計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)-存儲(chǔ)系統(tǒng)以及本章真題講解

全國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件專(zhuān)業(yè)技術(shù)資格考試講師：孫老師（北風(fēng)網(wǎng))

-----中級(jí)職稱(chēng)軟件評(píng)測(cè)師考試1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及硬件基礎(chǔ)知識(shí)掌握1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成;2.處理機(jī)；3.基本輸入輸出設(shè)備。中央處理器

現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)、PC機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)）基本都是馮．諾依曼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將計(jì)算機(jī)分解成運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備，不加區(qū)別地將指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，指令、數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)地址都以二進(jìn)制數(shù)表示。計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行的是存儲(chǔ)器中的指令。由程序計(jì)數(shù)器來(lái)控制指令的執(zhí)行。中央處理器中央處理器是計(jì)算機(jī)的控制、運(yùn)算中心，它主要通過(guò)總線和其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)系。另外，在嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，外部設(shè)備也常常直接接到中央處理器的外部I/O腳的中斷腳上。中央處理器的類(lèi)型和品種異常豐富，各種中央處理器的性能也差別很大，有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不同的指令系統(tǒng)。但由于它們都是基于馮．諾依曼結(jié)構(gòu)，基本部分組成相似。運(yùn)算器

運(yùn)算器的主要功能是在控制器的控制下完成各種算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和其他操作。一個(gè)計(jì)算過(guò)程需要用到加法器/累加器、數(shù)據(jù)寄存器或其他寄存器、狀態(tài)寄存器等。

加法是加法運(yùn)算器的基本功能，在大多數(shù)的中央處理器中，其他計(jì)算也是經(jīng)過(guò)變換后使用的，一個(gè)位加法的邏輯圖如圖1-1所示。加法器其中：Xi和Yi是加數(shù)和被加數(shù);Ci+1是低位進(jìn)位；Ci是進(jìn)位；Zi是和。

為完成多位數(shù)據(jù)加法，可以通過(guò)增加電路和部件，簡(jiǎn)單的加法器能夠變成串行、并行加法器，超前進(jìn)位加法器等。

運(yùn)算器的位數(shù)，即運(yùn)算器一次能對(duì)多少位的數(shù)據(jù)做加法，是衡量中央處理器的一個(gè)重要指標(biāo)。+圖1-1位加邏輯圖控制器控制器是中央處理器的核心，它控制和協(xié)調(diào)整個(gè)計(jì)算機(jī)的動(dòng)作?？刂仆ǔＰ枰绦蛴?jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）、定時(shí)與控制電路，以及脈沖源、中斷等共同完成，如圖1-2所示?？刂破鹘M成累加器標(biāo)識(shí)寄存器通用寄存器運(yùn)算器程序計(jì)數(shù)器地址寄存器內(nèi)部總線主存定時(shí)和控制電路指令譯碼器指令寄存器取指控制執(zhí)指控制數(shù)據(jù)寄存器地址總線數(shù)據(jù)總線圖1-2控制器組成中央處理器中各組件介紹1指令寄存器：顯然，中央處理器即將執(zhí)行的操作碼表存放在這里。指令譯碼器：將操作碼解碼，告訴中央處理器該做什么。定時(shí)與控制電路：用來(lái)產(chǎn)生各種微操作控制信號(hào)。程序計(jì)數(shù)器：程序計(jì)數(shù)器中存放的是下一條指令的地址。由于多數(shù)情況下程序是順序執(zhí)行的，所以程序計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)成能自動(dòng)加1的裝置。