在计算机的存储系统中，（）属于外存储器。

2019年上半年上午试卷综合知识

第 6 题


知识点	存储器外存储器存储系统
关键词	存储系统外存储器存储器
章/节	硬件基础知识

A. 硬盘

B. 寄存器

C. 高速缓存

D. 内存

相关试题存储器的结构、特征分类

第9题

2021年下半年

CPU向外设(例如打印机)输出数据的速度很快，会导致外设不能及时处理收到的数据，采用()可解决这种工作速度不匹配的矛盾。

第7题

2010年下半年

使用电容存储信息且需要周期性地进行刷新的存储器是（7）。

第5题

2016年下半年

在计算机系统中总线宽度分为地址总线宽度和数据总线宽度。若计算机中地址总线的宽度为32位，则最多允许直接访问主存储器（5）物理空间。

相关试题存储器

第7题

2020年下半年

不属于计算机外部存储的是(7)。

第5题

2019年下半年

常用的虚拟存储器由（5)两级存储器组成。

第5题

2021年上半年

在主存与Cache的地址映射中，()是指主存中的任意一块可映射到Cache内的任一块位置上。

知识点讲解

· 存储器

· 外存储器

· 存储系统

存储器

存储器是计算机的一个重要组成部分，它用来保存计算机工作所必需的程序和数据。正因为有了存储器，计算机才有信息记忆功能。

分类

1）按在计算机中的作用分类

按在计算机中的作用可分为内部存储器、外部存储器和缓冲存储器。

（1）内部存储器简称内存或主存。内存是主机的一个组成部分，它用来容纳当前正在使用的，或者经常要使用的程序或数据，CPU可以直接从内部存储器取指令或存取数据。

（2）外部存储器简称外存或辅存。外存也是用来存储各种信息的，但是CPU要使用这些信息时，必须通过专门的设备将信息先传送到内存中，因此外存存放相对来说不经常使用的程序和数据。另外，外存总是和某个外部设备相关的。

（3）缓冲存储器用于两个工作速度不同的部件之间，在交换信息过程中起缓冲作用。

2）按存储介质分类

按存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器和光电存储器。

3）按存取方式分类

按存取方式可分为随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和串行访问存储器。

（1）随机存储器（Random Access Memory, RAM）又称为读写存储器，是指通过指令可以随机地、个别地对各个存储单元进行访问。它是易失性存储器，这种存储器一旦去掉其电源，则所保存的信息全部丢失。

（2）只读存储器（Read Only Memory, ROM）是一种对其内容只能读不能写入的存储器。它属于非易失性存储器，当去掉其电源后，所保存的信息仍保持不变。

（3）串行访问存储器（Serial Access Storage, SAS）是指对存储器的信息进行读写时，需要顺序地访问。

主存储器

1）主存储器的种类

主存储器一般由半导体随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）组成，其绝大部分由RAM组成。按所用元件类型来分有双极性和MOS存储器两类。前者存取速度比后者高，但集成度不如后者，价格也高，主要用于小容量存储器，后者主要用于大容量存储器。MOS存储器按存储元件在运行中能否长时间保存信息来分，有静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）两种。前者只要不断电，信息就不会丢失，而后者需要不断给电容充电才能使信息保持。由于后者密度大且较便宜，故使用较多。

2）主存储器的主要技术指标

衡量一个主存储器的性能指标主要为主存容量、可直接寻址空间、存储器存取时间、存储周期时间和带宽等。

（1）主存容量是指每个存储芯片所能存储的二进制的位数，也就是存储单元数乘以数据线位数。

（2）可直接寻址空间是由地址线位数确定的。例如，提供32位物理地址的计算机支持对4（2³²）GB的物理主存空间的访问。

（3）存储器存取时间又称为存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。

（4）存储周期时间是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。

（5）带宽是指存储器的数据传送率，即每秒传送的数据位数。

3）主存储器的构成

主存储器一般由地址寄存器、数据寄存器、存储矩阵、译码电路和控制电路组成。

（1）地址寄存器（MAR）用来存放由地址总线提供的将要访问的存储单元的地址码。

（2）数据寄存器（MDR）用来存放要写入存储矩阵或从存取矩阵中读取的数据。

（3）存储矩阵用来存放程序和数据的存储单元排成的矩阵。

（4）译码电路根据存放在地址寄存器中的地址码，在存储体中找到相应的存储单元。

（5）控制电路根据读写命令控制主存储器的各部分协作完成相应的操作。

4）主存储器的基本操作

要从存储器中取一个信息字，CPU必须指定存储器字地址，并进行"读"操作。CPU把信息字的地址送到MAR，经地址总线送往主存储器，同时CPU应用控制线发一个"读"请求。此后，CPU等待从主存储器发回来的回答信号，通知CPU"读"操作完成，说明存储字内容已经读出并放在数据总线上送入MDR。

