存储器的层次结构分为_简述存储器的分类及特点

嵌入式系统设计学习笔记-L3-存储器的相关知识 　　前言 　　计算机系统中的存储器包括多种，如CPU内部的通用寄存器组和高速Cache、 CPU外部的Cache、主板上的主存储器、主板外的联机磁盘存储器以及脱机的磁带存储器、光盘存储器等。

　　不同的存储器通过适当的硬件、软件有机地组合起来就形成了计算机的存储体系的层次结构，一般来说，层级越高的存储设备，速度越快，当然单位比特造价也更高。其中，Cache和主存之间的交互功能全部由硬件实现, 而主存与辅存之间的交互功能可由硬件和软件结合起来实现。 　　存储器的分类 　　1、按存储器所处的位置分类 　　按存储器所处位置可分为内存(内部存储器)和外存(外部存储器) 　　(1)内存，也称为主存(MainMemory)，一般安装在主机内或主机板上，用来存放机器当前运行所需要的程序和数据，以便向CPU提供信息。相对于外存，其特点是容量小、速度快。 　　(2)外存，也称为辅存，如磁盘、磁带和光盘等，用来存放当前不参加运行的大量信息，而在需要时调入内存。 　　2、按存储器的构成材料分类 　　按构成存储器的材料可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。 　　(1)磁存储器。磁存储器是用磁性介质做成的，如磁芯、磁泡、磁膜、磁鼓、磁带及磁盘等。 　　(2)半导体存储器。根据所用器件又可分为双极型和MOS型：根据数据是否需要刷新又可分为静态(Static memory)和动态(Dynamic memory)两类。 　　(3)光存储器。利用光学方法读/写数据的存储器，如光盘(OpticalDisk)。 　　3、按存储器的工作方式分类 　　按存储器的工作方式可分为读/写存储器和只读存储器。 　　(1)读/与存储器(Random Access Memory, RAM)。 　　它指既能读取数据也能存入 数据的存储器。按照存储单的工作原理，随机存储器又分为静态随机存储器(Static RAM, SRAM)和动态随机存储器(Dynamic RAM, DRAM)。SRAM 比 DRAM 更快, 也贵得多。 　　(2)只读存储器。 　　工作过程中仅能读取的存储器，根据数据的写入方式，这种存储器又可细分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等类型。 　　①固定只读存储器(ReadonlyMemory, ROM)。 　　这种存储器是在厂家生产时就写好 数据的，其内容只能读岀，不能改变。一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。 　　②可编程的只读存储器(Programmable Read Only Memory, PROM)。 　　其中的内容 可以由用户一次性地写入，写入后不能再修改。 　　③可擦除可编程的只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory, EPROM) 　　其中的内容既可以读岀，也可以由用广1写入，写入后还可以修改。改写的方法是写入之前先用紫外线照射15-20分钟以擦去所有信息，然后再用特殊的电子设备写入信息。 　　④电擦除可编程的只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM) 　　与EPROM相似，EEPROM中的内容既可以读出，也可以进行改写。只不过这种存储器是用电擦除的方法进行数据的改写。 　　⑤闪存(Flash Memory)。 　　闪存是一种非易失性存储器，基于EEPROM,已成为重要的存储技术，为大量电子设备包括数码相机、手机、PDA、笔记本、台式机和服务器 等计算机系统提供快速且持久的存储能力。 　　存储在ROM设备中的程序通常称为固件(Firmware)例如，当计算机加电后，它会运行存储在ROM中的固件。 　　4、按访问方式分类 　　按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。 　　5、按寻址方式分类 　　按寻址方式可分为随机存储器、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存入或读取数据，访问任何一个存储单所需的时间是相同的。 　　(2)顺序存储器(Sequentially Addressed Memory, SAM)。访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关，磁带是典型的顺序存储器。 　　(3)直接存储器(Direct Addressed Memory, DAM)。介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。磁盘是一种直接存取存储器，它对磁道的寻址是随机的，而在一个磁 道内则是顺序寻址。 　　相关名词整理 　　1、相联存储器 　　相联存储器是一种按内容访问的存储器。其工作原理就是把数据或数据的某一部分作为关键字，按顺序写入信息，读出时并行地将该关键字与存储器中的每一单进行比较，找岀存储器中所有与关键字相同的数据字，特别适合于信息的检索和更新。 　　相联存储器可用在高速缓冲存储器中，在虚拟存储器中用来作为段表、页表或快表存储器，用在数据库和知识库中。 　　2、高速缓存 　　高速缓存（Cache）由快速半导体存储器构成，用来存放当前最活跃的程序和数据， 其内容是主存局部域的副本，对程序员来说是透明的。 　　3、虚拟存储器 　　在概念上，可以将主存存储器看作一个由若干个字节构成的存储空间，每个字节有一个地址编号，主存单的该地址称为物理地址。当需要访问主存中的数据时，由CPU给出要访问数据所在的存储单地址，然后由主存的读写控制部件定位对应的存储单，对其进行读写操作来完成访问操作。 　　现代系统提供了一种对主存的抽象，称为虚拟存储（virtual memory）,使用虚拟地址 （virtual address,由CPU生成）的概念来访问主存，使用专门的MMU（Memory Management Unit）将虚拟地址转换为物理地址后访问主存。 　　虚拟存储器实际上是一种逻辑存储器，实质是对物理存储设备进行逻辑化的处理， 并将统一的逻辑视图呈现给用户。因此，用户在使用时，操作的是虚拟设备，无需关心底层的物理环境，从而可以充分利用基于异构平台的存储空间，达到最优化的使用效率。 　　4、外存储器 　　外存储器用来存放暂时不用的程序和数据，并且以文件的形式存储。CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存才可访问。外存储器主要由磁表面存储器（如磁盘、磁带）、光盘存储器及固态硬盘（采用Flash芯片或DRAM作为存储介质的存储器）构成。 　　1）磁盘存储器 　　硬盘是最常见的外存储器。一个硬盘驱动器内可装有多个盘片，组成盘片组，每个盘片都配有一个独立的读/写头。