當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移指令時(shí)，就需重填程序計(jì)數(shù)器。程序計(jì)數(shù)器可能是下一條指令的絕對(duì)地址，也可能是相對(duì)地址，即地址偏移量。中央處理器中各組件介紹2標(biāo)識(shí)寄存器：這個(gè)寄存器通常記錄運(yùn)算器的重要狀態(tài)或特征，典型的是是否溢出，結(jié)果為0，被0除等。這個(gè)寄存器的每一位表示一個(gè)特征。標(biāo)志寄存器的典型應(yīng)用是作為跳轉(zhuǎn)指令的判斷條件。堆棧和堆棧指針：堆?？梢允且唤M寄存器或在存儲(chǔ)器內(nèi)的特定區(qū)域。由于寄存器數(shù)量總是有限的，所以大多數(shù)系統(tǒng)采用了使用存儲(chǔ)器的軟件堆棧。堆棧頂部的指針?lè)Q為堆棧指針。寄存器組上面提及的程序計(jì)數(shù)器、標(biāo)志寄存器等為專(zhuān)用寄存器，它們有特定的功能和用途。通用寄存器的功能由程序指令決定，最常見(jiàn)的應(yīng)用是放置計(jì)算的中間結(jié)果，減少對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)次數(shù)。通常寄存器的寬度是和運(yùn)算器的位數(shù)相一致的。時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

為了使得計(jì)算機(jī)各部件同步工作，計(jì)算機(jī)中都有一個(gè)脈沖源，通常是晶振。這個(gè)脈沖源產(chǎn)生主振脈沖，主振脈沖的時(shí)間間隔為主振周期，即時(shí)鐘周期。中央處理器執(zhí)行指令的時(shí)間（包括取址）為指令周期，由于指令可能有不同的復(fù)雜度，所以每種指令的指令周期可能不同。周期也稱(chēng)為機(jī)器周期，一般是從內(nèi)存中讀一個(gè)指令的最短時(shí)間。周期又由若干個(gè)時(shí)鐘周期組成，如圖1-3所示。時(shí)鐘周期取值讀存儲(chǔ)器執(zhí)行寫(xiě)存儲(chǔ)器一個(gè)指令周期圖1-3一個(gè)指令周期時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式通常把CPU執(zhí)行指令的各個(gè)微操作遵循的時(shí)間順序稱(chēng)為時(shí)序。時(shí)序圖是形象表示信號(hào)線上信息變化的時(shí)間序列的圖形。組合邏輯控制和微過(guò)程控制是兩種基本的控制方式。輸入/輸出及其控制

人們?cè)?jīng)在科幻作品中有大膽的設(shè)想：玻璃瓶中的大腦，如果科技發(fā)達(dá)到能給玻璃瓶中的大腦施加視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等信號(hào)，這個(gè)大腦能夠意識(shí)到自己是在玻璃瓶中，而不是在現(xiàn)實(shí)中嗎？借助于輸入/輸出設(shè)備，我們才能“操縱計(jì)算機(jī)”和“知道它在工作”。輸入/輸出設(shè)備一覽紙帶機(jī)、卡片機(jī)。它們都是“古代”大型計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備，機(jī)器指令以打孔等方式存在于紙帶、卡片上，由紙帶機(jī)和卡片機(jī)輸入計(jì)算機(jī)。鍵盤(pán)、鼠標(biāo)。嵌入式系統(tǒng)中鍵盤(pán)往往簡(jiǎn)化成少數(shù)的幾個(gè)鍵，和鼠標(biāo)在本質(zhì)上并沒(méi)有區(qū)別，鍵盤(pán)負(fù)責(zé)輸入字符，鼠標(biāo)負(fù)責(zé)指示位置，進(jìn)行選擇或點(diǎn)取等操作。手寫(xiě)筆是鼠標(biāo)的擴(kuò)展，使用時(shí)需要識(shí)別軟件的支持。顯示器。嵌入式系統(tǒng)中的顯示器往往簡(jiǎn)化為小屏幕CD或數(shù)碼管，顯示器向著越來(lái)越大、越來(lái)越清晰的方面發(fā)展，現(xiàn)在CRT顯示器仍占主流，但其統(tǒng)治地位已經(jīng)受到了液晶顯示器的挑戰(zhàn)。觸摸屏實(shí)際上是顯示器和鼠標(biāo)的結(jié)合。輸入/輸出設(shè)備一覽外存。外存是主存的輔助和延伸，有軟盤(pán)、硬盤(pán)、光存儲(chǔ)器、磁帶機(jī)、閃存等。打卬機(jī)。它將人們需要的結(jié)果在紙面上輸出。打印機(jī)有針打、噴墨、激光打印機(jī)幾種類(lèi)型。繪圖儀是一種特殊的打印機(jī)，專(zhuān)門(mén)用于大幅圖形的精確輸出。圖形圖像攝影輸入設(shè)備。這些是新興的輸入設(shè)備，包括掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。這些設(shè)備能夠把圖像攝影等信息輸入計(jì)算機(jī)，極大地豐富了個(gè)人計(jì)算機(jī)在普通家庭的應(yīng)用。