存儲系統(tǒng)課件1

第三章存儲系統(tǒng)

3.1存儲器概述存儲器分類存儲器的分級結構主存儲器的技術指標第三章存儲系統(tǒng) 3.1存儲器概述3.1.1存儲器分類存儲元(存儲位)存儲單元按字編址與按字節(jié)編址每一個存儲單元的位數是不同的；按字編址可以增加存儲空間；按字節(jié)編址便于對字符進行處理。存儲器存儲器所包含的存儲單元個數稱為存儲器的容量，內存的容量與地址線的寬度有關；內存的容量通常是以字節(jié)來度量的(如：KB、MB、GB、TB等)，因此對于相同的地址線寬度，按字編址與按字節(jié)編址其最大存儲空間是不同的。3.1.1存儲器分類存儲元(存儲位)十六位機的按字節(jié)編址與按字編址a低8位a高8位存儲器0000000100020003000400050006000700080009000A000Be高8位d高8位c高8位b高8位e低8位d低8位c低8位b低8位a低8位a高8位存儲器000000010002000300040005e高8位d高8位c高8位b高8位e低8位d低8位c低8位b低8位按字節(jié)編址按字編址十六位機的按字節(jié)編址與按字編址a低8位a高8位存儲器00003.1.1存儲器分類按存儲介質分半導體存儲器：用半導體器件組成的存儲器。磁介質存儲器：磁芯、磁鼓磁表面存儲器：將磁性材料附著在基底表面制成的存儲器。光反射材料存儲器：光盤3.1.1存儲器分類按存儲介質分3.1.1存儲器分類按存儲方式分隨機存儲器：任何存儲單元的內容都能被隨機存取，且存取時間和存儲單元的物理位置無關。順序存儲器：只能按某種順序來存取，存取時間和存儲單元的物理位置有關。半順序存儲器：磁盤、光盤。3.1.1存儲器分類按存儲方式分3.1.1存儲器分類按存儲器的讀寫功能分(存儲內容可變性)只讀存儲器(ROM)：存儲的內容是固定不變的，只能讀出而不能寫入的半導體存儲器；隨機讀寫存儲器(RAM)：既能讀出又能寫入的半導體存儲器、磁盤、磁帶。3.1.1存儲器分類按存儲器的讀寫功能分(存儲內容可變性3.1.1存儲器分類按信息的可保存性分(易失性)非永久記憶的存儲器(易失性存儲器)：斷電后信息即消失的存儲器，半導體讀寫存儲器(RAM)；永久記憶性存儲器(非易失性存儲器)：斷電后仍能保存信息的存儲器，半導體只讀存儲器(ROM)、磁盤、磁帶、光盤。3.1.1存儲器分類按信息的可保存性分(易失性)3.1.1存儲器分類按在計算機系統(tǒng)中的作用分主存儲器輔助存儲器高速緩沖存儲器控制存儲器等。3.1.1存儲器分類按在計算機系統(tǒng)中的作用分3.1.2存儲器的分級結構容量速度成本3.1.2存儲器的分級結構容量計算機的多級存儲層次寄存器高速緩沖存儲器(Cache)主存(大容量半導體存儲器)輔存(磁盤、光盤存儲器)大容量(海量)存儲器(磁帶存儲器)屬CPU主存儲器屬外部設備容量增大速度降低價格降低計算機的多級存儲層次寄存器高速緩沖存儲器(Cache)主存輔存儲系統(tǒng)的分級結構CPU寄存器Cache主存磁盤磁帶磁盤Cache光盤存儲系統(tǒng)的分級結構CPUCache主存磁盤磁帶磁盤Cache存儲系統(tǒng)的分級結構存儲系統(tǒng)的分級結構計算機的基本存儲層次寄存器主存(大容量半導體存儲器)輔存(磁盤、光盤存儲器)屬CPU主存儲器屬外部設備計算機的基本存儲層次寄存器主存輔存屬CPU主存儲器屬外部設備寄存器專用寄存器：

