第3版第6章存儲系統(tǒng)

1、2022-6-271第第3 3篇篇 存儲系統(tǒng)與存儲系統(tǒng)與 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)硬件組成角度：硬件組成角度： 了解存儲器及各種了解存儲器及各種I/OI/O設(shè)備的組成原理，以及連接整機的方法。設(shè)備的組成原理，以及連接整機的方法?？刂瓶刂艻/OI/O傳送的角度傳送的角度： 3 3種控制方式，以種控制方式，以及控制方式對接口和及控制方式對接口和I/OI/O程序的影響。程序的影響。軟件組成角度軟件組成角度： 3 3個層次：用戶程序?qū)€層次：用戶程序?qū)/OI/O設(shè)備的調(diào)用，設(shè)備的調(diào)用，OSOS中的驅(qū)動程序，中的驅(qū)動程序，I/OI/O設(shè)備控制器中的控制程序。設(shè)備控制器中的控制程序。112022-

2、6-272第第6 6章章 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 存儲原理存儲原理6.3 6.3 主存儲器的組織主存儲器的組織6.4 6.4 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器6.5 6.5 外部存儲器外部存儲器6.6 6.6 物理存儲系統(tǒng)的組織物理存儲系統(tǒng)的組織6.7 6.7 虛擬存儲系統(tǒng)的組織虛擬存儲系統(tǒng)的組織2022-6-2736.1 6.1 概述概述6.1.1 6.1.1 存儲器的分類存儲器的分類1.1.按存儲器在系統(tǒng)中的作用分類按存儲器在系統(tǒng)中的作用分類（1 1）內(nèi)部存儲器）內(nèi)部存儲器主要存放主要存放CPUCPU當(dāng)前使用當(dāng)前使用的程序和數(shù)據(jù)。的程

3、序和數(shù)據(jù)。速度快速度快容量有限容量有限（內(nèi)存、主存）（內(nèi)存、主存）（2 2）外部存儲器）外部存儲器存放大量的后備程序和數(shù)據(jù)。存放大量的后備程序和數(shù)據(jù)。速度較慢速度較慢容量大容量大（輔存、外存）（輔存、外存）（3 3）高速緩沖存儲器）高速緩沖存儲器存放存放CPUCPU在當(dāng)前一小段時間內(nèi)在當(dāng)前一小段時間內(nèi)多次使用的程序和數(shù)據(jù)。多次使用的程序和數(shù)據(jù)。速度很快速度很快容量小容量小2022-6-2742.2.按存取方式分類按存取方式分類隨機存取：隨機存?。?可按地址對任一存儲單元進行讀寫，可按地址對任一存儲單元進行讀寫，（1 1）隨機存取存儲器（）隨機存取存儲器（RAMRAM）訪問時間與單元地址無關(guān)。訪

4、問時間與單元地址無關(guān)。（2 2）只讀存儲器（）只讀存儲器（ROMROM）隨機存取存儲器的特例，只能讀不能寫。隨機存取存儲器的特例，只能讀不能寫。（3 3）順序存取存儲器（）順序存取存儲器（SAMSAM）訪問時，讀訪問時，讀/ /寫部件按順序查找目標(biāo)地址，寫部件按順序查找目標(biāo)地址，訪問時間與數(shù)據(jù)位置有關(guān)。訪問時間與數(shù)據(jù)位置有關(guān)。（4 4）直接存取存儲器（）直接存取存儲器（DAMDAM）訪問時訪問時, ,讀讀/ /寫部件先直接指向一個小區(qū)域，再在寫部件先直接指向一個小區(qū)域，再在該區(qū)域內(nèi)順序查找。訪問時間與數(shù)據(jù)位置有關(guān)。該區(qū)域內(nèi)順序查找。訪問時間與數(shù)據(jù)位置有關(guān)。2022-6-2753.3.按存儲介質(zhì)

5、分類按存儲介質(zhì)分類（1 1）磁芯存儲器）磁芯存儲器利用不同的剩磁狀態(tài)存儲信息，利用不同的剩磁狀態(tài)存儲信息，容量小、速度慢、體積大、可靠性低。容量小、速度慢、體積大、可靠性低。已淘汰已淘汰（2 2）半導(dǎo)體存儲器）半導(dǎo)體存儲器MOSMOS型型雙極型雙極型集成度高、功耗低，集成度高、功耗低，作主存作主存集成度低、功耗大，速度快，集成度低、功耗大，速度快，作作CacheCache容量大，容量大，長期保存信息，長期保存信息，利用磁層上不同方向的磁化區(qū)域表示信息。利用磁層上不同方向的磁化區(qū)域表示信息。非破壞性讀出，非破壞性讀出，作外存。作外存。（3 3）磁表面存儲器）磁表面存儲器速度慢。速度慢。2022-