圖形圖像己經(jīng)形成TWAINS標(biāo)準(zhǔn)接口，軟件通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，能同各種不同的圖像輸入設(shè)備進(jìn)行交互。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)通過(guò)USB、1394或者專(zhuān)用的視頻捕捉設(shè)備和個(gè)人計(jì)算機(jī)交互。輸入/輸出控制器由于外設(shè)的復(fù)雜多樣性（控制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)格式也各不相同），同時(shí)不斷有新的類(lèi)型的外設(shè)出現(xiàn)，這使得很難使用中央處理器和它們直接打交道。另外，這些外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送速度往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)總線的速度，不適合把它們直接掛在系統(tǒng)總線上。輸入/輸出控制器協(xié)調(diào)和控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，具體功能有：緩沖鎖存數(shù)據(jù)、地址譯碼、傳遞命令、碼制轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換等，如圖1-4所示。輸入/輸出控制器組成數(shù)據(jù)寄存器狀態(tài)寄存器控制寄存器中央處理器控制電路外設(shè)接口外設(shè)接口外設(shè)外設(shè)數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線圖1-4輸入輸出控制器組成輸入/輸出控制器組成數(shù)據(jù)寄存器：CPU或外設(shè)數(shù)據(jù)的緩沖。狀態(tài)寄存器：向中央處理器指示控制器和外設(shè)的狀態(tài)?？刂萍拇嫫?；由中央處理器寫(xiě)入該輸入/輸出控制器的識(shí)別指令，指示輸入/輸出控制器去和外設(shè)交互，將數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容寫(xiě)入外設(shè)，或者將外設(shè)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器，并將此過(guò)程的狀態(tài)寫(xiě)入狀態(tài)寄存器?？刂齐娐罚菏禽斎?輸出控制的核心，負(fù)責(zé)輸入/輸出控制器的行為。外設(shè)的識(shí)別計(jì)算機(jī)程序要訪問(wèn)外設(shè)，從輸入/輸出控制器組成圖中可以看出，中央處理器需要訪問(wèn)輸入/輸出控制器的各種寄存器，這個(gè)識(shí)別是通過(guò)地址總線和接口電路的地址譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以有不同的外設(shè)編址方式。獨(dú)立編址方式在這種方式下，輸入/輸出地址和主存地址是分開(kāi)的。從電路上說(shuō)，有分離的輸入/輸出讀寫(xiě)控制線；從指令上說(shuō)，有專(zhuān)門(mén)的輸入/輸出控制指令。這些指令常常以匯編指令的方式提供，往往是和具體的中央處理器密切相關(guān)的，這對(duì)程序的可移植性造成了影響。如表所示。輸入/輸出設(shè)備輸入/輸出地址硬盤(pán)控制器0x320~0x32F彩色顯示器控制0x3D0~0x3DF串口控制器0x3F8~0x3FF統(tǒng)一編址方式和獨(dú)立編址不同，統(tǒng)一編址方式中輸入/輸出地址是主存地址中的一部分，訪問(wèn)輸入/輸出寄存器和訪問(wèn)主存的方法是一樣的，不需要單獨(dú)的指令。這種方式能有效地降低軟件編程的復(fù)雜度，在許多計(jì)算機(jī)，特別是嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，也稱(chēng)為地址映像。在統(tǒng)一編址方式編程過(guò)程中，需要注意的是程序優(yōu)化帶來(lái)的負(fù)面影響。對(duì)外設(shè)的操作往往需要一個(gè)過(guò)程，可能會(huì)對(duì)同一個(gè)地址多次寫(xiě)不同的值；在編譯器看來(lái)，這種多次對(duì)一個(gè)變量的賦值是屬于優(yōu)化范圍的，編譯器通常會(huì)忽略掉前面的賦值語(yǔ)句，只保留它認(rèn)為“有效的”賦值語(yǔ)句。這就需要選擇合適的編譯選項(xiàng)告訴編譯器停止這樣的優(yōu)化。統(tǒng)一編址方式不但會(huì)將內(nèi)存地址和I/O地址統(tǒng)一編址，也會(huì)將RAM、ROM、Flash等統(tǒng)一編址。外設(shè)的訪問(wèn)1.