指令寄存器地址寄存器程序計數器狀態(tài)寄存器變址寄存器等；通用寄存器：至少應有兩個以上的通用寄存器，用于臨時存放送入運算器的操作數。16位運算器低8位高8位16位寄存器16位寄存器存儲器8位數據線寄存器專用寄存器：16位運算器低8位高8位16位寄存器16位寄存器存取速度最快；成本最高；容量最小；通用寄存器常用于存放運算的操作數和運算過程中的中間結果。寄存器存取速度最快；主存儲器(內存)按地址進行訪問；訪問任何單元所需的時間相同；容量、速度和價格均介于寄存器和外存儲器之間；屬非永久性存儲器，斷開電源后，數據會丟失。主存儲器(內存)按地址進行訪問；磁芯存儲器磁芯存儲器輔存儲器(外存)磁盤：軟盤Floppydisk硬盤Harddisk光盤Opticaldisk磁帶Magnetictape磁盤與磁帶被稱為磁表面存儲器輔存儲器(外存)磁盤：磁盤與磁帶被稱為磁表面存儲器輔存儲器(外存)存取時間與存儲單元的物理位置有關；存儲容量大，位價格低；磁表面存儲器的記錄介質可以重復使用；記錄信息可以長期保存而不丟失，并可以脫機存檔；采用非破壞性讀出，讀出時不需要再生信息。輔存儲器(外存)存取時間與存儲單元的物理位置有關；磁盤由某種基質材料制成的薄的、可以旋轉的盤片，表面有磁介質的涂層以存儲數據。存放程序和數據；根據基質材料的不同可分為軟盤和硬盤；硬盤又可根據組成系統(tǒng)的方式不同分為盤片、盤組、盤陣列。磁盤由某種基質材料制成的薄的、可以旋轉的盤片，表面有磁介質的磁盤存儲系統(tǒng)磁道分為扇區(qū)盤盤旋轉臂移動存取臂讀/寫頭磁盤存儲系統(tǒng)磁道分為扇區(qū)盤盤旋轉臂移動存取臂讀/寫頭磁盤組磁盤組磁盤組磁頭盤組主軸小車磁盤組磁頭盤組主軸小車磁盤陣列由若干個磁盤驅動器連接成一個陣列，用一個磁盤陣列控制器進行控制，并為此配置專門的高速緩沖存儲器；磁盤陣列所用的單臺驅動器容量不是很大，比較容易制造，而整個盤陣列的容量很大，數據傳輸高；磁盤陣列可以做成容錯結構，一個或數個驅動器發(fā)生故障，盤陣列仍可工作因此可靠性高。磁盤陣列由若干個磁盤驅動器連接成一個陣列，用一個磁盤陣列控制磁盤陣列廉價冗余磁盤陣列RAID（RedundentArrayofInexpensiveDisks）是由美國加州大學伯克利分校的D.A.Patterson教授在1988年提出的。也簡稱為“磁盤陣列”。后來RAID中的字母I被改作了Independent，RAID就成了“獨立冗余磁盤陣列”，實質性的內容并沒有改變。

磁盤陣列廉價冗余磁盤陣列RAID（RedundentArr磁盤陣列可以把RAID理解成一種使用磁盤驅動器的方法，它將一組磁盤驅動器用某種邏輯方式聯(lián)系起來，作為邏輯上的一個磁盤驅動器來使用。一般情況下，組成的邏輯磁盤驅動器的容量要小于各個磁盤驅動器容量的總和。

磁盤陣列可以把RAID理解成一種使用磁盤驅動器的方法，它將一磁盤陣列（1）冗余無校驗的磁盤陣列(RAID0)

（2）鏡象磁盤陣列(RAID1)（3）并行海明糾錯陣列(RAID2)（4）奇偶校驗并行位交錯陣列(RAID3)（5）奇偶校驗扇區(qū)交錯陣列(RAID4)（6）循環(huán)奇偶校驗陣列(RAID5)（7）二維奇偶校驗陣列(RAID6)磁盤陣列（1）冗余無校驗的磁盤陣列(RAID0)磁盤磁道：盤旋轉時，磁頭沿著圓圈移動柱面：每一組磁道扇區(qū)：每個磁道劃分為若干個弧區(qū)。記錄在扇區(qū)上的信息是連續(xù)的二進制位。每個扇區(qū)的信息量是相同的。512字節(jié)或1024字節(jié)。格式化：重新分配磁道和扇區(qū)的位置磁盤磁道：盤旋轉時，磁頭沿著圓圈移動軟盤僅由一張軟質聚酯塑料溥片為基質的盤片組成，雙面記錄數據；8英寸，5.25英寸，3.5英寸，2.5英寸；3.5英寸軟盤：封裝在硬的塑料盒子里，容量1.44MB；Zip盤：幾百MB；軟盤僅由一張軟質聚酯塑料溥片為基質的盤片組成，雙面記錄數據；