6、6-276（4 4）光盤存儲器）光盤存儲器速度慢。速度慢。激光控制，利用光斑的有無表示信息。激光控制，利用光斑的有無表示信息。容量很大，容量很大，非破壞性讀出，非破壞性讀出，長期保存信息，長期保存信息，作外存。作外存。4.4.按信息的可保存性分類按信息的可保存性分類斷電后信息消失斷電后信息消失易失性（揮發(fā)性）存儲器易失性（揮發(fā)性）存儲器斷電后信息仍然保存斷電后信息仍然保存永久性存儲器永久性存儲器6.1.2 6.1.2 主存的主要技術(shù)指標(biāo)主存的主要技術(shù)指標(biāo)1.1.存儲容量存儲容量主存所能容納的二進制信息總量。主存所能容納的二進制信息總量。2022-6-2772.2.存取速度存取速度存取時間存取時

7、間存取周期存取周期訪問時間、讀寫時間訪問時間、讀寫時間讀寫周期讀寫周期3.3.可靠性可靠性規(guī)定時間內(nèi)存儲器無故障讀寫的概率。規(guī)定時間內(nèi)存儲器無故障讀寫的概率。用平均無故障時間來衡量。用平均無故障時間來衡量。4.4.存取寬度存取寬度一次可以存取的數(shù)據(jù)位數(shù)或字節(jié)數(shù)。一次可以存取的數(shù)據(jù)位數(shù)或字節(jié)數(shù)。常用容量單位：常用容量單位：ByteByte、KBKB、MBMB、GBGB、TBTB2022-6-2786.2 6.2 存儲原理存儲原理6.2.1 6.2.1 半導(dǎo)體存儲器的存儲原理半導(dǎo)體存儲器的存儲原理MOSMOS型型電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)PMOSPMOSNMOSNMOSCMOSCMOS工作方式工作方式靜態(tài)靜

8、態(tài)MOSMOS動態(tài)動態(tài)MOSMOS存儲存儲信息信息原理原理靜態(tài)存儲器靜態(tài)存儲器SRAMSRAM動態(tài)存儲器動態(tài)存儲器DRAMDRAM依靠雙穩(wěn)態(tài)電路內(nèi)部交叉反饋的機制依靠雙穩(wěn)態(tài)電路內(nèi)部交叉反饋的機制存儲信息。存儲信息。功耗較小功耗較小, ,容量大容量大, ,速度較快速度較快, ,作主存作主存。功耗較大功耗較大, ,速度快速度快, ,作作CacheCache。制造制造工藝工藝雙極型雙極型依靠電容存儲電荷的原理存儲信息。依靠電容存儲電荷的原理存儲信息。2022-6-2791.1.半導(dǎo)體靜態(tài)存儲器的存儲原理半導(dǎo)體靜態(tài)存儲器的存儲原理（1 1）組成）組成T1T1、T3T3：MOSMOS反相器反相器VccV

9、cc觸發(fā)器觸發(fā)器T3T3T1T1T4T4T2T2T2T2、T4T4：MOSMOS反相器反相器T5T5T6T6T5T5、T6T6：控制門管控制門管Z ZZ Z：字線，選擇存儲單元字線，選擇存儲單元W WW W（2 2）定義）定義存存 “ “0”0”：T1T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2T2截截止；止；存存 “ “1”1”：T1T1截止，截止，T2T2導(dǎo)導(dǎo)通。通。W W 、W W：位線，完成讀位線，完成讀/ /寫操作寫操作A AB B2022-6-2710（3 3）工作）工作T5T5、T6T6導(dǎo)通，導(dǎo)通，選中該單元。選中該單元。Z Z：加高電平，加高電平，（4 4）保持）保持VccVccW WT3T3T1T1

10、T4T4T2T2T5T5T6T6Z ZW W讀出讀出：根據(jù)：根據(jù) W W、W W上有無電流，讀上有無電流，讀1/01/0。Z Z加低電平，加低電平，T5T5、T6T6截止，位線與雙穩(wěn)態(tài)電路截止，位線與雙穩(wěn)態(tài)電路分離，保持原有狀態(tài)不變。分離，保持原有狀態(tài)不變。寫入：寫入：W低低、W高電平，寫高電平，寫0W高高、W低電平，寫低電平，寫1靜態(tài)單元是非破壞性讀出，讀后不需重寫。靜態(tài)單元是非破壞性讀出，讀后不需重寫。2022-6-27112.2.半導(dǎo)體動態(tài)存儲器的存儲原理半導(dǎo)體動態(tài)存儲器的存儲原理（1 1）四管單元）四管單元（a a）組成組成T1T1、T2T2：記憶管記憶管C1C1、C2C2：柵極電容柵

11、極電容T3T3、T4T4：控制門管控制門管Z Z：字線字線W W、 W W：位線位線（b b）定義定義“0”“0”：T1T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2T2截止截止“1”“1”：T1T1截止，截止，T2T2導(dǎo)通導(dǎo)通T1T1T2T2T3T3T4T4Z ZW WW WC1C1C2C2（C1C1有電荷，有電荷，C2C2無電荷）；無電荷）；（C1C1無電荷，無電荷，C2C2有電荷）。有電荷）。（c c）工作工作Z Z加高電平，加高電平，T3T3、T4T4導(dǎo)通，選中該單元。導(dǎo)通，選中該單元。2022-6-2712（d d）保持）保持寫入：寫入：在在W W、W W上上分別加高、低電分別加高、低電平，寫平，寫1/01/