程序查詢(xún)方式這是最簡(jiǎn)單的方式，也是簡(jiǎn)單系統(tǒng)（外設(shè)種類(lèi)和數(shù)目有限、數(shù)據(jù)傳輸速度較低的系統(tǒng)）中常用的方式。這種方式使中央處理器定時(shí)查詢(xún)外設(shè)的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)外設(shè)就緒，就開(kāi)始和該外設(shè)進(jìn)行輸入/輸出操作和處理。當(dāng)存在多個(gè)外設(shè)時(shí)，中央處理器有串行和并行兩種查詢(xún)方式。串行查詢(xún)是每次查詢(xún)一個(gè)外設(shè)；并行則是將多個(gè)外設(shè)的狀態(tài)位集中成一個(gè)專(zhuān)用端口，這樣中央處理器一次查詢(xún)即可得到多個(gè)外設(shè)的狀態(tài)。程序查詢(xún)方式的缺點(diǎn)是：當(dāng)輸入/輸出控制器和外設(shè)交換數(shù)據(jù)時(shí)，中央處理器必須等待。這種等待對(duì)于許多系統(tǒng)而言是無(wú)法容忍的。常見(jiàn)輸入/輸出接口1.磁盤(pán)接口（1）IDE（IntegratedDriveElectronics)接口，這個(gè)接口是個(gè)人計(jì)算機(jī)必備的。由于普通IDE容量不超過(guò)528MB，現(xiàn)在用的是增強(qiáng)型EIDE，數(shù)據(jù)傳輸率有UDMA-33、UDMA-66、UDMA-133等，32位數(shù)據(jù)帶寬可連4個(gè)IDE設(shè)備。（2）SCSI(SmallComputerSystemInterface)接口，就名稱(chēng)而言，是小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口。顯然它并非只為外存儲(chǔ)器而設(shè)計(jì)，放在這里介紹是因?yàn)樗畛Ｓ糜谛⌒蜋C(jī)。作為服務(wù)器和工作站上的外存儲(chǔ)器接口，事實(shí)上，也有一些其他外設(shè)（如某些掃描儀等）也使用SCSI接口。SCSI有多個(gè)版本，帶寬和數(shù)據(jù)傳輸率也不斷上升，其中FastSCSI-II帶寬為16位，傳輸速率為20Mb/s，而Fast/WideSCSIII的性能指標(biāo)是它的一倍。SCSI更可以成為一種總線，可以以雛菊鏈形式接入多個(gè)外設(shè)，這些外設(shè)被分配唯一的標(biāo)號(hào)，即可以相互交換數(shù)據(jù)，也可以和主存交換數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用多級(jí)存儲(chǔ)器體系，以確保能夠獲得盡可能髙的存取速率，同時(shí)保持較低的成本。存儲(chǔ)器體系包括寄存器、Cache、主存儲(chǔ)器、磁盤(pán)存儲(chǔ)器、光盤(pán)存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器等，這些存儲(chǔ)器從前到后，價(jià)格逐漸降低，容量和訪問(wèn)時(shí)間則逐漸增加。存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)常用的存取方式有順序存取、直接存取、隨機(jī)存取和相聯(lián)存取等4種。（1）順序存?。捍鎯?chǔ)器的數(shù)據(jù)以記錄的形式進(jìn)行組織。對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)必須按特定的線性順序進(jìn)行。磁帶存儲(chǔ)器采用順序存取的方式。（2）直接存取：與順序存取相似，直接存取也使用一個(gè)共享的讀寫(xiě)裝置對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。但是每個(gè)數(shù)據(jù)塊都擁有唯一的地址標(biāo)識(shí)，讀寫(xiě)裝置可以直接移動(dòng)到目的數(shù)據(jù)塊所在的位置進(jìn)行訪問(wèn)。存取時(shí)間也是可變的，磁盤(pán)存儲(chǔ)器采用直接存取的方式。（3）隨機(jī)存?。捍鎯?chǔ)器的每一個(gè)可導(dǎo)址單元都具有自己唯一的地址和讀寫(xiě)裝置，系統(tǒng)可以在相同的時(shí)間內(nèi)對(duì)任意一個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，而與先前的訪問(wèn)序列無(wú)關(guān)。主存儲(chǔ)器采用隨機(jī)存取的方式。（4）相聯(lián)存取：相聯(lián)存取也是一種隨機(jī)存馭的形式，但是選擇某一單元進(jìn)行讀寫(xiě)取決于其內(nèi)容而不是其地址。與普通的隨機(jī)存取方式一樣，每個(gè)單元都有自己的讀寫(xiě)裝置，讀寫(xiě)時(shí)間也是一個(gè)常數(shù)。使用相聯(lián)存取方式，可以對(duì)所有的存儲(chǔ)單元的特定位進(jìn)行比較，選擇符合條件的單元進(jìn)行訪問(wèn)。