軟盤：1.44MB軟驅3.5寸軟盤軟盤：1.44MB軟驅硬盤容量大，一般由多個剛性盤片組成盤組；磁頭不與盤片表面接觸，而是靠氣流“浮”在上面；劃道硬盤容量大，一般由多個剛性盤片組成盤組；劃道劃道硬盤尋道時間：讀/寫磁頭從當前磁道移到目的磁道所需要的時間；等待時間/旋轉延遲：到達目的扇區(qū)所需要的時間；存取時間：尋道時間+等待時間傳輸速率：數據從磁盤上讀出或寫入磁盤的時間硬盤尋道時間：讀/寫磁頭從當前磁道移到目的磁道所需要的時間；硬盤：硬盤：光盤5英寸盤，由反射材料組成，通過在反射層上創(chuàng)建反射偏差的方法在上面記錄信息。這種信息可以通過激光束檢測出來；螺旋形磁道(從內向外)、扇區(qū)——2KB：長而連續(xù)的數據串；如需要隨機存取，同心圓磁道的磁盤較好。光盤5英寸盤，由反射材料組成，通過在反射層上創(chuàng)建反射偏差的方光盤formtypecapacityCDCD-ROM650MB

CD-R650MB

CD-RW650MDVDDVD-ROM4.7GB

DVD-R4.7GB

DVD-RW2.6-5.2GB光盤formtypecapacityCDCD-ROM650MCD---ROM光盤光驅光盤背面光盤正面CD---ROM光盤光驅磁帶信息存儲在一條細薄的塑料帶的磁介質涂層上；通常有9條磁道。磁帶信息存儲在一條細薄的塑料帶的磁介質涂層上；磁帶磁帶磁帶磁帶U盤存儲器為半導體存儲器，它的存儲介質是快閃存儲器(FlashMemory)；可重復擦寫達100萬次；防潮，耐高低溫(-40C~+70C)；有寫保護功能；使用USB2.0接口，無需外接電源，不使用驅動器；支持即插即用和熱插拔；存取速度大約是軟盤的15倍，讀寫大文件要比小文件快；體積小，重量輕，便于攜帶；防震性能好，因為它采用無機械裝置、結構堅固；多種規(guī)格：32MB、64MB、128MB、256MB、512MB、1GB、2GB、4GB、8GB、16GB等。U盤存儲器為半導體存儲器，它的存儲介質是快閃存儲器(FlasU盤存儲器U盤存儲器高速緩沖存儲器(Cache)被集成在CPU內，也可在CPU與主存之間設置；Cache及Cache與主存之間的信息交換對于程序設計者(包括系統(tǒng)程序員)都是透明的；它的存儲速度高于主存，成本高于主存，容量小于主存；它主要用來解決CPU與主存之間的速度匹配問題;在系統(tǒng)需要時，將內存中的數據整批調入Cache，其調度的算法由系統(tǒng)設計者完成，CPU直接對Cache進行數據存取，從而提高速度。高速緩沖存儲器(Cache)被集成在CPU內，也可在CPU與3.1.3存儲器的技術指標容量速度(存取速度)價格(位價格)設計存儲系統(tǒng)的主要目標是：在盡可能低的價格下，提供盡可能高的速度及盡可能大的存儲容量。3.1.3存儲器的技術指標容量設計存儲系統(tǒng)的主要目標是表3.2主存儲器的主要幾項技術指標指標含義表現(xiàn)單位存儲容量在一個存儲器中可以容納的存儲單元總數存儲空間的大小字數，字節(jié)數存取時間啟動到完成一次存儲器操作所經歷的時間主存的速度ｎｓ存儲周期連續(xù)啟動兩次操作所需間隔的最小時間主存的速度ｎｓ存儲器帶寬單位時間里存儲器所存取的信息量,數據傳輸速率技術指標位/秒，字節(jié)/秒表3.2主存儲器的主要幾項技術指標指標含義表第三章存儲系統(tǒng)