12、0。讀出：讀出：W W、W W先預(yù)先預(yù)充電至高電平，充電至高電平，斷開充電回路，斷開充電回路，再根據(jù)再根據(jù)W W、W W上有上有無電流，讀無電流，讀1/01/0。Z Z加低電平加低電平， T3T3、T4T4截止，截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。該單元未選中，保持原狀態(tài)。需定期向電容補充電荷需定期向電容補充電荷( (動態(tài)刷新動態(tài)刷新) )，所以稱動態(tài)。，所以稱動態(tài)。 四管單元是非破壞性讀出，讀出過程即實現(xiàn)刷新。四管單元是非破壞性讀出，讀出過程即實現(xiàn)刷新。T1T1T2T2T3T3T4T4Z ZW WW WC1C1C2C22022-6-2713（2 2）單管單元）單管單元 組成組成C C：記憶單元：

13、記憶單元C CW WZ ZT TT T：控制門管：控制門管Z Z：字線：字線W W：位線：位線定義定義保持保持寫入：寫入：Z Z加高電平，加高電平，T T導(dǎo)通，導(dǎo)通，在在W W上加高上加高/ /低電平，寫低電平，寫1/01/0。讀出：讀出：W W先預(yù)充電，先預(yù)充電，斷開充電回路；斷開充電回路；Z Z：加低電平，：加低電平，T T截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。單管單元是破壞性讀出，讀出后需重寫。單管單元是破壞性讀出，讀出后需重寫?！?”“0”：C C無電荷，電平無電荷，電平V0V0（低）（低）“1”“1”：C C有電荷，電平有電荷，電平V1V1（高）（高）工作工

14、作Z Z加高電平，加高電平，T T導(dǎo)通；導(dǎo)通；根據(jù)根據(jù)W W線電位的變化，讀線電位的變化，讀1/01/0。2022-6-27146.2.2 6.2.2 磁表面存儲器的存儲原理磁表面存儲器的存儲原理1.1.記錄介質(zhì)與磁頭記錄介質(zhì)與磁頭介質(zhì)：介質(zhì)：磁層（矩磁薄膜），依附在基體上磁層（矩磁薄膜），依附在基體上磁頭：磁頭：讀寫部件讀寫部件2.2.讀寫原理讀寫原理（1 1）寫入）寫入磁頭線圈中加入磁化電流（寫電流），并使磁層移磁頭線圈中加入磁化電流（寫電流），并使磁層移動，在磁層上形成連續(xù)的小段磁化區(qū)域（位單元）。動，在磁層上形成連續(xù)的小段磁化區(qū)域（位單元）。（2 2）讀出）讀出磁頭線圈中不加電流，磁層

15、移動。當(dāng)位單元的磁頭線圈中不加電流，磁層移動。當(dāng)位單元的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變區(qū)變區(qū)經(jīng)過磁頭下方時，在線圈兩端產(chǎn)生經(jīng)過磁頭下方時，在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢。2022-6-27153.3.磁記錄編碼方式磁記錄編碼方式寫電流波形的組成方式。寫電流波形的組成方式。提高可靠性提高可靠性提高記錄密度提高記錄密度減少轉(zhuǎn)變區(qū)數(shù)目減少轉(zhuǎn)變區(qū)數(shù)目具有自同步能力具有自同步能力（1 1）歸零制（）歸零制（RZRZ）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1每一位有兩個轉(zhuǎn)變區(qū)，記錄密度低。每一位有兩個轉(zhuǎn)變區(qū)，記錄密度低。（2 2）不歸零制（）不歸零制（NRZNRZ）0 0 1 1 0 10 0 1 1 0

16、1I I0 0t t轉(zhuǎn)變區(qū)少，無自同步能力。轉(zhuǎn)變區(qū)少，無自同步能力。2022-6-2716（3 3）不歸零）不歸零-1-1制（制（NRZ1NRZ1）寫寫1 1時電流極性變，寫時電流極性變，寫0 0時電流極性不變。時電流極性不變。0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1I I0 0t t轉(zhuǎn)變區(qū)少，無自同步能力。轉(zhuǎn)變區(qū)少，無自同步能力。用于早期低速磁帶機。用于早期低速磁帶機。（4 4）調(diào)相制（）調(diào)相制（PMPM） I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1轉(zhuǎn)變區(qū)多，有自同步能力。轉(zhuǎn)變區(qū)多，有自同步能力。I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1轉(zhuǎn)變區(qū)多，

17、有自同步能力。轉(zhuǎn)變區(qū)多，有自同步能力。用于早期磁盤。用于早期磁盤。用于快速啟停磁帶機。用于快速啟停磁帶機。（5 5）調(diào)頻制（）調(diào)頻制（FMFM）也叫相位編碼制也叫相位編碼制PEPE每個單元都每個單元都有極性轉(zhuǎn)變有極性轉(zhuǎn)變2022-6-2717寫寫1 1時位單元中間電流變，相鄰的時位單元中間電流變，相鄰的0 0交界處電流變。交界處電流變。轉(zhuǎn)變區(qū)少，有自同步能力。轉(zhuǎn)變區(qū)少，有自同步能力。用于磁盤。用于磁盤。（6 6）改進型調(diào)頻制（）改進型調(diào)頻制（MFMMFM）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1可壓縮位單元長度：可壓縮位單元長度：I I0 0t t0 0 1 1 0 10

