存储器和存储器子系统

计算机组成原理第⼀章思考题1、什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个重要？ 计算机系统：由“硬件”和“软件”两⼤部分组成。

（原书就只写了这个，完全没再解释，总觉得应该会有更详细全⾯的概念，可惜百度了很久也没找到满意的） 计算机硬件：即计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元件、各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等等。

计算机软件：由⼈们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。

通常可以分为两⼤类：系统软件和应⽤软件。

系统软件⼜称为系统程序，主要⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保⾼效运⾏。

应⽤软件⼜称应⽤程序，他是⽤户根据任务需要所编制的各种程序。

很显然缺⼀不可。

2、如何理解计算机系统的层次结构？3、说明⾼级语⾔、汇编语⾔和机器语⾔的差别及其联系。

机器语⾔：⽤户必须⽤⼆进制代码0/1编写程序。

难度很⼤，但可以直接在机器上执⾏。

汇编语⾔：符号式的程序设计语⾔。

⽤符号ADD、SUB、MUL、DIV等分别表⽰加减乘除等操作，并⽤符号表⽰指令或数据所在存储空间的地址，使程序员摆脱了⼆进制代码程序。

但是必须先将汇编语⾔程序翻译成机器语⾔程序后，才能被机器接受和运⾏。

这个翻译过程是由机器系统软件中的汇编程序来完成的。

由于汇编语⾔摆脱不了实际机器的指令系统，因此，汇编语⾔没有通⽤性，每台机器必须有⼀种与之相对应的汇编语⾔。

⾼级语⾔：这类⾼级语⾔对问题的描述⼗分接近⼈们的习惯，并且还具有较强的通⽤性。

程序员完全可以不必了解实际机器M1的机型、内部的具体组成及⾃⾝的指令系统，只要掌握这类⾼级语⾔本⾝所赋予的语法和语义，便可直接⽤这种语⾔编程，很⽅便。

当然在进⼊M1机器运⾏前，必须先将⾼级语⾔翻译成汇编语⾔（或其他中间语⾔程序），然后再将其翻译成机器语⾔程序。

通常，我们把⾼级语⾔程序翻译成机器语⾔程序的软件叫做翻译程序。

翻译程序有两种：⼀种叫编译程序，另⼀种叫解释程序。

章节1：1.1 ---一段引言（几句话）计算机能够平稳运行，离不开计算机的硬件系统和相应的软件系统。

硬件系统中，又可以分为输入设备和输出设备，软件系统又分为系统软件和应用软件。

（1）---介绍存储器子系统(可以展开讲存储器体系结构，比如内存，外存，cache，rom, ram等等)计算机存储系统中，分为内存储器和外存储器，其中内存器从功能上可以分为：读写存储器 RAM、只读存储器ROM两大类；外存储器有U 盘、移动硬盘以及光盘。

RoM：ROM表示只读存储器（Read Only Memory），在制造ROM的时候，信息（数据或程序）就被存入并永久保存。

这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器停电，这些数据也不会丢失。

ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOS ROM。

其物理外形一般是双列直插式（DIP）的集成块。

Cache：高速缓存。

我们知道，电脑的内存是以系统总线的时钟频率工作的，这个频率通常也就是CPU的外频。

但是，CPU的工作频率(主频)是外频与倍频因子的乘积。

Cache是一种特殊的存储器，它由Cache 存储部件和Cache控制部件组成。

Cache 控制器部件包括主存地址寄存器、Cache 地址寄存器，主存-Cache地址变换部件及替换控制部件等。

CPU运行程序是一条指令一条指令地执行的，而且指令地址往往是连续的，意思就是说CPU在访问内存时，在较短的一段时间内往往集中于某个局部，这时候可能会碰到一些需要反复调用的子程序。

电脑在工作时，把这些活跃的子程序存入比内存快得多的Cache 中。

CPU在访问内存时，首先判断所要访问的内容是否在Cache中，如果在，就称为“命中”，此时CPU直接从Cache中调用该内容;否则，就称为“不命中”，CPU只好去内存中调用所需的子程序或指令了。

