、光盘等）：用于长期保存数据和程序，属于容量大、速度慢、成本低的存储器，但数据可以长期保存。
3. 高速缓存存储器（Cache Memory）：位于主存和CPU之间，目的
是为了提高CPU的运行速度。
它可以存储CPU需要经常访问的数据和指令，当CPU需要读取数据或执行指令时，首先会查找高速缓存存储器中是否存在，如果存在则直接从高速缓存存储器中获取，这样可以避免从主存储器
中读取数据的时间延迟。
但是，高速缓存存储器的容量较小，相对于主存
储器及辅助存储器，成本更高。
现代计算机系统多级存储体系结构示例文章篇一：哎呀，你们知道吗？现代计算机系统居然有个多级存储体系结构，这可太神奇啦！就像我们的书包一样，有大口袋、小口袋，不同的东西放在不同的地方。
计算机的存储体系也是这样，分成了好几级呢！先来说说速度最快的那一级，就像我们书包里伸手就能拿到的小口袋，这就是高速缓存。
它的速度超级快，就像闪电一样！每当计算机要处理数据的时候，它都会先瞅瞅高速缓存里有没有，要是有，那可太棒啦，一下子就能用上。
这难道不厉害吗？再往下一级，就是内存啦。
内存就像是书包里比较大的隔层，能装不少东西，但是速度比起高速缓存可就慢了一些。
不过也还算不错啦，能让计算机把更多的数据存起来。
还有更慢的呢，比如说硬盘。
硬盘就像一个超级大的仓库，能存好多好多东西，但是找起来可就费劲啦，速度也慢得让人着急。
这多级存储体系结构就像一个团队在合作。
高速缓存是冲锋在前的先锋队，速度快但容量小；内存是中坚力量，容量大一些速度也还可以；硬盘就是大后方，能存储海量的数据。
它们各司其职，共同为计算机的运行努力着。
你想想，如果没有这样分级存储，计算机不就乱套啦？就好像我们书包里所有东西都混在一起，找个铅笔都要翻半天，那多耽误事儿呀！所以说，现代计算机系统的多级存储体系结构真的太重要啦！它让计算机能够高效、快速地处理和存储数据，让我们能愉快地使用电脑玩游戏、看电影、学习新知识。
这难道不是科技的魅力所在吗？我觉得呀，正是有了这样聪明的设计，我们的生活才变得更加便捷和丰富多彩！示例文章篇二：哇塞！同学们，你们知道吗？现代计算机系统有一个超级厉害的多级存储体系结构！这就像我们上学要带不同的书包和文具盒一样，有大有小，各有各的用处。
比如说，我们的主存，就像是我们每天背的大书包，能装好多好多的东西，但是呢，它的速度没有那么快。
而那个高速缓存呀，就像是我们的小文具盒，虽然装的东西没有大书包多，但是拿东西的速度可快啦！我还记得有一次上计算机课，老师给我们讲这个多级存储体系结构，我一开始还懵懵懂懂的。
外存三级存储体系结构我想给你们讲一个发生在我朋友小明身上的故事。
小明是个摄影爱好者，就像一只勤劳的小蜜蜂，总是穿梭在城市的各个角落，寻找那些美丽而独特的瞬间。
他的相机就像是他的魔法棒，咔嚓咔嚓几下，就能把世界的美好定格下来。
有一天，我们一起出去玩，他那台宝贝相机又开始忙碌起来了。
每拍一张照片，他的眼睛里都闪烁着兴奋的光芒，就像一个发现了宝藏的孩子。
可是，问题来了，他拍得太多了，相机的存储卡很快就满了。
这时候的小明，就像一个热锅上的蚂蚁，急得团团转。
“这可怎么办呀？”他皱着眉头，不停地翻看着相机里的照片，嘴里嘟囔着，“这些照片我都舍不得删啊。
”我在一旁看着，心想，这就是摄影爱好者的甜蜜烦恼吧。
如果把相机的存储卡比作一个小小的房间，那现在这个房间已经堆满了东西，再也塞不下新的宝贝了。
这时候，我就跟他说：“你知道吗？这就有点像计算机里的外存情况呢。
”他一脸疑惑地看着我，我便开始给他解释起来。
在计算机的世界里外存就像是一个超级大仓库，用来存放各种各样的数据。
而这个大仓库呢，还有一个很厉害的三级存储体系结构。
这就好比是一个大型的物流系统，有着不同规模和功能的存储站点。
首先是高速缓存（Cache），这就像是离我们最近、最方便的便利店。
它的速度非常快，能让计算机快速地找到经常使用的数据，就像我们在便利店能迅速买到常用的生活用品一样。
不过呢，它的容量比较小，就像便利店的货架空间有限。
然后是主存储器，也就是我们常说的内存。
这可以类比成超市，它的容量比便利店大一些，能存放更多的数据。
计算机在运行程序的时候，会把需要的数据从外存先搬到这个“超市”里，这样就能更快地进行处理。
但是，“超市”也有装满的时候，就像小明的相机存储卡会满一样。
最后就是大容量存储器，像是硬盘或者光盘这些，这简直就是超级大仓库。
它们的容量超级大，可以存放海量的数据，就像一个巨大的货物储备中心。
不过呢，它们的速度相对较慢，就像从大仓库调货过来需要一定的时间。