為了提高地址映射的速度，Cache采取相聯(lián)存取的方式。存儲(chǔ)器系統(tǒng)的性能主要由存取時(shí)間、存儲(chǔ)器帶寬、存儲(chǔ)器周期和數(shù)據(jù)傳輸率等衡量。主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器也就是我們簡(jiǎn)稱(chēng)的主存或內(nèi)存，根據(jù)工藝和技術(shù)不同，可分為下列幾種。（1）RAM（RandomAccessMemory，隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器）：RAM存儲(chǔ)器既可以寫(xiě)入，也可以讀出，但斷電后信息無(wú)法保存，因此只能用于暫存數(shù)據(jù)。RAM又可分為DRAM和SRAM兩種。DRAM（DynamicRAM，動(dòng)態(tài)RAM）：信息會(huì)隨時(shí)間逐漸消失，因此需要定時(shí)對(duì)其進(jìn)行刷新，維持信息不丟失。SRAM（StaticRAM，靜態(tài)RAM）：在不斷電的情況下信息能夠一直保持，不會(huì)丟失。DRAM的密度大于SRAM且更加便宜；但SRAM速度快，電路簡(jiǎn)單（無(wú)須刷新電路），然而容量小，價(jià)格高。（2）ROM（ReadOnlyMemory，只讀存儲(chǔ)器）：即只讀存儲(chǔ)器，信息已固化在存儲(chǔ)器中。ROM出廠時(shí)其內(nèi)容由廠家用掩膜技術(shù)（Mask）寫(xiě)好，只可讀出，但無(wú)法改寫(xiě)。一般用于存放系統(tǒng)程序BIOS和用于微程序控制。（3）PROM（ProgrammableROM，可編程ROM）：即可編程ROM，只能進(jìn)行一次寫(xiě)入操作（與ROM相同），但是可以在出廠后，由用戶(hù)使用特殊電子設(shè)備寫(xiě)入。（4）EPROM（ErasablePROM，可擦除可編程的ROM）即可擦除的PROM，其中的內(nèi)容既可以讀出，也可以寫(xiě)入。但是在一次寫(xiě)操作之前必須用紫外線照射15?20分鐘以擦去所有信息，然后再寫(xiě)入，可以寫(xiě)多次。主存儲(chǔ)器（5）E2PROM（ElectricallyEPROM，電可擦除可編程的ROM）：是電可擦除EPROM，與EPROM相似，可以讀出也可寫(xiě)入，而且在寫(xiě)操作之前，不需要把以前內(nèi)容先擦去。能夠直接對(duì)尋址的字節(jié)或塊進(jìn)行修改，只不過(guò)寫(xiě)操作所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于讀操作所需時(shí)間（每字節(jié)需幾百ms），其集成度也較低。（6）閃速存儲(chǔ)器（FlashMemory）：其性能介于EPROM與E2PROM之間。與E2PROM相似，可使用電信號(hào)進(jìn)行刪除操作。整塊閃速存儲(chǔ)器可以在數(shù)秒內(nèi)刪除，速度遠(yuǎn)快于EPROM，而且可以選擇刪除某一塊而非整塊芯片的內(nèi)容，但還不能進(jìn)行字節(jié)級(jí)別的刪除操作。集成度與EPROM相當(dāng)，高于E2PROM。閃速存儲(chǔ)器有時(shí)也簡(jiǎn)稱(chēng)為閃存。（7）相連存儲(chǔ)器（ContentAddressableMemory，CAM）：CAM是一種特殊的存儲(chǔ)器，是-種基于數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行訪問(wèn)的存儲(chǔ)設(shè)備。當(dāng)對(duì)其寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，CAM從能夠自動(dòng)選擇一個(gè)未用的空單元進(jìn)行存儲(chǔ)；當(dāng)要讀出數(shù)據(jù)時(shí)，不是給出其存儲(chǔ)單元的地址，而是直接給出該數(shù)據(jù)或者該數(shù)據(jù)的一部分內(nèi)容，CAM從對(duì)所有的存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行比較并標(biāo)記符合條件的所有數(shù)據(jù)以供讀取。由于比較是同時(shí)、并行進(jìn)行的，所以這種基于數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行讀寫(xiě)的機(jī)制，其速度比基于地址進(jìn)行讀寫(xiě)的方式要快許多。輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器用于存放當(dāng)前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主機(jī)成批交換數(shù)據(jù)，是主存儲(chǔ)器的后備，因此稱(chēng)為輔助存儲(chǔ)器；它又是主機(jī)的外圍設(shè)備，又稱(chēng)為外存儲(chǔ)器。