18、 0 1 1 0 1（7 7）群碼制（）群碼制（GCRGCR）記錄碼中連續(xù)的記錄碼中連續(xù)的0 0不超過不超過2 2個；個； 按按NRZ1NRZ1方式寫入。方式寫入。轉(zhuǎn)變區(qū)少，有自同步能力。轉(zhuǎn)變區(qū)少，有自同步能力。用于數(shù)據(jù)流磁帶機。用于數(shù)據(jù)流磁帶機。2022-6-27186.2.3 6.2.3 光存儲器的存儲原理光存儲器的存儲原理1.1.形變型光盤形變型光盤（1 1）定義）定義有孔為有孔為1 1，無孔為，無孔為0 0（2 2）寫入）寫入寫寫1 1，高功率激光照射介質(zhì)，形成凹坑；，高功率激光照射介質(zhì)，形成凹坑；寫寫0 0，不發(fā)射激光束，介質(zhì)不變。，不發(fā)射激光束，介質(zhì)不變。（3 3）讀出）讀出 低功

19、率激光掃描光道，根據(jù)反射光強低功率激光掃描光道，根據(jù)反射光強弱判斷是弱判斷是1 1或或0 0。形變不可逆，不可改寫形變不可逆，不可改寫2.2.相變型光盤相變型光盤寫入寫入 寫寫1 1，高功率激光照射介質(zhì)，晶粒直徑變大；，高功率激光照射介質(zhì)，晶粒直徑變大；寫寫0 0，不發(fā)射激光束，晶粒不變。，不發(fā)射激光束，晶粒不變。讀出讀出 低功率激光掃描光道，根據(jù)反射率的差別低功率激光掃描光道，根據(jù)反射率的差別判斷是判斷是1 1或或0 0。相變可逆，可改寫相變可逆，可改寫2022-6-27193.3.磁光型光盤磁光型光盤可改寫可改寫寫入前：外加磁場，使介質(zhì)呈某種磁化方向?qū)懭肭埃和饧哟艌?，使介質(zhì)呈某種磁化方向讀

20、出讀出熱磁效應(yīng)寫，磁光效應(yīng)讀熱磁效應(yīng)寫，磁光效應(yīng)讀寫寫1 1，激光照射并外加磁場改變磁化方向；激光照射并外加磁場改變磁化方向；寫寫0 0，未被照射區(qū)域，磁化方向不變。未被照射區(qū)域，磁化方向不變。低功率激光掃描光道，根據(jù)反射光的偏轉(zhuǎn)低功率激光掃描光道，根據(jù)反射光的偏轉(zhuǎn)角度判斷是角度判斷是1 1或或0 0。6.3 6.3 主存儲器的組織主存儲器的組織6.3.1 6.3.1 主存儲器的邏輯設(shè)計主存儲器的邏輯設(shè)計需解決：需解決： 芯片的選用、芯片的選用、 地址分配與片選邏輯、地址分配與片選邏輯、信號線的連接。信號線的連接。寫入寫入2022-6-2720例：例：某半導(dǎo)體存儲器，總?cè)萘磕嘲雽?dǎo)體存儲器，總?cè)?/p>

21、量4KB4KB。其中固化區(qū)。其中固化區(qū)2KB2KB，選用，選用EPROMEPROM芯片芯片27162716（2Kx8/2Kx8/片）；工作區(qū)片）；工作區(qū)2KB2KB，選用，選用SRAMSRAM芯片芯片21142114（1Kx4/1Kx4/片）。地址總線片）。地址總線A15A15A0A0（低），雙向數(shù)據(jù)總線（低），雙向數(shù)據(jù)總線D7D7D0D0。給出地址分配和片選邏輯，并畫出邏輯框圖給出地址分配和片選邏輯，并畫出邏輯框圖。（1 1）計算芯片數(shù)）計算芯片數(shù)ROMROM區(qū)：區(qū)： 2Kx8 2Kx8 1 1片片27162716 RAMRAM區(qū)：區(qū)： 位擴展位擴展2 2片片1Kx41Kx4 1Kx81Kx

22、8 2 2組組1Kx81Kx8 2KB2KB 4 4片片2114 2114 字?jǐn)U展字?jǐn)U展（2 2）地址分配與片選邏輯）地址分配與片選邏輯存儲器存儲器 尋址邏輯尋址邏輯芯片內(nèi)的尋址芯片內(nèi)的尋址芯片外的芯片外的地址分配地址分配與與片選邏輯片選邏輯1.1.存儲器邏輯設(shè)計存儲器邏輯設(shè)計2022-6-2721大容量芯片在地址低端大容量芯片在地址低端, ,小容量小容量芯片在地址高端芯片在地址高端。存儲空間分配：存儲空間分配：A A1515A A1414A A1313A A1212A A1111A A1010A A9 9A A0 0 0 0 0 00 00 0 1 01 0 1 11 1 1 01 0 0