　　现代磁盘构造复杂，大容量磁盘釆用多区记录技术，将柱面的集合分割成不相交的子集，每个子集称为一个记录区。每个记录区包含一组连续的柱面，一个及记录区中每个柱面的每条磁道有相同数量的扇区，扇区数由最靠近盘片中心的磁道所能包含的扇区数决定。一个磁盘上可以记录的最大位数称为其最大容量。最大容量由记录密度、磁道密度和面密度决定。 　　记录密度是指每英寸磁道的段中可以存储的位数。磁道密度是盘片半径方向上每英寸的磁道数。面密度则是记录密度与磁道密度的乘积。 　　磁盘最大容量等于每扇区字节数X每磁道平均扇区数X每盘面磁道数X每盘片记录 而数X盘片数。磁盘通常以千兆字节（GB）或兆兆字节（TB）为单位来表示磁盘容量，且1GB=1024MB,1TB=1024GB磁盘控制器必须对磁盘进行格式化后才能存储数据。格式化后的容量通常小于最大容量。 　　2）光盘存储器 　　根据性能和用途，光盘存储器可分为只读型光盘（CD-ROM）、只写一次型光盘 （WORM）和可擦除型光盘。只读型光盘是由生产厂家预先用激光在盘片上蚀刻不能再改写的各种信息，目前这类光盘的使用很普遍。只写一次型光盘是指由用户一次写入、可多次读出但不能擦除的光盘，写入方法是利用聚焦激光束的热能，使光盘表面发生永久 性变化而实现的。可擦除型光盘是读/写型光盘，它是利用激光照射引起介质的可逆性物 理变化来记录信息。

　　光盘存储器由光学、电学和机械部件等组成。其特点是记录密度高、存储容量大、采用非接触式读/写信息（光头距离光盘通常为2mm）、信息可长期保存（其寿命达10年 以上）、采用多通道记录时数据传送率可超过200Mb/s、制造成本低、对机械结构的精度要求不高、存取时间较长。 　　3）固态硬盘 　　固态硬盘（Solid State Disk, SSD）的存储介质分为两种，一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质；另一种是采用DRAM作为存储介质。