CPU不但可以直接从Cache中读出内容，也可以直接往其中写入内容。

由于Cache的存取速率相当快，使得CPU的利用率大大提高，进而使整个系统的性能得以提升。

一.冯·诺依曼计算机的特点1945年，数学家冯诺依曼研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念1.计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成2.指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。

3.指令和数据均用二进制数表示。

4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

5.指令在存储器内按顺序存放。

通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。

6.机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

二.计算机硬件框图1.冯诺依曼计算机是以运算器为中心的2.现代计算机转化为以存储器为中心各部件功能：1.运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。

2.存储器用来存放数据和程序。

3.控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果4.输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式（鼠标键盘）。

5.输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式（打印机显示屏）。

计算机五大子系统在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。

由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，两大不见往往集成在同一芯片上，合起来统称为中央处理器（CPU）。

把输入设备与输出设备简称为I/O设备。

现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器。

CPU与主存储器合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备。

主存储器是存储器子系统中的一类，用来存放程序和数据，可以直接与CPU交换信息。

另一类称为辅助存储器，简称辅存，又称外村。

算术逻辑单元简称算逻部件，用来完成算术逻辑运算。

控制单元用来解实存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令。

ALU和CU是CPU的核心部件。

I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入输出操作。

第一章引论1.1计算机是一种现代化的信息处理工具，它对信息进行处理并提供结果，其结果（输出）取决于所接收的信息（输入）及相应的处理算法（程序）计算机科学与技术的核心包括计算机的设计、制造，以及运用计算机进行信息处理（获取、表示、存储、加工、控制）的相关理论、原则、方法和技术。

1.2计算机模型①黑盒模型：不考虑计算机内部结构②具有程序能力的数据处理机：该模型赋予了计算机极大的灵活性，程序是事先编制好并存放在计算机内部的③现代计算机模型：冯诺依曼不但给出了计算机的功能，还定义了计算机内部的结构。

计算机的五个组成部分输入设备——输入数据和程序。

运算器——执行各种算术运算和逻辑运算。

存储器——存储程序、原始数据、中间结果和最终结果。

控制器——控制计算机所有部件，协调整个系统的有序工作。

输出设备——输出程序的执行结果。

现代计算机被认为由三个子系统组成处理器子系统存储器子系统输入／输出子系统1.4计算机系统所谓“系统”是指由多个“子系统”组成的一个有机的“整体”。

计算机系统是一个大的概念，由硬件系统和软件系统组成，还包括所处理的数据和使用计算机的用户（计算机本身也只是计算机系统中的一部分）硬件系统：①处理器系统单个处理器芯片多核处理器芯片（芯片上集成了多个处理器）②存储器系统内存或主存（半导体材料，直接连处理器）外存或辅存（磁盘、光盘等，外置的独立部件）③输入输出系统与计算机相关的文档、程序、语言等都归类为软件软件系统：①系统软件：服务于计算机本身的软件②应用软件：解决特定问题的软件（APP）计算机是如何运行的通电后，CPU 执行启动程序BIOS，操作系统从外存被调入内存执行；BIOS 引导完成后，计算机由操作系统进行管理和控制1.5信息系统BIOS的基本任务：把存放在磁盘中的操作系统调入6 个要素：内存执行。

硬件软件数据／信息人／用户以计算机为职业的专业人员（约5%）和使用计算机的应用人员（约95%）过程／处理通信1.6①因特网：开放性，网络的目的是资源共享和通信②万维网：因特网上最大的一种服务，网络浏览技术应用1.7 计算机文化和计算思维计算机从装置成为学科再发展为文化计算机文化：理解计算机是什么，以及它如何被作为资源利用，并改变着人类的生活、学习和交流方式的。

解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPR...主存，又称内存，是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。

计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。

内存（Memory）也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU 中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。

只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。

内存是由内存芯片、电路板、金手指等部分组成的。

辅存狭义上是我们平时讲的硬盘。

科学地说是外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据，又称为辅助存储器）。

存储容量大、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脱机保存信息。

主要包括磁表面存储器、软盘存储器、磁带存储设备、光盘存储设备。

cache 高速缓冲存储器一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。

存储器的高速缓冲存储器存储了频繁访问的RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。

当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。

如果存有该地址，则将数据返回处理器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。

因为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。

RAM（Random Access Memory）随机存取存储器主要用于存储计算机运行时的程序和数据，需要执行的程序或者需要处理的数据都必须先装入RAM内，是指既可以从该设备读取数据，也可以往里面写数据。