23、00 04KB4KB需需1212位地位地址尋址尋址：址：ROMROMA11A11A0A064KB64KB2KB2KB1Kx41Kx4RAMRAM1Kx41Kx41Kx41Kx41Kx41Kx4 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 0 00 0 0 0 1 11 11 1低位地址分配給芯片，高位地址形成片選邏輯。低位地址分配給芯片，高位地址形成片選邏輯。 芯片芯片 芯片地址芯片地址 片選信號片選信號 片選邏輯片選邏輯2K2K1K1K1K1KA10A10A0A0A9A9A0A0A9A9A0A0CS0CS0CS1CS1CS2CS2A A1111A A1111A A1010A A1111A

24、A10102022-6-2722（3 3）連接方式）連接方式擴展位數(shù)擴展位數(shù) 27164A10A0D7D4D3D044R/WA11 A10CS0A11A11 A10擴展單元數(shù)擴展單元數(shù)連接控制線連接控制線CS1CS2 2114 211444A9A0 2114 211444A9A04形成片選邏輯電路形成片選邏輯電路2022-6-27232.2.動態(tài)存儲器的刷新動態(tài)存儲器的刷新單管存儲單元：定期向電容補充電荷單管存儲單元：定期向電容補充電荷最大刷新周期：最大刷新周期：2ms2ms刷新方法：刷新方法： 各芯片同時，片內(nèi)按行各芯片同時，片內(nèi)按行刷新一行所用時間刷新一行所用時間刷新周期：刷新周期：對主存

25、對主存的訪問的訪問由由CPUCPU提供行、列地提供行、列地址，隨機訪問。址，隨機訪問。讀讀/ /寫寫/ /保持：保持：動態(tài)刷新：動態(tài)刷新：由刷新地址計數(shù)器提由刷新地址計數(shù)器提供行地址，定時刷新。供行地址，定時刷新。2ms2ms內(nèi)集中安排所有刷新周期內(nèi)集中安排所有刷新周期死區(qū)死區(qū)用在實時用在實時要求不高要求不高的場合的場合（1 1）集中刷新）集中刷新R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新2ms2ms50ns50ns2022-6-2724（2 2）分散刷新）分散刷新各刷新周期分散安排在存取周期中。各刷新周期分散安排在存取周期中。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新100ns100ns用在低速

26、用在低速系統(tǒng)中系統(tǒng)中2ms2ms例例. .各刷新周期分散安排在各刷新周期分散安排在2ms2ms內(nèi)。內(nèi)。用在大多數(shù)計算機中用在大多數(shù)計算機中128128行行15.6 15.6 微秒微秒每隔每隔15.615.6微秒提一次刷微秒提一次刷新請求，刷新一行；新請求，刷新一行；2 2毫秒內(nèi)刷新完所有行。毫秒內(nèi)刷新完所有行。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新R/WR/WR/WR/WR/WR/W15.615.6微秒微秒15.6 15.6 微秒微秒15.6 15.6 微秒微秒刷新請求刷新請求（DMADMA請求）請求）（3 3）異步刷新）異步刷新刷新請求刷新請求（DMADMA請求）請求）2022-6-272

27、56.3.2 6.3.2 主存儲器與主存儲器與CPUCPU的連接的連接（2）較大系統(tǒng)模式CPU存儲器存儲器地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)R/W（1）最小系統(tǒng)模式CPU存儲器存儲器地址地址地址鎖存器地址鎖存器收發(fā)緩沖器收發(fā)緩沖器總線控制器總線控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制控制1.1.系統(tǒng)模式系統(tǒng)模式（3）專用存儲總線模式2.2.速度匹配與時序控制速度匹配與時序控制總線周期時鐘周期異步控制同步控制擴展同步控制CPU與主存間建立專用高速存儲總線CPUCPU內(nèi)部操作內(nèi)部操作 訪存操作訪存操作 2022-6-27263.3.數(shù)據(jù)通路匹配數(shù)據(jù)通路匹配解決主存與數(shù)據(jù)總線之間的寬度匹配解決主存與數(shù)據(jù)總線之間的寬度匹配 8086存儲器匹

28、配方式如下：存儲器匹配方式如下：D7 D0奇地址（高字節(jié)）奇地址（高字節(jié)）存儲體存儲體512K 8 A18 A0D15 D8D7 D0A0A19 A1D7 D0偶地址（低字節(jié)）偶地址（低字節(jié)）存儲體存儲體512K 8 A18 A0BHESELSEL4.4.主存的控制信號主存的控制信號讀寫命令、存儲器選擇命令等讀寫命令、存儲器選擇命令等2022-6-27276.3.3 Pentium CPU6.3.3 Pentium CPU與存儲器組織與存儲器組織1.1.主存連接與讀寫組織主存連接與讀寫組織通過系統(tǒng)控制器連接通過系統(tǒng)控制器連接CPUCPU與主存儲器與主存儲器2022-6-27282.2.讀寫時序

29、讀寫時序（1）非流水線周期基本存儲周期包括基本存儲周期包括2 2個時鐘周期個時鐘周期非流水線的讀周期時序非流水線的讀周期時序2022-6-2729（2）插入等待狀態(tài)周期在在T2T2之后插入等待狀態(tài)，直到之后插入等待狀態(tài)，直到 有效有效BRDY插入插入4 4個等待狀態(tài)的讀周期時序個等待狀態(tài)的讀周期時序2022-6-2730（3）猝發(fā)周期在一個猝發(fā)周期的在一個猝發(fā)周期的5 5個時鐘周期內(nèi)，可以傳個時鐘周期內(nèi)，可以傳送送4 4個個6464位的數(shù)據(jù)。位的數(shù)據(jù)。2022-6-27316.3.4 6.3.4 高級高級DRAMDRAM1.1.增強型增強型DRAMDRAM改進改進CMOSCMOS制造工藝，集成

