【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

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一、磁盘存储器

大多数计算机外存储器采用磁盘记录，如今正在逐渐被SSD固态硬盘取代

磁表面存储：磁性材料薄层涂在金属或塑料表面做磁载体存储信息

• 硬磁盘存储器：基底（磁载体）是金属
• 软磁盘存储器：基底（磁载体）是塑料（已淘汰）

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