RAM的特点是：计算机通电状态下RAM中的数据可以反复使用，只有向其中写入新数据时才被更新；断电后RAM中的数据随之消失。

SRAM 是英文Static RAM的缩写，它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。

半导体设备八大子系统详解半导体设备是现代电子科技中不可或缺的重要组成部分，其主要功能是将电子信号进行处理和控制。

而半导体设备的运行离不开八大子系统的协同工作。

这八大子系统分别是：供电系统、控制系统、处理系统、存储系统、输入输出系统、显示系统、通信系统以及保护系统。

供电系统是半导体设备最基本的子系统之一。

它负责为整个设备提供稳定而可靠的电源，确保设备正常工作。

供电系统主要包括电源管理单元、电源滤波器和电源控制器等组成部分。

电源管理单元用于监控和管理设备的供电情况，电源滤波器则用于过滤电源中的杂质和干扰信号，而电源控制器则起到对电源进行控制和保护的作用。

控制系统是半导体设备的核心子系统。

它负责对设备进行控制和管理，确保设备按照预定的程序和方式进行工作。

控制系统主要包括控制器、传感器和执行器等组成部分。

控制器是设备的大脑，它接收和处理来自传感器的信号，并根据预设的指令对执行器进行控制。

传感器负责感知设备的工作环境和状态，而执行器则负责执行控制信号，实现设备的动作和操作。

处理系统是半导体设备的核心处理单元，它负责进行数据的处理和计算。

处理系统主要由处理器、存储器和总线等组成部分。

处理器是设备的计算核心，它通过执行指令和操作数据来实现各种功能。

存储器用于存储数据和程序，而总线则负责处理器和其他部件之间的数据传输。

存储系统是半导体设备的数据存储单元，它负责存储设备的数据和程序。

存储系统主要包括内存和外存等组成部分。

内存是设备的工作内存，用于暂时存储数据和程序。

外存则用于永久存储数据和程序，如硬盘和固态硬盘等。

输入输出系统是半导体设备与外部环境进行信息交互的接口。

输入输出系统主要包括输入设备和输出设备等组成部分。

输入设备用于将外部信息输入到设备中，如键盘和鼠标等。

输出设备则用于将设备处理的结果输出到外部环境中，如显示器和打印机等。

显示系统是半导体设备的显示单元，它负责将设备处理的结果显示给用户。

显示系统主要包括显示器和显示控制器等组成部分。

解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory主存，又称内存，是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。

计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。

内存（Memory）也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。

只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。

内存是由内存芯片、电路板、金手指等部分组成的。

辅存狭义上是我们平时讲的硬盘。

科学地说是外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据，又称为辅助存储器）。

存储容量大、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脱机保存信息。

主要包括磁表面存储器、软盘存储器、磁带存储设备、光盘存储设备。

cache 高速缓冲存储器一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。

存储器的高速缓冲存储器存储了频繁访问的RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。

当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。

如果存有该地址，则将数据返回处理器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。

因为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。

RAM（Random Access Memory）随机存取存储器主要用于存储计算机运行时的程序和数据，需要执行的程序或者需要处理的数据都必须先装入RAM内，是指既可以从该设备读取数据，也可以往里面写数据。