30、制造工藝，集成小容量小容量SRAM CacheSRAM Cache2.2.帶帶CacheCache的的DRAMDRAM集成集成SRAMSRAM存儲矩陣存儲矩陣3.3.同步同步DRAM(SDRAM)DRAM(SDRAM)兩個交互工作的存儲兩個交互工作的存儲陣列與陣列與CPUCPU同步工作同步工作4.DDR SDRAM4.DDR SDRAM更先進的同步電路，更先進的同步電路，DLLDLL技術(shù)技術(shù)5.Rambus DRAM5.Rambus DRAM主要解決存儲器帶寬問題主要解決存儲器帶寬問題6.RamLink6.RamLink主要對處理器與存儲器的接主要對處理器與存儲器的接口進行改革口進行改革202

31、2-6-27326.4 6.4 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器CacheCache6.4.1 Cache6.4.1 Cache的工作原理的工作原理原理：原理：基于程序和數(shù)據(jù)訪問的基于程序和數(shù)據(jù)訪問的局部性局部性目的：目的：減少訪存次數(shù)，加快運行速度減少訪存次數(shù)，加快運行速度方法：方法：在在CPUCPU和主存之間設(shè)置小容量的高和主存之間設(shè)置小容量的高速存儲器。速存儲器。CacheCache與與CPUCPU及主存的關(guān)系及主存的關(guān)系2022-6-27336.4.2 Cache6.4.2 Cache的組織的組織1.1.地址映像地址映像（1）直接映像主存的頁只主存的頁只能復(fù)制到某能復(fù)制到某一固定的一固定的

32、CacheCache頁。頁。容易實現(xiàn)，但容易實現(xiàn)，但缺乏靈活性缺乏靈活性CacheCache與主存空間劃分成相同大小的與主存空間劃分成相同大小的頁頁（塊）（塊）2022-6-2734（2）全相連映像主存的每一頁可映像到主存的每一頁可映像到CacheCache的任一頁。的任一頁。映像關(guān)系靈活，但速度慢。映像關(guān)系靈活，但速度慢。2022-6-2735（3）組相連映像主存與主存與CacheCache都分組都分組比直接映像靈活，比全相聯(lián)映像速度快。比直接映像靈活，比全相聯(lián)映像速度快。主存頁與主存頁與CacheCache組號固定映像組號固定映像CacheCache組內(nèi)自由映像組內(nèi)自由映像2022-6-2

33、7362.2.替換算法替換算法（1）先進先出算法FIFO（2）最近最少使用算法LRU按頁面調(diào)入按頁面調(diào)入CacheCache的先后順序決定調(diào)出順序的先后順序決定調(diào)出順序近期使用最少的頁面先調(diào)出近期使用最少的頁面先調(diào)出3.Cache3.Cache的讀的讀/ /寫過程寫過程讀讀將主存地址同時送往主存和將主存地址同時送往主存和CacheCacheCacheCache命中命中CacheCache失敗失敗從主存讀從主存讀寫寫寫回法寫回法寫直達(dá)法寫直達(dá)法同時寫同時寫CacheCache和主存和主存將數(shù)據(jù)送訪存源將數(shù)據(jù)送訪存源CacheCache頁被替換時，才寫入主存頁被替換時，才寫入主存2022-6-27

34、374.4.多層次多層次CacheCache存儲器存儲器片內(nèi)片內(nèi)CacheCache（L1L1）片外片外CacheCache（L2L2）集成在集成在CPUCPU芯片內(nèi)芯片內(nèi)統(tǒng)一統(tǒng)一CacheCache安裝在主板上安裝在主板上分離分離CacheCache指令和數(shù)據(jù)在同一個指令和數(shù)據(jù)在同一個CacheCache中中, ,在取在取指令和取數(shù)的指令和取數(shù)的負(fù)載負(fù)載之間之間自動平衡自動平衡。指令和數(shù)據(jù)分別在不同的指令和數(shù)據(jù)分別在不同的CacheCache中，中，避免避免了了CacheCache在指令預(yù)取器和執(zhí)行在指令預(yù)取器和執(zhí)行單元之間的單元之間的競爭競爭。L1L16.4.3 PentiumII6.4.