为了存一个字到主存，CPU先将信息字在主存中的地址经MAR送到地址总线，并将信息字送到MDR，同时CPU发出"写"命令。此后，CPU等待从主存储器发回来的回答信号，通知CPU"写"操作完成，说明主存从数据总线接收到信息字并按地址总线指定的地址存储。

外存储器

外存储器的特点是容量大、价格低，但是存取速度慢，用于存放暂时不用的程序和数据。外存储器主要有磁盘存储器、磁带存储器和光盘存储器。磁盘是最常用的外存储器，通常分软磁盘和硬磁盘两类。目前，常用的外存储器有软盘、硬盘和光盘存储器。它们和内存一样，存储容量也是以字节为基本单位的。

1）软磁盘存储器

软磁盘是用柔软的聚酯材料制成圆形底片，在两个表面涂有磁性材料。目前，常用软盘的直径为3.5英寸。软磁盘安装在硬塑胶盒中，而且没有裸露部分，因此使盘片得到了更好的保护，信息在磁盘上是按磁道和扇区的形式来存放的。磁道即磁盘上的一组同心圆的信息记录区，它们由外向内编号，一般为0~79道。每条磁道被划成相等的区域，称为扇区。一般每磁道有9、15或18个扇区。每个扇区的容量为512B。一个软盘的存储容量可由下面的公式算出，即

软盘总容量=磁道数×扇区数×扇区字节数（512B）×磁盘面数（2）

例如，3.5英寸软盘有80个磁道，每条磁道18个扇区，每个扇区512B，共有两面，则其存储容量的计算公式为：

软盘容量=80×18×512×2=1 474 560B=1.44MB

扇区是软盘（或硬盘）的基本存储单元，每个扇区记录一个数据块，数据块中的数据按顺序存取。扇区也是磁盘操作的最小可寻址单位，与内存进行信息交换是以扇区为单位进行的。

在进行写入操作时，写保护开关先要对磁盘是否有写保护缺口进行检索，如果检测到有写保护缺口，则允许进行写操作；如果没有或被胶纸黏封，则不能进行写操作。

使用软磁盘应注意防磁、防潮、防污（灰尘和手摸）、防丢信息（写保护和勤复制）和防病毒（常加写保护，不使用来历不明的软磁盘）。

2）硬磁盘存储器

硬磁盘是由涂有磁性材料的铝合金圆盘组成的。目前常用的硬盘是3.5英寸的，这些硬盘通常采用温彻斯特技术，即把磁头、盘片及执行机构都密封在一个整体内，与外界隔绝，所以这种硬盘也称为温彻斯特盘。

硬盘的两个主要性能指标是硬盘的平均寻道时间和内部传输速率。一般来说，转速越高的硬盘寻道的时间越短，而且内部传输速率也越高，不过内部传输速率还受硬盘控制器Cache的影响。目前，市场上硬盘常见的转速有5400r/min、7200r/min，最快的平均寻道时间为8ms，内部传输速率最高为190MB/s。硬盘的每个存储表面被划分成若干个磁道（不同硬盘磁道数不同），每个磁道被划分成若干个扇区（不同的硬盘扇区数不同）。每个存储表面的同一道形成一个圆柱面，称为柱面。柱面是硬盘的一个常用指标。

硬盘的存储容量计算公式为

存储容量=记录面面数×每面磁道数×每扇区字节数×扇区数

例如，某硬盘有记录面15个，磁道数（柱面数）8894个，每道63扇区，每扇区512B，则其存储容量为

15×8894×512×63=4.3GB

使用硬盘应注意避免频繁开关机器电源，应使其处于正常的温度和湿度、无振动、电源稳定的良好环境。

3）光盘存储器

光盘指的是利用光学方式进行信息存储的圆盘。人们把采用非磁性介质进行光存储的技术称为第一代光存储技术，其缺点是不能像磁记录介质那样把内容抹掉后重新写入新的内容。把采用磁性介质进行光存储的技术称为第二代光学存储技术，其主要特点是可擦写。