RAM的特点是：计算机通电状态下RAM中的数据可以反复使用，只有向其中写入新数据时才被更新；断电后RAM中的数据随之消失。

SRAM是英文Static RAM的缩写，它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。

存储器控制器和包括存储器控制器的存储装置的制作方法存储器控制器是计算机内存管理的重要组成部分，它负责存储器的读取和写入操作，并协调存储器与CPU之间的数据传输。

正确地设计和实现存储器控制器的功能对于计算机的性能和稳定性有重要影响。

下面将介绍存储器控制器和包括存储器控制器的存储装置的制作方法。

一、存储器控制器的功能存储器控制器的主要功能是管理存储器，包括读写操作、数据传输等。

在计算机系统中，存储器控制器通常与CPU核心、缓存控制器、DMA控制器等组成整个存储子系统。

存储器控制器的主要功能如下：1. 存储器读操作：当CPU需要从存储器中读取数据时，存储器控制器会向存储器发出一条读取指令，然后等待存储器返回数据。

当存储器返回数据时，存储器控制器会将数据传输给CPU核心或者缓存控制器，从而完成数据读取操作。

2. 存储器写操作：当CPU需要向存储器中写入数据时，存储器控制器会向存储器发出一条写入指令，并将要写入的数据传输给存储器。

当存储器接收到数据后，会将数据写入到指定地址的存储区域中，从而完成数据写入操作。

3. 存储器访问控制：存储器控制器可以控制存储器的访问权限，防止出现数据冲突、数据错误等问题。

存储器控制器可以对不同的存储器地址进行读写操作，从而实现对存储器的有效管理。

4. 存储器数据传输：存储器控制器可以管理存储器与CPU之间的数据传输，并调整数据传输速度，从而保证数据的准确性和稳定性。

存储器控制器还可以支持DMA操作，从而实现数据无需CPU干预的直接传输。

二、存储器控制器的制作方法下面介绍一种基于FPGA的存储器控制器设计方法。

这种方法基于Verilog HDL，使用Vivado设计工具进行设计、仿真和综合。

具体步骤如下：1. 开发板准备：选择一款支持FPGA开发的板卡，例如Digilent Nexys-4 DDR或者Xilinx Basys-3，将开发板与电脑连接。