35、3 PentiumII CPU CPU的的CacheCache組織組織L1(32K)L1(32K)分離分離CacheCacheL2L2（512KB512KB）16K16K數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) + 16K+ 16K指令指令四路組相聯(lián)四路組相聯(lián)2022-6-2738雙重獨立總線雙重獨立總線為解決數(shù)據(jù)為解決數(shù)據(jù)CacheCache的一致性，支持的一致性，支持MESIMESI協(xié)議協(xié)議CPUCPU到到L2L2CPUCPU到主存到主存6.5 6.5 外部存儲器外部存儲器主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)存儲密度存儲密度單位單位長度長度內(nèi)存儲的二進制位數(shù)內(nèi)存儲的二進制位數(shù)存儲容量存儲容量：一臺外部存儲器所能存儲的一臺外部存儲器所

36、能存儲的二進制信二進制信息總量息總量主要特點：主要特點：大容量、永久存儲大容量、永久存儲位密度位密度面密度面密度單位單位面積面積內(nèi)存儲的二進制位數(shù)內(nèi)存儲的二進制位數(shù)作用：存訪暫不運行的程序和數(shù)據(jù)作用：存訪暫不運行的程序和數(shù)據(jù)2022-6-2739速度指標(biāo)速度指標(biāo)平均尋址時間平均尋址時間數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率平均尋道時間平均尋道時間平均旋轉(zhuǎn)延遲平均旋轉(zhuǎn)延遲Kb/sKb/s、KB/sKB/s誤碼率：誤碼率：讀出時出錯的概率讀出時出錯的概率6.5.1 6.5.1 硬磁盤存儲器硬磁盤存儲器1.1.硬盤的基本結(jié)構(gòu)與分類硬盤的基本結(jié)構(gòu)與分類適用于調(diào)用較頻繁的場合，常作主存的直接后援。適用于調(diào)用較頻繁的場合，

37、常作主存的直接后援。硬盤硬盤硬盤驅(qū)動器硬盤驅(qū)動器硬盤適配器硬盤適配器 硬盤控制邏輯及接口硬盤控制邏輯及接口盤片、磁頭盤片、磁頭定位系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)定位系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)組成組成2022-6-2740按盤片是否可換分類按盤片是否可換分類可換盤片式可換盤片式固定盤片式固定盤片式按盤片尺寸分類按盤片尺寸分類1414、8 8 英寸英寸5.255.25、3.53.5、2.5 2.5 英寸英寸1.81.8、1.3 1.3 英寸英寸2.2.信息分布信息分布盤組：盤組：多個盤片，雙面記錄。多個盤片，雙面記錄。各記錄面上相同序號的磁道構(gòu)成一個各記錄面上相同序號的磁道構(gòu)成一個圓柱面。圓柱面。圓柱面：圓柱面：扇區(qū)（定長記

38、錄格式）扇區(qū)（定長記錄格式） 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊記錄塊（不定長記錄格式）記錄塊（不定長記錄格式） 無扇區(qū)化分無扇區(qū)化分 磁道：磁道： 盤片旋轉(zhuǎn)一周，磁化區(qū)構(gòu)成的閉合圓環(huán)盤片旋轉(zhuǎn)一周，磁化區(qū)構(gòu)成的閉合圓環(huán)2022-6-2741存儲密度存儲密度道密度道密度位密度位密度單位長度內(nèi)的磁道數(shù)單位長度內(nèi)的磁道數(shù)磁道上單位長度內(nèi)的二進制位數(shù)磁道上單位長度內(nèi)的二進制位數(shù)各道容量相同各道容量相同, ,各道各道位密度位密度不同不同, ,內(nèi)圈位密度最高。內(nèi)圈位密度最高。 非格式化容量非格式化容量= =內(nèi)圈位密度內(nèi)圈位密度內(nèi)圈周長內(nèi)圈周長道數(shù)道數(shù)/ /面面面數(shù)面數(shù)格式化容量格式化容量= =扇區(qū)容量扇區(qū)容量扇區(qū)數(shù)扇區(qū)數(shù)/ /

39、道道道數(shù)道數(shù)/ /面面面數(shù)面數(shù)3.3.磁頭定位系統(tǒng)磁頭定位系統(tǒng)驅(qū)動磁頭尋道并精確定位驅(qū)動磁頭尋道并精確定位（1）步進電機定位機構(gòu)（2）音圈電機定位機構(gòu)用于小容量硬盤用于小容量硬盤用于較大容量硬盤用于較大容量硬盤2022-6-27424.4.尋址過程與數(shù)據(jù)存取尋址過程與數(shù)據(jù)存取驅(qū)動器號、圓柱面號、磁頭號、驅(qū)動器號、圓柱面號、磁頭號、扇區(qū)號（記錄號）、交換量。扇區(qū)號（記錄號）、交換量。尋址信息尋址信息尋址操作尋址操作定位（尋道）：定位（尋道）： 磁頭徑向移動磁頭徑向移動 尋找起始扇區(qū)：尋找起始扇區(qū)： 盤片旋轉(zhuǎn)盤片旋轉(zhuǎn) 數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率外部傳輸率外部傳輸率 內(nèi)部傳輸率內(nèi)部傳輸率5.5.硬盤控制邏

40、輯硬盤控制邏輯硬盤適配器和硬盤驅(qū)動器的功能如何劃分？硬盤適配器和硬盤驅(qū)動器的功能如何劃分？（1）按ST506/412標(biāo)準(zhǔn)劃分（2）按IDE標(biāo)準(zhǔn)劃分（3）按SCSI標(biāo)準(zhǔn)劃分2022-6-27436.6.硬盤的軟件管理層次與調(diào)用方法硬盤的軟件管理層次與調(diào)用方法軟件層次：軟件層次：編程界面編程界面INT 13H INT 13H INT 21HINT 21H磁盤扇區(qū)讀磁盤扇區(qū)讀/ /寫、檢查寫、檢查磁盤文件操作磁盤文件操作硬硬盤盤控控制制功功能能劃劃分分2022-6-27446.5.2 6.5.2 光盤存儲器光盤存儲器1.1.光盤存儲器的種類光盤存儲器的種類（1）只讀型光盤（CD-ROM）固定型光盤固

