系分专题（计算机硬件基础知识三）

存储器系统：
　　概述： 　　计算机中的存储系统是用来保存数据和程序的。对存储器最基本的要求就是存储容量要大、存取速度快、成本价格低。为了满足这一要求，提出了多级存储体系结构。一般可分为高速缓冲存储器、主存、外存3个层次，有时候还包括CPU内部的寄存器以及控制存储器。
　　◆ 存储器的介质：半导体、磁介质和光存储器。
　　◆ 存储体系结构从上层到下层离CPU越来越远、存储量越来越大、每位的价格越来越便宜，而且访问的速度越来越慢
　　整个计算机的存储器体系结构： 　　通用寄存器堆-指令和数据缓冲栈-Cache(静态随机存储器RAM)-主存储器(动态随机存储器DRAM)-联机外部存储器(磁盘存储器)-脱机外部存储器(磁带、光盘存储器)
　　信息存取方式：信息的存取方式影响到存储信息的组织，常用的有4种，
　　存储器的数据是以记录的形式进行组织，对数据的访问必须按特定的线性顺序进行。磁带存储器的存取方式就是顺序存取。
　　共享读写装置，但是每个记录都有一个唯一的地址标识，共享的读写装置可以直接移动到目的数据块所在位置进行访问。因此存取时间也是可变的。磁盘存储器采用的这种方式。
　　存储器的每一个可寻址单元都具有唯一地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，而与先前的访问序列无关。主存储器采用的是这种方式。
　　也是一种随机存取的形式，但是选择某一单元进行读写是取决于其内容而不是其地址。Cache可能采用该方法进行访问。
　　Ø 存取时间：一次读/写存储器的时间
　　Ø 存储器周期：两次相邻的存取之间的时间
　　主存储器： 　　主存储器是指能由CPU直接编程访问的存储器，它存放需要执行的程序与需要处理的数据。因为它通常位于所谓主机的范畴，常称为内存。如果内存的地址为n位，容量为2的n次。
　　Ø 随机存储器（RAM）：可以读出和写入，随机访问存取，断电消失
　　Ø 可编程ROM（PROM）
　　Ø 电可擦除PROM（E2PROM）
　　实际的存储器总是由一片或多片存储芯片配以控制电路组成的，其容量往往是W×B来表示。W表示该存储器的存储单元（word）的数量，而B表示每一个word由多少bit组成。
辅助存储器： 　　由于主存容量有限（受地址位数、成本、速度等因素制约），在大多数计算机系统中设置一级大容量存储器作为对主存的补充与后援。它们位于主机的逻辑范畴之外，常称为外存储器，简称外存。
　　◆磁表面存储器：这类外存储器主要包括磁带和磁盘存储器。
　　磁带存储设备是一种顺序存取的设备，存取时间较长，但存储容量大。磁带上的信息是以文件块的形式存放的，而且便于携带，价格便宜。按它的读写方式可分为两种：启停式和数据流。
　　磁盘存储器是目前应用最广泛的外存储器。它存取速度较快，具有较大的存储容量，适用于调用较频繁的场合，往往作为主存的直接后援，为虚拟存储提供了物理基础。可分为软盘和硬盘。
　　光盘存储器是利用激光束在记录表面存储信息，根据激光束的反射光来读出信息。按照它的记录原理可分为形变型、相变型（晶相结构）和磁光型。有CD、CD-ROM、WORM、EOD等。
　　CD-WO：可由用户写入一次，写入后不能修改或擦除，但是可以多次读出
　　光盘存储器的特点：
　　辅助存储器方面的计算： 　　1.存储容量为capacity=n*t*s*b，n为存放数据的总盘面数；t为每面的磁道数；s为每道的扇区数；b为每个扇区存储的字节数寻道时间为磁头移动到目标磁道所需的时间。等待时间为待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间。一般用磁道旋转一周所用的时间的一半作为平均等待时间。
　　5．位密度：沿磁道方向，单位长度存储二进制信息的个数；
　　7. 数据传输速率R=B/T，B为一个磁道上记录的字节数，T为每转一周的时间
　　数据传输率=磁带记录密度*带速；
　　读N条记录所需时间T=启停时间+有效时间+间隔时间；