輔助存儲(chǔ)器的最大特點(diǎn)是容量大、可靠性髙、價(jià)格低。常用的輔助存儲(chǔ)器有磁帶存儲(chǔ)器、磁盤(pán)存儲(chǔ)器和光盤(pán)存儲(chǔ)器。磁盤(pán)存儲(chǔ)器磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)都存放于磁道上。磁道就是磁盤(pán)上的一組同心圓，其寬度與磁頭的寬度相同。為了避免干擾，磁道與磁道之間要保持一定的間隔（inter-trackgap），沿磁盤(pán)半徑方向，單位長(zhǎng)度內(nèi)磁道的數(shù)目稱(chēng)為道密度（道/英寸，TPI），最外層為0道。沿磁道方向，單位長(zhǎng)度內(nèi)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的個(gè)數(shù)稱(chēng)為位密度。為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，每個(gè)磁道存儲(chǔ)的位數(shù)都是相同的，所以其位密度也隨著從外向內(nèi)增加。磁盤(pán)的數(shù)據(jù)傳輸是以塊為單位的，所以磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)也以塊的形式進(jìn)行存放。這些塊就稱(chēng)為扇區(qū)（sector），每個(gè)磁道通常包括10?100個(gè)扇區(qū)。同樣為了避免干擾，扇區(qū)之間也相互留有空隙（inter-sectorgap）。柱面是若干個(gè)磁盤(pán)組成的磁盤(pán)組，所有盤(pán)面上相同位置的磁道組稱(chēng)為一個(gè)柱面（每個(gè)柱面有n個(gè)磁道）；若每個(gè)磁盤(pán)有m個(gè)磁道，則該磁盤(pán)組共有m個(gè)柱面。存儲(chǔ)容量是磁盤(pán)的非格式化容量，為Cn=w×3.14×d×m×n，其中，w為位密度，d為最內(nèi)圈直徑（內(nèi)徑，本題為200mm），m為記錄面數(shù)，n為每面磁道數(shù)。磁盤(pán)格式化后能夠存儲(chǔ)有用信息的總量。存儲(chǔ)容量=n×t×s×b，其中，n為保存數(shù)據(jù)的總盤(pán)面數(shù)，t為每面磁道數(shù)，s為每道的扇區(qū)數(shù)，b為每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)。磁盤(pán)的存取時(shí)間包括尋道時(shí)間和等待時(shí)間。尋道時(shí)間（查找時(shí)間，SeekTime）為磁頭移動(dòng)到目標(biāo)磁道所需的時(shí)間（movable-headdisk），對(duì)于固定磁頭磁盤(pán)而言，無(wú)需移動(dòng)磁頭，只需選擇目標(biāo)磁道對(duì)應(yīng)的磁頭即可。等待時(shí)間為等待讀寫(xiě)的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時(shí)間，一般選用磁道旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間的一半作為平均等待時(shí)間。尋道時(shí)間由磁盤(pán)機(jī)的性能決定，目前主流硬盤(pán)典型的平均尋道時(shí)間（AverageSeekTime）—般在10ms左右，而轉(zhuǎn)速則有2400rpm、5400rpm、7200rpm等等。軟盤(pán)轉(zhuǎn)速較慢，-般只有360rpm(因?yàn)榇蓬^與盤(pán)面接觸性讀寫(xiě)）。磁盤(pán)的數(shù)據(jù)傳輸速率是指磁頭找到地址后，單位時(shí)間寫(xiě)入或讀出的字節(jié)數(shù)。R=TB/T，其中，TB為一個(gè)磁道上記錄的字節(jié)數(shù)，T為磁盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間，R為數(shù)據(jù)傳輸速率。RAID存儲(chǔ)器廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列（RedundantArrayOfInexpensiveDisks，RAID）技術(shù)旨在縮小日益擴(kuò)大的CPU速度和磁盤(pán)存儲(chǔ)器速度之間的差距。其策略是用多個(gè)較小的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器替換單一的大容量磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)合理地在多個(gè)磁盤(pán)上分布存放數(shù)據(jù)以支持同時(shí)從多個(gè)磁盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)，從而改善了系統(tǒng)的I/O性能。