　　基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别，其主体是一块PCB板，板上最基本的配件就是控制芯片、缓存芯片和用于存储数据的闪存芯片。 　　主控芯片是固态硬盘的大脑, 其作用有两个： 　　一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷； 　　二是承担数据中转的作用, 连接闪存芯片和外部SATA或USB接口。 　　不同主控芯片差异很大，在数据处理能力、算法，对闪存芯片的读写控制方面会有非常大的不同，直接会导致固态硬盘产品在性能上差距很大。 　　SSD的读操作比写操作要快，顺序读写操作比随机读写操作要快。进行随机写操作时，要擦除整块，因此需要较长的时间。另外，如果写操作试图修改一个包含其他冇用 数据的块，则需要将有用数据复制到一个新擦除的块中，然后才能进行写入操作。 　　固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘基本相同，外形和尺寸也基本与普通的2.5英寸硬盘一致。 　　固态硬盘虽然价格仍较为昂贵，容量较低，但是由于具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点，因此常作为传统机械式硬盘的替代品使用。 　　5、磁盘阵列技术 　　磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存了系统。现在常见的磁盘阵列称为廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Independent Disk, RAID）。

　　虽然RAID包含多块硬盘，但从用户视角看则是一个独立的大型存储设备。RAID可以充分发挥出多块硬盘的优势，实现远超出任何一块单独硬盘的速度和吞吐量。除了性能上的提高之外，RAID还可以提供良好的容错能力。RAID技术分为几种不同的等级， 分别可以提供不同的速度、安全性和性价比。 　　目前，常见的RAID如下表所示。RAID级别说 明RAID-0RAID-0是一种不具备容错能力的磁盘阵列。由N个磁盘存储器组成的0级阵列，其平均故障间隔时间（MTBF）是单个磁盘存储器的N分之一，但数据传输率是单个磁盘存储器的N倍RAID-1RAID-1是采用镜像容错改善可靠性的一种磁盘阵列RAID-2RAID-2是釆用海明码进行错误检测的一种磁盘阵列RAID-3RAID-3减少了用于检验的磁盘存储器的个数，从而提高了磁盘阵列的有效容量。一般 只有一个检验盘RAID-4RAID-4是一种可独立地对组内各磁盘进行读/写的磁盘阵列，该阵列也只用一个检验盘RAID-5RAID-5是对RAID-4的一种改进，它不设置专门的检验盘。同一个磁盘上既记录数据， 也记录检验信息，这就解决了前面多个磁盘机争用一个检验盘的问题RAID-6RAID-6磁盘阵列采用两级数据冗余和新的数据编码以解决数据恢复问题，使在两个磁盘出现故障时仍然能够正常工作。在进行写操作时，RAID-6分别进行两个独立的校验运算，形成两个独立的冗余数据，写入两个不同的磁盘 　　除此之外，上述各种类型的RAID还可以组合起来，构成复合型的RAID,此处不再赘述。 　　6、存储域网络 　　存储域网络是连接服务器与存储设备的网络，它能够将多个分布在不同地点的RAID 组织成一个逻辑存储设备，供多个服务器共享访问。通过网络将一个或多个服务器与多个存储设备连接起来，每个存储设备可以是RAID、磁带备份系统、磁带库和CD-ROM库等，构成了存储域网络(Storage Area Network, SAN)。 　　这样的网络不仅解决了服务器对存储容量的要求，还可以使多个服务器之间可以共享文件系统和辅助存储空间，避免数据和程序代码的重复存储，提高存储器的利用率。另外，SAN还实现了分布式存储系统的集中管理，降低了大容量存储系统的管理成本，提高了管理效率。 　　7、网络附属存储 　　NAS（Network Attached Storage：网络附属存储）是一种特殊的专用数据存储服务器，包括各种可能的存储器件和内嵌的系统软件，主要用来提供跨平台文件共享功能。NAS通常作为节点挂载到一个LAN上，无需额外的应用服务器，并且可以通过网络存取数据，NAS能够集中管理和处理存储到设备上的数据，将存储负载从服务器上转移到NAS上，有效降低存储成本。