41、定型光盤（2）只寫一次型光盤（WORM）CD-RCD-R為主為主（3）可擦寫型光盤磁光盤（磁光盤（MOMO）相變光盤（相變光盤（PCDPCD）熱熱- -磁效應(yīng)磁效應(yīng)熱熱- -光效應(yīng)光效應(yīng)2.2.光盤盤片結(jié)構(gòu)光盤盤片結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)3 3層結(jié)構(gòu)：層結(jié)構(gòu)：基片、反射層、存儲介質(zhì)層，基片、反射層、存儲介質(zhì)層，保護層保護層3.3.光盤存儲器的組成光盤存儲器的組成盤片、驅(qū)動器和控制器盤片、驅(qū)動器和控制器如：如：CD-RWCD-RW兩張基片粘接，記錄面朝里兩張基片粘接，記錄面朝里2022-6-27456.5.3 6.5.3 磁帶存儲器磁帶存儲器容量大、速度慢、價格低，適用于脫機保存信息。容量大、速度慢

42、、價格低，適用于脫機保存信息。1.1.快速啟停式磁帶機快速啟停式磁帶機多道并行讀寫多道并行讀寫方式方式文件文件之間用間隔隔開，之間用間隔隔開，數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊間有間隔，間有間隔，允許在兩個允許在兩個數(shù)據(jù)塊間快速啟停數(shù)據(jù)塊間快速啟停。構(gòu)成：構(gòu)成：走帶機構(gòu)、磁帶緩沖結(jié)構(gòu)走帶機構(gòu)、磁帶緩沖結(jié)構(gòu)、帶盤驅(qū)動結(jié)構(gòu)、磁頭帶盤驅(qū)動結(jié)構(gòu)、磁頭2.2.數(shù)據(jù)流式磁帶機數(shù)據(jù)流式磁帶機多道，各道采用多道，各道采用正反向單道串行記錄正反向單道串行記錄方式方式數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)塊的間隔很短間隔很短，工作時，工作時不在間隔段啟停不在間隔段啟停2022-6-27463.3.磁帶的記錄格式磁帶的記錄格式英寸標(biāo)準(zhǔn)磁帶的記錄格式英寸標(biāo)準(zhǔn)磁帶的

43、記錄格式英寸開盤式英寸開盤式英寸盒式英寸盒式多用于微型機、小型機多用于微型機、小型機按按文件文件存儲，文件內(nèi)分存儲，文件內(nèi)分?jǐn)?shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊按按數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊存儲存儲2022-6-27476.6 6.6 物理存儲系統(tǒng)的組織物理存儲系統(tǒng)的組織6.6.1 6.6.1 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) CPU CPUCacheCache 主存主存 外存外存主存主存-Cache-Cache層次層次CPU Cache CPU Cache 主存主存 命中命中不命中不命中CacheCache主存主存- -輔存層次輔存層次為為虛擬存儲虛擬存儲提供條件提供條件CPU CPU 主存主存 外存外存增大容量增大容量通過

44、硬件和軟件實現(xiàn)通過硬件和軟件實現(xiàn)提高速度提高速度通過硬件實現(xiàn)通過硬件實現(xiàn)2022-6-27486.6.2 6.6.2 磁盤冗余陣列（磁盤冗余陣列（RAIDRAID）多臺磁盤存儲器組成大容量外存子系統(tǒng)多臺磁盤存儲器組成大容量外存子系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)：技術(shù)基礎(chǔ)：數(shù)據(jù)分塊技術(shù)數(shù)據(jù)分塊技術(shù)RAID0RAID0級：級：無冗余無校驗無冗余無校驗RAID1RAID1級：級： 鏡像磁盤陣列鏡像磁盤陣列高效、安全性低高效、安全性低安全性高、利用率低安全性高、利用率低RAID2RAID2級：級： 數(shù)據(jù)按位交叉，海明糾錯數(shù)據(jù)按位交叉，海明糾錯RAID3RAID3級：級： 數(shù)據(jù)按位交叉、奇偶校驗數(shù)據(jù)按位交叉、奇偶校驗RAID5RAID5級：級： 類似類似RAID4RAID4，RAID6RAID6級：級： 分塊、雙磁盤容錯分塊、雙磁盤容錯RAID4RAID4級：級： 數(shù)據(jù)按扇區(qū)交叉、奇偶校驗數(shù)據(jù)按扇區(qū)交叉、奇偶校驗校驗盤多校驗盤多1 1個冗余盤個冗余盤無專用校驗盤無專用校驗盤寫磁盤時效率低寫磁盤時效率低RAID7RAID7級：級： 獨立接口獨立接口RAID10RAID10級：級：RAID0RAID0級級 + RAID0+ RAID0級級2022-6-27496.6.3 6.6.3