小容量驅(qū)動(dòng)器陣列與大容量驅(qū)動(dòng)器相比，具有成本低、功耗小、性能好等優(yōu)勢(shì)；低代價(jià)的編碼容錯(cuò)方案在保持陣列的速度與容量?jī)?yōu)勢(shì)的同時(shí)保證了極高的可靠性，同時(shí)也較容易擴(kuò)展容量。但是由于允許多個(gè)磁頭同時(shí)進(jìn)行操作以提髙I/O數(shù)據(jù)傳輸速率，因此不可避免地提高了出錯(cuò)的概率。為了補(bǔ)償可靠性方面的損失，RAID使用存儲(chǔ)的校驗(yàn)信息（StoredParityInformation）以從錯(cuò)誤中恢復(fù)數(shù)據(jù)。最初，inexpensive一詞主要針對(duì)當(dāng)時(shí)的另一種技術(shù)（SingleLargeExpensiveDisk，SLED）而言，但隨著技術(shù)的發(fā)展，SLED已是明日黃花，RAID和non-RAID皆采用了類(lèi)似的磁盤(pán)技術(shù)。因此，RAID現(xiàn)在代表獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列(redundantarrayofindependentdisks)，用independent強(qiáng)調(diào)RAID技術(shù)所帶來(lái)的性能改善和更高的可靠性。RAID機(jī)制共分6個(gè)級(jí)別，工業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)分別為RAID0~RAID5，RAID應(yīng)用的主要技術(shù)有分塊技術(shù)、交叉技術(shù)和重聚技術(shù)。RAID0~RAID5RAID0級(jí)（無(wú)冗余和無(wú)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)分塊）：具有最高的I/O性能和最髙的磁盤(pán)空間利用率，易管理，但系統(tǒng)的故障率高，屬于非冗余系統(tǒng)，主要應(yīng)用于那些關(guān)注性能、容量和價(jià)格而不是可靠性的應(yīng)用程序。RAID1級(jí)（磁盤(pán)鏡像陣列）：由磁盤(pán)對(duì)組成，每一個(gè)工作盤(pán)都有其對(duì)應(yīng)的鏡像盤(pán)，上面保存著與工作盤(pán)完全相同的數(shù)據(jù)拷貝，具有最高的安全性，但磁盤(pán)空間利用率只有50%。RAID1主要用于存放系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)，以及其他重要文件。它提供了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)備份，一旦發(fā)生故障，所有的關(guān)鍵數(shù)據(jù)即刻就可使用。RAID2級(jí)（采用糾錯(cuò)海明碼的磁盤(pán)陣列）：采用了海明碼糾錯(cuò)技術(shù)，用戶(hù)需增加校驗(yàn)盤(pán)來(lái)提供單糾錯(cuò)和雙驗(yàn)錯(cuò)功能。對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)涉及到磁盤(pán)陣列中的每一個(gè)盤(pán)。大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)I/O性能較高，但不利于小批量數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)際應(yīng)用中很少使用。RAID3和RAID4級(jí)（采用奇偶校驗(yàn)碼的磁盤(pán)陣列）：把奇偶校驗(yàn)碼存放在一個(gè)獨(dú)立的校驗(yàn)盤(pán)上。如果有一個(gè)盤(pán)失效，其上的數(shù)據(jù)可以通過(guò)對(duì)其他盤(pán)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算得到。讀數(shù)據(jù)很快，但因?yàn)閷?xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)要計(jì)算校驗(yàn)位，速度較慢。RAID5（無(wú)獨(dú)立校驗(yàn)盤(pán)的奇?zhèn)犘ｒ?yàn)碼磁盤(pán)陣列）：與RAID4類(lèi)似，但沒(méi)有獨(dú)立的校驗(yàn)盤(pán)，校驗(yàn)信息分布在組內(nèi)所有盤(pán)上，對(duì)于大、小批量數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，讀寫(xiě)性能都很好。RAID4和RAID5使用了獨(dú)立存?。↖ndependentAccess）技術(shù)，陣列中每一個(gè)磁盤(pán)都相互獨(dú)立地操作，所以I/O請(qǐng)求可以并行處理。