2. 确定存储器类型：确定存储器的类型和规格，例如SDRAM、DDR SDRAM等。

高性能计算机的系统设计与应用分析高性能计算机是计算机技术的一种高级形式，它能够以卓越的性能和灵活性为科学、工程和商业领域带来巨大价值。

高性能计算机系统设计和应用分析则是高性能计算机技术的重要组成部分。

本文将探讨高性能计算机的系统设计和应用分析，并分别从高性能计算机系统的硬件和软件角度作出详细的分析和说明。

一、高性能计算机系统硬件设计高性能计算机需要具备很高的处理速度和存储能力，因此其硬件系统设计需要非常精密。

高性能计算机系统的硬件设计主要包括处理器、存储器、网络和I/O子系统四个方面。

1. 处理器高性能计算机处理器是系统的核心组成部分，它的性能直接决定了整个系统的处理能力。

目前，市场上主要的高性能计算机处理器有英特尔（Intel）的Xeon、惠普（HP）的Itanium以及AMD的Opteron等。

这些处理器性能非常强大，可以同时执行多个任务，支持多线程和超线程技术，并且还能够通过内部总线和高速缓存和其他处理器通信。

2. 存储器高性能计算机的运算速度很快，但是对存储器的要求也极高。

高性能计算机采用的存储器主要分为两类：内存和磁盘。

内存又分为L1Cache、L2Cache和DRAM 等。

这些内存的固定存储速度在高性能计算机中是非常关键的元素。

高性能计算机采用的硬盘则配置在RAID阵列中，可以大大提高数据传输速度和可靠性。

3. 网络高性能计算机的网络系统是整个系统的关键部分，为了保证高性能的同时，还需要提供低延时和高可靠性等特性。

现在采用的网络协议主要有以太网和Infiniband等，以太网通常用于连接计算节点，而Infiniband则主要用于高速节点之间的数据通信。

除此之外，高性能计算机还需配备路由器和交换机等网络设备。

4. I/O子系统I/O子系统是高性能计算机系统的另一个重要组成部分，它集成了各种设备和外部存储器。

I/O子系统的设计也需要跟进每个数据节点，因为这样才能保证节点之间数据的及时性。

存储子系统的基本原理和功能解析存储子系统是计算机系统中的关键组成部分，负责数据的存储和管理。

它由硬盘、闪存、固态盘等物理设备以及操作系统和文件系统等软件组成。

存储子系统的主要功能是提供可靠、高效、持久的数据存储和访问。

一、存储子系统的基本原理1. 存储介质的选择与存储方式存储介质的选择根据性能和成本进行权衡。

常见的存储介质包括磁盘、固态盘、闪存等。

不同的存储介质有着不同的特点，在读写速度、容量和稳定性等方面存在差异。

存储方式包括顺序访问和随机访问。

顺序访问是按照存储数据的顺序进行访问，适用于大容量数据的读写。

随机访问是通过地址直接进行存取，适用于小容量的数据读写。

2. 存储层次结构存储层次结构是指将存储器按照速度和容量进行不同层次的划分。

常见的存储层次结构包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。

寄存器是最快速的存储设备，用于存储当前执行的指令和数据。

高速缓存是位于CPU和主存储器之间的一层存储，用于加速CPU和主存之间的数据传输。

主存储器是计算机中存储数据和指令的地方。

辅助存储器用于永久存储大量的数据和程序。

二、存储子系统的功能1. 数据持久性存储子系统的数据持久性是指数据在断电或系统故障后仍能保持存储的能力。

为了实现数据持久性，存储子系统采用各种技术，如数据备份、故障恢复和错误检测与纠正等。

数据备份使得数据能够在主存储器或存储设备发生故障时得以保护，故障恢复和错误检测与纠正技术则可以修复或纠正因硬件故障而引起的错误。

2. 数据安全性存储子系统的数据安全性是指数据在存储和传输过程中的保密性和完整性。

为了保证数据的安全性，存储子系统采用数据加密技术和访问控制机制。

数据加密技术通过对数据进行加密，以防止未经授权的访问和数据篡改。

访问控制机制则用于确定哪些用户或进程有权访问存储设备中的数据。

3. 数据访问与传输速度存储子系统的数据访问与传输速度是指读写数据的效率。

为了提高数据的访问与传输速度，存储子系统采用多种技术，如缓存技术、并行存储技术和数据分布等。

存储子系统中的存储效率和存储利用率存储子系统是计算机系统中负责管理和存储数据的关键组件。

存储效率和存储利用率是评估存储子系统性能的重要指标。

本文将详细探讨存储子系统中的存储效率和存储利用率，并提供相关改进措施，以提高存储系统的性能。

首先，我们来了解一下存储效率。

存储效率是指存储系统在存储和检索数据时的速度和效能。

一个高效的存储子系统能够快速访问和处理数据，提高系统的整体性能。

影响存储效率的因素包括磁盘读写速度、数据传输带宽、存储器容量以及存储器的优化。

为了提高存储效率，可以采取以下措施：1.选用快速的存储介质：选择高速硬盘驱动器、固态硬盘等存储介质可以大幅度提高数据读写速度，从而提升存储效率。

2.实施数据分级存储：按照数据的重要性和使用频率，将数据分为热数据和冷数据，并将其存放在不同的存储介质上。

热数据保存在高速的存储介质上，以确保快速访问，冷数据可以存放在较慢的存储介质上，提高存储利用率。

3.优化存储器：定期进行存储器的碎片整理和优化，减少碎片文件的数量，提高存储效率。

同时，使用高效的存储算法和数据压缩技术，可以进一步提高存储效率。

存储利用率是指存储系统有效利用存储资源的程度。

以最大程度地利用可用存储空间，减少空间浪费为目标，可以采取以下改进措施来提高存储利用率。

1.合理规划存储空间：通过对存储需求的分析和评估，合理规划存储空间的分配，避免存储资源的浪费。

定期监控存储空间使用情况，及时调整存储分配策略。

2.使用数据压缩技术：数据压缩技术可以将数据压缩存储，节约存储空间。

压缩存储数据后，可以提高存储利用率，减少存储资源的占用。

3.实施数据去重和数据归档：数据去重技术可以识别重复的数据块，并只保留一份副本，从而节约存储空间。

数据归档则是将不经常使用的数据迁移到归档存储设备中，不占用主存储资源，提高存储利用率。

此外，定期进行存储系统的优化和维护是提高存储效率和存储利用率的关键。

可以通过监控存储系统，查找瓶颈和性能问题，并进行相应的优化措施。