隨機讀寫存儲器靜態(tài)MOS存儲器(SRAM)動態(tài)MOS存儲器(DRAM)3.2SRAM存儲器第三章存儲系統(tǒng) 隨機讀寫存儲器3.2.1基本靜態(tài)存儲元陣列3.2.1基本靜態(tài)存儲元陣列靜態(tài)存儲器靜態(tài)存儲器SRAM存儲器的構成行譯碼器X列譯碼器YSRAM存儲器的構成行譯碼器X列譯碼器YSRAM存儲器的構成SRAM存儲器的構成地址譯碼的兩種方式單譯碼

適用于小容量存儲器

一個地址譯碼器

雙譯碼

適用于大容量存儲器

X向和Y向兩個譯碼器

地址譯碼的兩種方式單譯碼適用于小容量存儲器一個地址譯碼采用單譯碼結構的存儲單元A0A1A2A311110000譯碼器采用單譯碼結構的存儲單元A0A1A2A311110000譯碼采用雙譯碼結構的存儲單元矩陣采用雙譯碼結構的存儲單元矩陣3.2.1SRAM存儲器驅動器I/O電路片選與讀/寫控制電路輸出驅動電路3.2.1SRAM存儲器驅動器2114邏輯結構圖2114邏輯結構圖存儲器的讀、寫周期存儲器的讀、寫周期存儲器的讀、寫周期存儲器的讀、寫周期第三章存儲系統(tǒng)

3.3DRAM存儲器第三章存儲系統(tǒng) 3.3DRAM存儲器3.3DRAM存儲器動態(tài)存儲器動態(tài)存儲器單管DRAM基本存儲電路

圖2．9單管DRAM基本存儲電路單管DRAM基本存儲電路圖2．9單管DRAM基本存儲電單管DRAM的存儲矩陣

單管DRAM的存儲矩陣表3.4單管存儲元電路和四管存儲元電路對比名稱優(yōu)點缺點四管存儲元電路外圍電路比較簡單，刷新時不需要另加外部邏輯管子多，占用的芯片面積大單管存儲元電路元件數量少，集成度高需要有高鑒別能力的讀出放大器配合工作，外圍電路比較復雜表3.4單管存儲元電路和四管存儲元電路對比名稱優(yōu)點DRAM存儲元的讀、寫刷新操作

DRAM存儲元的讀、寫刷新操作DRAM存儲元的讀、寫刷新操作

DRAM存儲元的讀、寫刷新操作DRAM存儲元的讀、寫刷新操作

DRAM存儲元的讀、寫刷新操作DRAM存儲元的讀、寫刷新操作

DRAM存儲元的讀、寫刷新操作3.3.2DRAM芯片的邏輯結構3.3.2DRAM芯片的邏輯結構3.3.2DRAM芯片的邏輯結構3.3.2DRAM芯片的邏輯結構3.3.3讀/寫周期、刷新周期3.3.3讀/寫周期、刷新周期3.3.3讀/寫周期、刷新周期3.3.3讀/寫周期、刷新周期DRAM的刷新集中刷新方式DRAM的刷新集中刷新方式DRAM的刷新分散刷新方式DRAM的刷新分散刷新方式DRAM的刷新異步刷新方式前兩種方式的結合，在規(guī)定的刷新時間內將所有單元刷新一遍。DRAM的刷新異步刷新方式DRAM的刷新兩種標準刷新操作只用RAS信號刷新；CAS在RAS之前的刷新。這種方式是在RAS之前使CAS有效，啟動內部刷新計數器，產生需要刷新的行地址，而忽略外部地址線上的信號。DRAM的刷新兩種標準刷新操作存儲器控制電路存儲器控制電路存儲器控制電路(1)地址多路開關：刷新時需要提供刷新地址，非刷新時需提供讀寫地址，由多路開關進行選擇。(2)刷新定時器：定時電路用來提供刷新請求。(3)刷新地址計數器：只用RAS信號的刷新操作，需要提供刷新地址計數器。(4)仲裁電路：對同時產生的來自CPU的訪問存儲器的請求和來自刷新定時器的刷新請求的優(yōu)先權進行裁定。(5)定時發(fā)生器：提供行地址選通信號RAS、列地址選通信號CAS