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20、小学信息考编常考知识点之存储系统

 (一)存储器的分类

1.  按存储器所处的位置，分为内存和外存。

2.  按存储器的工作方式，分为读写型存储器和只读存储器。

3.  按存储器的寻址方式，分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。

(1) 随机存储器:这种存储器可对任何存储单元存入或读取数据，访问任何一个存储单元所需的 时间是相同的，如内存。

(2) 顺序存储器:访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关，如磁带。

(3) 直接存储器:介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式，比如磁盘，它对磁道的寻址是 随机的，而在一个磁道内则是顺序寻址。

(二)存储器的层次结构

1.高速缓存(Cache)

(1) 组成: 控制部分和Cache存储器部分。

(2)   工作过程：Cache存储器部分用来存放主存的部分副本信息。控制器部分的功能是判断 CPU要访问的信息是否在Cache存储器内，若在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对 Cache存储器寻址；未命中时，要按照替换原则决定主存的一块信息放到Cache存储器的哪一块里。

(3)   Cache的基本原理: CPU与Cache之间的数据交换是以字为单位，而Cache与主存之间的数 一个块由若干定长字组成。当cpu读取主存中的一个字时，便发出此字的内存地址到Cache和主存。此时Cache控制逻辑依据地址判断此字当前是否在Cache中。若是，此字立即传送给CPU；若非，则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到Cache中。

(4)   Cache的命中率与Cache容量的关系：Cache容量越大，则命中率越高；但是，增加Cache的容量则意味着Cache的成本增加以及Cache的命中时间的增加。

(5)   替换算法:包括随机替换算法、先进先出算法、近期最少使用算法和优先替换算法。

(6)   性能分析：Cache的性能是计算机系统性能的重要方面。而命中率是Cache的一个重要指标。因此Cache设计的目标是在成本允许的条件下达到较高的命中率，使存储系统具有最短的平均访问时间。

(7)   多级缓存：目前所有主流处理器大都具有一级缓存和二级缓存，少数高端处理器还集成了三级缓存。其中，一级缓存可分为一级指令缓存和一级数据缓存。一级指令缓存用于暂时存储并向 CPU递送各类运算指令；一级数据缓存用于暂时存储并向CPU递送运算所需的数据。这就是一级缓存的作用。

那么，二级缓存的作用又是什么呢？简单地说，二级缓存就是一级缓存的缓冲器。一级缓存制造成本很高，因此其容量有限。二级缓存的作用就是存储那些CPU处理时需要用到、一级缓存又无法存储的数据。同样道理，三级缓存和内存可以看做是二级缓存的缓冲器，它们的容量递增，但单位制造成本却递减。需要注意的是，无论是二级缓存、三级缓存还是内存都不能存储处理器操作的原存储CPU所需的数据。

(8)   缓冲与缓存的区别：缓冲是为了提高内存和硬盘（或其他I/o设备）之间的数据交换的速度而设计的，一般而言它是根据磁盘的读写设计的，把分散的读写操作集中进行，减少磁盘碎片和硬盘的反复寻道。比如往U盘里复制一个较大文件，U盘灯并不是马上跳动，需要等一会儿。缓存是为了提高CPU和内存之间的数据交换速度而设计的，有一级缓存、二级缓存、三级缓存等。简单来说，缓冲是即将要被写入磁盘的，而缓存是被从磁盘中读出来的。

(9)   寄存器与高速缓存:严格来说，寄存器是直接在CPU内部构建的存储单元，属于CPU的一部分缓存，只是集成到CPU封装而已；缓存是CPU寄存器和内存之间的桥梁，起缓冲加速作用。

2. 主存储器

(1) 按工作方式分类:分为读写存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。

(2) 静态RAM和动态RAM:根据存储单元的工作原理，RAM又分为静态RAM和动态RAM。 静态RAM用触发器作为存储单元存放1和0,存取速度快，只要不断电即可持续保持内容不变。一 般静态RAM的集成度较低，成本较高。

动态RAM的基本存储电路为带驱动晶体管的电容。电容上有无电荷状态被视为逻辑1和0。 随着时间的推移，电容上的电荷会逐渐减少，为保持其内容，必须周期性地对其进行刷新，以维持其中所存储的数据，所以在硬件系统中也得设置相应的刷新电路来完成动态RAM的刷新，这样一来无疑增加了硬件系统的复杂程度，因此在单片机应用系统中一般不使用动态RAM。但动态RAM 比静态RAM集成度高、功耗低，因而成本也低，适于作大容量存储器，所以主存通常采用动态

—般而言，高速缓存的一级缓存采用静态RAM，而二级缓存采用高速动态RAM，高速动态RAM比常规动态RAM要快，但比静态RAM慢。

(3) 计算单位:一般以ns(纳秒)为时间单位。

3. 外存储器

(1)组成

①记录面:记录信息的磁介质表面。

②磁道：每一个记录面上都分布着若干同心的闭合圆环，数据就记录在磁道上。使用时需要对磁道进行编号，按照半径递减的次序从外到里编号，最外一圈为0道，往内磁道号依次增加。最内圈的位密度为最大位密度。

③扇区：每个磁道上分为若干段，每一段称为一个扇区。

(2)   寻道时间、等待时间和存取时间

①寻道时间：磁头移动到目标磁道所需要的时间。

②等待时间：磁头移动到目标磁道后，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时间的一半作为平均等待时间。

③存取时间：又称访问时间，是指磁盘磁头接到读写信号后，从当前位置移动到指定位置，并完成读写数据所需的时间。存取时间包括寻道时间、寻找扇区的等待时间和读写时间。

(3)   磁盘容量

磁盘能存储二进制位信息的总量，分为非格式化容量和格式化容量。一般情况下，磁盘容量指格式化容量。

非格式化容量=存放数据的盘面数X每面磁道数X磁道周长X对应的位密度

格式化容量=存放数据的盘面数X每面磁道数X每道扇区数X每个扇区存储的数据字节数

格式化就是为磁盘做初始化工作，以便能够按部就班地往磁盘上记录资料。

格式化不会使硬盘容量变小。格式化前的磁盘容量是按照厂家计算的，而格式化后的容量是按照计算机计算的。

(4)   磁盘传输速率R

磁头找到地址后在单位时间内写入或读出的字节数。R = B/T。其中，B表示一个磁道上记录 的数据字节数；T表示磁盘旋转一周所需的时间。

4.高速缓存、内存和硬盘的比较

(1) 容量：高速缓存< 内存 < 硬盘。

(2) 速度：高速缓存> 内存 > 硬盘。

(3) 价格：高速缓存> 内存 > 硬盘。

—旦断电，高速缓存和内存中的数据会全部丢失，而硬盘内的数据却不会受到影响。

(三）虚拟存储器

1.作用

内存在计算机中的作用很大，计算机中所有运行的程序都需要调入内存来执行，如果执行的程序很大或很多，就会导致内存消耗殆尽。为了解决这个问题，Windows中运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间来充当内存使用，当内存占用完时，计算机就会自动调用硬盘空间来充当内存，以缓解内存的紧张。

2.原理

把很大的程序或数据分成许多较小的块，全部存储在辅存中。运行时，把要用到的程序或数据块先调入主存，并且把马上就要用到的程序块从主存调入高速缓存。这样，一边运行程序，一边进行所需程序或数据块的调进调出，程序就能顺利地运行下去。

此文章由师出教育提供

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