【计算机组成原理】辅助存储器

目录

一、磁盘存储器

二、固态硬盘SSD 

三、虚拟存储系统


一、磁盘存储器

磁盘设备的组成:由磁盘控制器、磁盘驱动器和磁盘盘面组成

  • 容量大、成本低、速度慢
  • 采用机械结构,机械结构复杂
  • 可重复使用,长期保存,非破坏性读出

磁盘的性能指标

磁盘地址

磁盘阵列RAID

RAID:Redundant Array of Inexpensive Disks,廉价冗余磁盘阵列,将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘,数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问,具有更好的存储性能、可靠性和安全性。

二、固态硬盘SSD 

SSD原理:基于闪存技术 Flash Memory,属于电可擦除ROM,即EEPROM

SSD架构:闪存芯片(存储数据) + 主控芯片(闪存的大脑)

SSD组成:

  • 闪存翻译层:负责翻译逻辑块号,找到对应页
  • 存储介质:多个闪存芯片(Flash Chip),每个芯片包含多个块(Block),每个块包含多个页(Page)

读写性能特性:

  • 以“页”为单位读写,以“块”为单位擦除
  • 支持随机访问,系统给定一个逻辑地址,闪存翻译层通过电路迅速定位到指定的物理地址
  • 读快写慢。写操作的内存页如果有数据,则不能直接写入,需将块内其他页全部复制到一个新的干净的块中,再在新的块中写入数据,原本的块擦除干净

固态硬盘与机械硬盘的比较:

  • SSD读写速度更快,随机访问性能高,用电路控制访问位置;机械硬盘通过移动磁臂旋转磁盘控制访问位置,有寻道时间和旋转延迟
  • SSD安静无噪音、耐摔抗震、能耗低、造价更贵
  • SSD的一个“块”被擦除次数过多(重复写同一个“块”)可能会坏掉,而机械硬盘的扇区不会因为写的次数过多而坏掉

固态硬盘磨损均衡技术:

  • 思想:将擦除平均分布到不同的“块”上,以提升使用寿命
  • 动态磨损均衡:写入数据时,优先使用累计擦除次数少的较新闪存快
  • 静态磨损均衡:SSD检测并自动进行数据分配、迁移,让老的闪存快承担以读为主的存储任务,让较新的闪存快承担更多的写任务

三、虚拟存储系统

虚拟存储器定义:在存储系统中的主存-辅存层次,包含主存(内存条)、辅存(硬盘),由存储器管理部件MMU(硬件,位于MPU内)和操作系统OS共同支持,自动实现部分装入和部分替换功能,从逻辑上为用户提供一个具有辅存容量、接进主存速度的存储器。

虚拟存储器的容量:与物理主存的大小无关,受限于计算机的地址结构和可用磁盘容量。

计算机中四种存储地址空间:

  • 缓存地址空间:存放高频使用的程序代码和数据(物理空间)
  • 主存地址空间:存放正在运行的程序代码和数据(物理地址)
  • 虚拟地址空间:程序员编写程序时所使用的地址空间(逻辑地址/虚拟地址)
  • 辅存地址空间:存放暂时不同的程序和数据(物理空间)

页式虚拟存储器

  • 程序、主存、辅存都以“页”为单位进行划分和调度,“页”的大小固定
  • MMU功能:创建、管理页表,访问权限管理
  • 每个程序都有自己的页表,记录逻辑页对应的物理页,页表也在物理存储器中

段式虚拟存储器

  • 段的分界与程序的自然分界相对于,段长不固定,因程序而异
  • 段的独立性强,易于编译、管理、修改和维护,便于多道程序共享
  • 各段的长度不同,不便于主存的分配,段式管理容易产生碎块,浪费主存空间

段页式虚拟存储器

  • 程序按模块分段,段再分成固定长度的页
  • 程序的调入调出按“页”进行,程序共享保护按“段”进行
  • 兼备页式、段氏管理的优点,在地址映射中需要多次查表

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