該技術(shù)非常適合于I/O請(qǐng)求率髙的應(yīng)用，而不太適應(yīng)于要求髙數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用。與其他方案類(lèi)似，RAID4、RAID5也應(yīng)用了數(shù)據(jù)分塊技術(shù)，但塊的尺寸相對(duì)大一點(diǎn)。光盤(pán)存儲(chǔ)器光盤(pán)存儲(chǔ)器是利用激光束在記錄表面存儲(chǔ)信息，根據(jù)激光束的反射光讀出信息。光盤(pán)存儲(chǔ)器主要有CD、CD-ROM、CD-I、DVI、WORM、DVD，以及EOD（ErasableOpticalDisk）。CD-ROM的讀取目前有3種方式：恒定角速度、恒定線速度和部分恒定角速度。CD-ROM非常適用于把大批量數(shù)據(jù)分發(fā)給大量的用戶(hù)。與傳統(tǒng)磁盤(pán)存儲(chǔ)器相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：具有更大的容量，可靠性高，光盤(pán)的復(fù)制更簡(jiǎn)易，可更換，便于攜帶；其缺點(diǎn)是只讀，存取時(shí)間比較長(zhǎng)。DVD-ROM技術(shù)類(lèi)似于CD-ROM技術(shù)，但是可以提供更高的存儲(chǔ)容量。DVD可以分為單面單層、單面雙層、雙面單層和雙面雙層4種物理結(jié)構(gòu)。DVD與CD/VCD的主要技術(shù)參數(shù)比較如表1-5所示。DVD與CD/VCD的主要技術(shù)參數(shù)比較技術(shù)手段CD/VCDDVD數(shù)值孔徑（NA）0.450.6影像質(zhì)量240線540~720線影音質(zhì)量16比特24比特，96kHz糾錯(cuò)編碼冗余度31%15.4%通道碼調(diào)制方式8/17調(diào)制8/16調(diào)制激光波長(zhǎng)λ780nm650nm/635nm光斑直徑1.74μm1.08μm道間距1.6μm0.74μm凹坑最小長(zhǎng)度0.83μm0.4μm凹坑寬度0.6μm0.4μm容量650MB17GB（單層單面）Cache存儲(chǔ)器Cache（高速緩沖存儲(chǔ)器）的功能是提高CPU數(shù)據(jù)輸入/輸出的速率，突破所謂的“馮.諾依曼瓶頸”，即CPU與存儲(chǔ)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳送帶寬限制。高速存儲(chǔ)器能以極高的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，但其價(jià)格高昂。如果計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器完全由這種高速存儲(chǔ)器組成，則會(huì)大大增加計(jì)算機(jī)的成本。通常在CPU和主存儲(chǔ)器之間設(shè)置小容量的高速存儲(chǔ)器Cache。Cache容量小但速度快，主存儲(chǔ)器速度低但容量大，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度算法，系統(tǒng)的性能會(huì)大大改善，其存儲(chǔ)系統(tǒng)容量與主存相當(dāng)，而訪問(wèn)速度近似Cache。在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)體系中，Cache是訪問(wèn)速度最快的層次。使用Cache改善系統(tǒng)性能的依據(jù)是程序的局部性原理（有關(guān)此原理的詳細(xì)介紹，請(qǐng)讀者閱讀“操作系統(tǒng)”相關(guān)章節(jié)）。依據(jù)局部性原理，把主存儲(chǔ)其中訪問(wèn)概率最高的內(nèi)容存放在Cache中，當(dāng)CPU需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)首先在Cache中查找是否有所需內(nèi)容，如果有，則直接從Cache中讀??；若沒(méi)有再?gòu)闹鞔嬷凶x取該數(shù)據(jù)，然后同時(shí)送往CPU和Cache。如果CPU需要訪問(wèn)的內(nèi)容大多都能在Cache中找到（稱(chēng)為訪問(wèn)命中，hit），則可以大大提高系統(tǒng)性能。如果以p代表對(duì)Cache的訪問(wèn)命中率，t1表示Cache的周期時(shí)間，t2表示主存儲(chǔ)器周期時(shí)間。以讀操作為例，使用“Cache+主存儲(chǔ)器”的系統(tǒng)的平均周期為t3，則t3=p×t1+（1-p）×t2。其中，（1-h）又稱(chēng)為失效率（未命中率）。Cache存儲(chǔ)器系統(tǒng)的平均存儲(chǔ)周期與命中率有很密切的關(guān)系，命中率的提高即使很小，也能導(dǎo)致性能上的較大改善。當(dāng)CPU發(fā)出訪問(wèn)請(qǐng)求后，存儲(chǔ)器地址先被送到Cach