例题： 　　假设一个有 3 个盘片的硬盘，共有 4 个记录面，转速为 7200 转/分，盘面有效记录区域的外直径为 30cm，内直径为 lOcm，记录位密度为 250位/mm，磁道密度为 8道/mm，每磁道分16个扇区，每扇区 512字节，则该硬盘的非格式化容量和格式化容量约为__(58)__，数据传输率约为__(58)__若一个文件超出一个磁道容量，剩下的部分__(60)__。
　　(59) A.2356KB/sB.3534KB/sC.7069KB/sD.1178KB/s
　　C.存于其它盘面的其它编号的磁道上D.存放位置随机
　　RAID存储器（廉价磁盘冗余阵列）：基本思想是用多个小的磁盘存储器，通过合理的分布数据，支持多个磁盘同时进行访问，从而改善磁盘存储器的性能。其采用的主要技术：
　　2． 交叉技术：对分布式的数据采用交叉式进行读写，提高访问速度；
　　主要特点如下： 　　1． 物理上多个磁盘，但操作系统看是一个逻辑磁盘；
　　3． 采用冗余技术和校验技术提高可靠性，可恢复数据；
　　RAID0：无冗余、无校验，具有最高的I/O性能和最高的磁盘空间利用率
　　RAID2：海明码、数据分块、并行访问、适合大批量数据、已很少使用
　　RAID4：奇偶校验、独立存取、单独校验盘、适合访问频繁、传输率低
　　Cache存储器：（对系统和应用程序员都是透明的）（重点）
　　使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理，即程序的地址访问流有很强的时序相关性，未来的访问模式与最近已发生的访问模式相似。根据这一局部性原理，把主存储器中访问概率最高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取数据时就首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有则直接从Cache中读取；若没有再从主存中读取该数据，然后同时送往CPU和Cache。
　　t3=h×t1+(1-h)×t2
　　当CPU发出访存请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定数据是否已在Cache中，若命中则直接对Cache进行访问，否则直接进行主存访问。
　　Ø 直接映射：一对一,(不需要替换算法)
　　Ø 组相联映射：将块划分成组，主存中的一组与Cache相对应，根据高位地址标志符来访问数据，组相联可以允许相同的Block和word标志，而tag标志不同。
　　Ø 随机淘汰法：
　　Ø 近期最少使用法LRU：
　　另外，为了保证环存在Cache中得数据与主存中的内容一致，对写操作来说有以下几种方法：
　　Ø 写回：
　　例题： 　　● 一般来说，Cache 的功能__(53)__。某 32 位计算机的 cache 容量为 16KB，cache 块的大小为16B，若主存与 cache 的地址映射采用直接映射方式，则主存地址为 1234E8F8（十六进制）的单元装入的 cache地址为__(54)__。在下列 cache 替换算法中，平均命中率最高的是__(55)__。
　　B.全部由硬件实现
　　D.有的计算机由硬件实现，有的计算机由软件实现
　　B. 01 0010 0011 0100 (二进制)
　　D. 11 0100 1110 1000 (二进制)
　　B.随机替换（RAND）算法
　　D.近期最少使用（LRU）算法
虚拟存储器：（重点）（对应用程序员透明）
　　我们提供给用户的这个存储器，即在软件编程上可以使用的存储器，就称为虚拟存储器。它的容量即虚拟存储空间，简称虚拟空间。面向虚拟存储器的编程地址称为虚拟地址，或称为逻辑地址。与主存和辅助存储器地址相对应。
　　Ø 页式管理：
　　Ø 段页式管理：
　　另外，与Cache一样，虚拟存储器系统还需采用一定的调度策略实现主存内容的变换，使当前需要的程序和数据都在主存之中。常用的淘汰算法有：
　　Ø LRU算法：选择在最近一段时间内访问频率最低的页面淘汰