光盘存储器可分成CD-ROM、CD-R和可擦除型光盘。

CD-ROM（Compact Disc-Read Only Memory），是只读型光盘，这种光盘的盘片是由生产厂家预先将数据或程序写入，出厂后用户只能读取，而不能写入或修改。CD-R（CD-Recordable），即一次性可写入光盘，但必须在专用的光盘刻录机中进行。可擦除型光盘可多次写入。

高速缓冲存储器

计算机的主－辅存层次解决了存储器的大容量和低成本之间的矛盾，但是在速度方面，计算机的主存和CPU一直有很大的差距，这个差距限制了CPU速度潜力的发挥。为了弥合这个差距，设置高速缓冲存储器（Cache）是解决存取速度的重要方法。就是在主存和CPU之间设置一个高速的容量相对较小的存储器，如果当前正在执行的程序和数据存放在这个存储器中，当程序运行时不必从主存取指令和数据，所以提高了程序的运行速度。它具有以下特点。

（1）位于CPU与主存之间。

（2）容量小，一般在几千字节到几兆字节之间。

（3）速度一般比主存快5~10倍，由快速半导体存储器制成。

虚拟存储器

主存的特点是速度快但容量小，CPU可直接访问。外存的特点是容量大和速度慢，CPU不能直接访问。用户的程序和数据通常放在外存中，因此需要经常在主存与外存之间取来送去，由用户来干预调度很不方便。虚拟存储器用来解决这个矛盾，使用户感到他可以直接访问整个内、外存空间，而不需用户干预。因此容量很大的速度较快的外存储器（硬磁盘）成为虚拟存储器主要组成部分。用户程序采用虚地址访问整个虚拟空间，而指令执行时只能访问主存空间。因此，必须进行虚实地址转换，把不在主存的单元内容调入主存某单元，再按转换的实地址进行访问。

外存储器

1）软磁盘存储器

软盘总容量=磁道数×扇区数×扇区字节数（512B）×磁盘面数（2）

例如，3.5英寸软盘有80个磁道，每条磁道18个扇区，每个扇区512B，共有两面，则其存储容量的计算公式为：

软盘容量=80×18×512×2=1 474 560B=1.44MB

使用软磁盘应注意防磁、防潮、防污（灰尘和手摸）、防丢信息（写保护和勤复制）和防病毒（常加写保护，不使用来历不明的软磁盘）。

2）硬磁盘存储器

硬盘的存储容量计算公式为

存储容量=记录面面数×每面磁道数×每扇区字节数×扇区数

例如，某硬盘有记录面15个，磁道数（柱面数）8894个，每道63扇区，每扇区512B，则其存储容量为

15×8894×512×63=4.3GB

使用硬盘应注意避免频繁开关机器电源，应使其处于正常的温度和湿度、无振动、电源稳定的良好环境。

3）光盘存储器

光盘存储器可分成CD-ROM、CD-R和可擦除型光盘。

存储系统

存储器的层次结构

计算机的三层存储体系结构如下图所示。

存储器层次结构示意框图

三层存储结构是高速缓存（Cache）、主存储器（Main Memory，MM）和辅助存储器（外存储器）。若将CPU内部寄存器也看作存储器的一个层次，那么存储器的层次分为4层。若有些计算机没有高速缓存，那么存储器的层次分为两层，即只有主存和辅存。

存储器的分类

1）按位置分类

存储器按位置分类，可分为内存和外存。

（1）内存（主存）：用来存储当前运行所需要的程序和数据，速度快，容量小。

（2）外存（辅存）：用来存储目前不参与运行的数据，容量大但速度慢。

2）按材料分类

存储器按材料分类，可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。

（1）磁存储器：用磁性介质做成的，如磁芯、磁泡、磁盘、磁带等。

（2）半导体存储器：根据所用元件又可分为双极型和MOS型；根据是否需要刷新又可分为静态和动态两类。

（3）光存储器：由光学、电学和机械部件等组成，如光盘存储器。

3）按工作方式分类

存储器按工作方式分类，可分为读写存储器和只读存储器。

（1）读写存储器：既能读取数据也能存入数据的存储器。

（2）只读存储器：根据数据写入方式，又可细分为固定只读存储器、可编程只读存储器、可擦除可编程只读存储器、电擦除可编程只读存储器和闪速存储器。

4）按访问方式分类

存储器按访问方式分类，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

存储器按寻址方式分类，可分为随机存储器、顺序存储器和直接存取存储器。

（1）随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）：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时间都是相同的。

