存储系统

一、存储系统层级结构

1.存储器层级划分依据

按照容量、速度、价格进行划分。

2.层级结构

• 寄存器

  • CPU内部的通用或专用寄存器，如累加寄存器AC。
  • 速度最快，容量最小，价格最高。

• 高速缓冲存储器（Cache）

  • 用于缓解CPU与主存速度差异。
  • 容量大于寄存器，速度较慢，价格较低。

• 主存储器（内存）

  • 用于存放运行中的程序和数据。
  • CPU可直接访问。

• 辅存（磁盘）

  • 包括硬盘、U盘、移动硬盘等。
  • 容量最大，速度最慢，价格最低。

二、主存储器的功能与结构

1.主存作用

存放计算机运行期间所需的程序和数据，CPU可直接读写。

2.冯·诺依曼结构

程序和数据需先加载到主存中。

3.CPU与主存交互结构

• 地址寄存器（AR）

存放指令或数据在内存中的地址。

• 数据缓冲寄存器（DR）

存放从内存读取或写入内存的数据。

三、总线交互方式

1.数据总线

数据通过数据总线在DR与内存之间传输。

2.地址总线

用于传输内存地址。

3.控制总线

控制读写信号的传输。

四、主存的组织形式

• 1.主存抽象模型

  • 主存由多个存储单元组成，每个单元有唯一地址。
  • 类比为大楼中的房间，每个房间有门牌号（地址），住户为数据或指令。

• 2.按字节编址

每个存储单元存放一个字节（8位二进制数）。

五.内存地址范围计算例题

1.题干信息

• 内存按字节编址。
• 地址范围：A4000H 到 CBFFFH。

2.解题思路

• 16进制地址表示：H为后缀标识，不参与计算。
• 地址总数 = 结束地址 - 起始地址 + 1。
• 计算：
  • CBFFFH + 1 = CC000H
  • CC000H − A4000H = 28000H

3.16进制转十进制

• 按权展开法：
  • 2 × 16⁴ + 8 × 16³ = 2 × 2¹⁶ + 8 × 2¹² = 2 × 65536 + 8 × 4096 = 131072 + 32768 = 163840
• 结果：160KB。

六.存储芯片数量计算

1.题干信息

• 总容量：160KB。
• 单片容量：32K × 8 bit。

2.解题步骤

• 每片容量：32K字节。
• 所需芯片数：

3.扩展情况分析

• 若单片容量为32K × 4 bit：
• 需两片4位芯片组成一个8位存储单元。

七、磁盘阵列概述

• 定义全称：廉价冗余磁盘阵列（RAID）
• 思想：将多个小容量磁盘组合成一个大容量磁盘，降低成本并提升性能
• 技术分类：分块技术、交叉技术和冗余技术
• 级别：共分为8个级别（RAID 0～7）

1.RAID 0

• 特点：高输入输出性能，磁盘空间利用率最高；无冗余，数据未镜像，故障率高
• 示例说明：数据分别存放在不同磁盘上（如A1、A3、A5、A7在左盘，A2、A4、A6、A8在右盘）。若任一磁盘故障，数据丢失

2.RAID 1

• 特点：数据在两个磁盘中完全镜像，安全性高；磁盘空间利用率仅为50%
• 适用场景：对数据安全性要求高的系统

3.RAID 2

• 技术核心：使用海明码进行数据纠错
• 数据访问：涉及所有磁盘
• 实际应用：小批量数据传输效率低，应用较少

4.RAID 3与RAID 4

• RAID 3：
  • 特点：使用位交叉奇偶校验码，校验信息存放在独立校验盘中
• RAID 4：
  • 特点：使用块交叉奇偶校验码，适用于大型文件读取
• 共同点：写入时需计算校验位，速度较慢

5.RAID 5

• 特点：校验信息分布于所有磁盘，读写性能优于RAID 3和RAID 4
• 用户容量计算：
  • 用户可用容量 = N - 1块盘的容量（N为磁盘总数）
  • 示例说明：
    • 三块80GB磁盘：总容量240GB，用户可用160GB
    • 三块80、80、40GB磁盘：用户可用容量为80GB（受最小盘限制，40GB × 2）

6.RAID 6与RAID 7

• RAID 6：
  • 特点：具有两个独立的分布式校验方案，有专用异步校验盘，提升数据访问效率
• RAID 7：
  • 特点：对RAID 6的改进，异步输入输出效率高，传输速率快，是所有RAID中档次最高、效率最好的类型

7.RAID 10

• 结构特点：由两组RAID 1组成RAID 0结构，数据镜像后再分块存储
• 性能与性价比：高可靠性与高性能结合，性价比良好