（2）顺序存储器（SequentiallyAddressedMemory，SAM）：访问数据所需时fi间与数据所在存储位置有关，磁带是典型的顺序存储器。

（3）直接存取存储器（DirectAddressedMemory，DAM）：采用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控制器，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。其工作原理是把数据或数据的某一部分作为关键字，将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字。

高速缓冲存储器（可简称为高速缓存或缓存）可用在相联存储器中，在虚拟存储器中用来作段表、页表或块表存储器，还可以用在数据库和知识库中。

高速缓存

高速缓存（Cache）是位于CPU和主存之间的高速存储子系统。采用高速缓存的主要目的是提高存储器的平均访问速度，使存储器的速度与CPU的速度相匹配。Cache的存在对程序员是透明的。其地址变换和数据块的替换算法均由硬件实现。通常Cache被集成到CPU内，以提高访问速度，其主要特点是容量小、速度快、成本高。

1）Cache的组成

Cache的组成如下图所示。Cache由两部分组成，即控制部分和缓存部分。缓存部分用来存放主存的部分复制信息。控制部分的功能是：判断CPU要访问的信息是否在Cache中，若在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对Cache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的哪一块里面。

高速缓存的组成框图

2）Cache中的地址映像方法

因为处理机访问都是按主存地址访问的，而应从Cache中读写信息，因此这就需要地址映像，即把主存中的地址映射成Cache中的地址。地址映像的方法有3种，即直接映像、全相联映像和组相联映像。

（1）直接映像就是主存的块与Cache中块的对应关系是固定的。主存中的块只能存放在Cache的相同块号中。因此，只要主存地址中的主存区号与Cache中的主存区号相同，则表明访问Cache命中。一旦命中，以主存地址中的区内块号立即可得到要访问的Cache中的块。这种方式的优点是地址变换很简单，缺点是灵活性差。

（2）全相联映像允许主存的任一块可以调入Cache的任何一块的空间中。在地址变换时，利用主存地址高位表示的主存块号与Cache中的主存块号进行比较，若相同则为命中。这种方式的优点是主存的块调入Cache的位置不受限制，十分灵活；其缺点是无法从主存块号中直接获得Cache的块号，变换比较复杂，速度比较慢。

（3）组相联映像是前面两种方式的折中。具体做法是将Cache中的块再分成组。组相联映像就是规定组采用直接映像方式而块采用全相联映像方式。这种方式下，通过直接映像方式来决定组号，在一组内再用全映像方式来决定Cache中的块号。由主存地址高位决定主存区号，与Cache中区号比较可决定是否命中。主存后面的地址即为组号，但组块号要根据全相联映像方式，由记录可以决定组内块号。

3）替换算法

选择替换算法的目标是使Cache获得最高的命中率。常用的替换算法有以下几种。

（1）随机替换（RAND）算法：用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。

（2）先进先出（FIFO）算法：将最先进入的Cache信息块替换出去。

（3）近期最少使用（LRU）算法：将近期最少使用的Cache中的信息块替换出去。这种算法比先进先出算法要好些，但此法也不能保证过去不常用的将来也不常用。

（4）优化替换（OPT）算法：先执行一次程序，统计Cache的替换情况。有了这样的先验信息，在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换，达到最优的目的。

4）Cache的性能分析

若H为Cache的命中率，t_c为Cache的存取时间，t_m为主存的访问时间，则Cache的等效访问时间t_a为

t_a=Ht_c+(1-H)t_m

使用Cache比不使用Cache的CPU访问存储器的速度提高的倍数r可以用下式求得，即

虚拟存储器

虚拟存储器是由主存、辅存、存储管理单元及操作系统中存储管理软件组成的存储系统。程序员使用该存储系统时，可以使用的内存空间远远大于主存的物理空间，但实际上并不存在那么大的主存，故称其为虚拟存储器。虚拟存储器的空间大小取决于计算机的访存能力而不是实际外存的大小，实际存储空间可以小于虚拟地址空间。从程序员的角度看，外存被看作逻辑存储空间，访问的地址是一个逻辑地址（虚地址），虚拟存储器使存储系统既具有相当于外存的容量又有接近于主存的访问速度。

虚拟存储器的访问也涉及虚地址与实地址的映像、替换算法等，这与Cache中的类似。前面讲的地址映像以块为单位，而在虚拟存储器中，地址映像以页为单位。设计虚拟存储系统需考虑的指标是主存空间利用率和主存的命中率。按存储映像算法，可将虚拟存储器的管理方式分为以下3种。

（1）页式虚拟存储器。以页为信息传送单位的虚拟存储器。为实现页式管理，须建立实页与虚页间的关系表，称为页表；在页表及变换软件的控制下，可将程序的虚拟地址变换为内存的实地址。页式虚拟存储器的优点是：页表硬件少，查表速度快；主存零头少。页式虚拟存储器的缺点是：分页无逻辑意义，不利于存储保护。

（2）段式虚拟存储器。以程序的逻辑结构形成的段作为主存分配依据的一种管理方法。为实现段式管理，须建立段表；在段地址变换机构及软件的控制下，可将程序的虚拟地址变换为主存的实地址。段式虚拟存储器的优点是：段的界线分明；支持程序的模块化设计；易于对程序段的编译、修改和保护；便于多道程序的共享。段式虚拟存储器的主要缺点是：主存利用率不高，查表速度慢。

（3）段页式虚拟存储器。这是将段式虚拟存储器和页式虚拟存储器结合的一种管理方式。在这种虚拟存储器中，程序按逻辑结构分段，每一段再分成若干大小固定的页。程序的调入调出是按页进行的，而程序又可按段实现保护。这种管理方式兼有两者的优点，但地址变换速度比较慢。

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，将其以文件为单位调入主存后方可访问。外存由磁表面存储器（如磁盘、磁带）及光盘存储器构成。

1）磁盘存储器

（1）磁盘存储器的构成。磁盘存储器由盘片、驱动器、控制器和接口组成。盘片用来存储信息；驱动器用于驱动磁头沿盘面径向运动以寻找目标磁道位置，驱动盘片以额定速率稳定旋转，并且控制数据的写入和读出；控制器接收主机发来的命令，将它转换成磁盘驱动器的控制命令，并实现主机和驱动器之间数据格式的转换及数据传送，以控制驱动器的读写操作；接口是主机和磁盘存储器之间的连接逻辑。

（2）磁盘存储器的种类。根据所用材质的不同，磁盘存储器分为软盘和硬盘。

①软盘。为了正确存储信息，将盘片划成许多同心圆，称为磁道，从外到里编号，最外一圈为0道，往内道号依次增加。沿径向的单位距离的磁道数称为道密度，单位为tpi。将一个磁道沿圆周等分为若干段，每段称为一个扇段或扇区，每个扇区内可存放一个固定长度的数据块。磁道上单位距离可记录的比特数称为位密度，单位为bpi。因为每条磁道上的扇区数相同，而每个扇区的大小又一样，所以每个磁道都记录同样多的信息。又因为里圈磁道的圆周比外圈磁道的圆周小，所以里圈磁道的位密度要比外圈磁道的位密度高。最内圈的位密度称为最大位密度。

磁盘容量有两种指标：一种是非格式化容量，它是指一个磁盘所能存储的总位数；另一种是格式化容量，它是指各扇区中数据区容量的总和。计算公式分别为：

非格式化容量=面数×(磁道数/面)×内圆周长×最大位密度

格式化容量=面数×(磁道数/面)×(扇区数/道)×(字节数/扇区)

②硬盘。按盘片是否固定、磁头是否移动等指标，硬盘可分为移动磁头固定盘片的磁盘存储器、固定磁头的磁盘存储器、移动磁头可换盘片的磁盘存储器和温彻斯特磁盘存储器（简称温盘）。一个硬盘驱动器内可装多个盘片，组成盘片组，每个盘片都配有一个独立的磁头。所以记录面上相同序号的磁道构成一个圆柱面，其编号与磁道编号相同。文件存储在硬盘上时尽可能放在同一圆柱面上，或者放在相邻柱面上，这样可以缩短寻道时间。

2）光盘存储器

（1）光盘存储器的类型。根据性能和用途，可分为只读型光盘、只写一次型光盘和可擦除型光盘。

（2）光盘存储器的组成及特点。光盘存储器由光学、电学和机械部件等组成。特点是：记录密度高；存储容量大；采用非接触式读写信息；信息可长期保存；采用多通道记录时数据传输率可超过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。

磁盘阵列技术

磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成的、快速大容量且高可靠的外存子系统。现在常见的廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID），就是一种由多块廉价磁盘构成的冗余阵列。虽然RAID包含多块磁盘，但是在操作系统下是作为一个独立的大型存储设备出现的。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，如下表所示。

廉价冗余磁盘阵列（RAID）

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