計(jì)算機(jī)組成原理第四章

第二篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)第四章存儲器

4.1概述

4.2主存儲器

4.3高速緩沖存儲器

4.4輔助存儲器

本章重點(diǎn)

1、存儲器的分類

2、隨機(jī)存儲器、只讀存儲器、高速緩沖存儲器*3、存儲器與CPU的連接、存儲器芯片的擴(kuò)展*4、存儲器的校驗(yàn)第四章存儲系統(tǒng)

4.1概述一、存儲器分類：

1.按存儲介質(zhì)分：

存儲介質(zhì)

——存儲器中存放信息的物理元件。

1）半導(dǎo)體存儲器

用半導(dǎo)體器件來存取數(shù)據(jù)，目前普遍采用。

特點(diǎn)：體積小，功耗低，速度快，具有電易失性。常用作主存（內(nèi)存）。2）磁表面存儲器

用磁材料構(gòu)成的磁層來存取信息，磁層需要依附在某種基體上，常根據(jù)基體的形狀為磁表面存儲器取名。如：磁盤、磁帶等。

特點(diǎn)：非電易失性，容量大，位價低，速度慢。常用作輔存（外存）。半導(dǎo)體vs磁表面速度容量成本功耗易失性半導(dǎo)體快小高低掉電易失磁表面慢大低高掉電不易失3）光盤存儲器

用磁光材料作為存儲介質(zhì)，用激光學(xué)原理進(jìn)行讀/寫，基體為塑料圓盤。

特點(diǎn)：非電易失性，存儲容量大，耐用性好，可靠性高，速度比硬盤低，常用作硬盤的后備存儲器。2.按存取方式分：

1）隨機(jī)存取存儲器：半導(dǎo)體材質(zhì)

RandomAccessMemory（RAM）

可讀可寫，任一存儲單元的內(nèi)容都可隨機(jī)存取，且存取時間與存儲單元的物理位置無關(guān)。廣泛用于主存。

其中：

SRAM（靜態(tài)）：適用于cache；

DRAM（動態(tài)）：適用于主存。

2）只讀存儲器：

ReadOnlyMemory（ROM）半導(dǎo)體

正常工作時，只讀不寫（歷史概念），寫入操作需通過特殊手段完成，其它特點(diǎn)同RAM。

特點(diǎn)：非電易失性，可靠性高，常用于主存的系統(tǒng)程序區(qū)。可分為PROM、EPROM、EEPROM等。*3.按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分，可分為：主存儲器（內(nèi)部存儲器，MM）；

輔助存儲器（外部存儲器）；

緩沖存儲器等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常用存儲器分類圖：

SRAM

RAM

DRAM

掩膜ROM（MROM）

主存儲器PROM（一次性）

ROM

EPROM

EEPROM

FLASHROM（U盤）

存儲器

磁盤

輔助存儲器

磁帶

光盤

高速緩存

——Cache等二、存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)思考：你如何衡量存儲器的好壞？為什么要引入存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)？

1.存儲器的重要性及要求：重要性不言而喻。

使用者理想中的要求：盡可能快的讀寫速度，盡可能大的存儲容量，盡可能低的成本費(fèi)用。

實(shí)際情況：沒有任何一種存儲器能同時滿足上述三種要求。2.解決方案：

選用成本不同的、存儲容量不同的、讀寫速度不同的多種存儲介質(zhì)，按一定的層次結(jié)構(gòu)組織成一個統(tǒng)一的存儲器系統(tǒng)，使每種介質(zhì)充分發(fā)揮各自在速度、容量、成本方面的優(yōu)勢，從而達(dá)到綜合的最優(yōu)性能。

這樣一個存儲整體稱為“存儲系統(tǒng)”。

存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：

傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)采用四級寶塔形結(jié)構(gòu)，如下圖寄存器Cache主存外存磁盤光盤

1)通用寄存器組：處于CPU內(nèi)部。其速度最快、容量最小、位價最高，但由于容量太小，并不被看成是獨(dú)立的存儲級。

2）高速緩存（Cache）：為了緩解主存與CPU之間的速度之差，主存與CPU之間增設(shè)了一個緩沖存儲器。

其容量比通用寄存器組大得多，比主存小得多，速度接近CPU，位價介于寄存器與主存之間。

3）主存：是存儲系統(tǒng)的核心，是計(jì)算機(jī)自動運(yùn)行程序必不可少的功能部件。因此，計(jì)算機(jī)對主存的要求是比較高的，但在目前的存儲技術(shù)水平下，主存只能做到容量比較大、速度比較快、位價適中，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了CPU運(yùn)行程序的要求。

4）輔助存儲器（外部存儲器）：為了存放大量備用的程序和數(shù)據(jù)，在主機(jī)之外設(shè)置了一級輔助存儲器，其容量比主存大得多，速度比主存慢得多，但位價也便宜得多。

4.存儲系統(tǒng)的工作：

存儲系統(tǒng)的工作主要體現(xiàn)在兩個層次上：

Cache—主存層次：

計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序訪存時，有一段時間內(nèi)集中訪問一小片區(qū)域的傾向，即具有“程序運(yùn)行的局部性”。程序運(yùn)行的局部性原理：程序運(yùn)行時的局部性原理表現(xiàn)在：

在一小段時間內(nèi)，最近被訪問過的數(shù)據(jù)很可能再次被訪問

在空間上，這些被訪問的數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲區(qū)

在訪問順序上，順序執(zhí)行指令比轉(zhuǎn)移執(zhí)行可能性大(約5:1)根據(jù)這一特點(diǎn)，可以在計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序時，通過合理的調(diào)度將當(dāng)前使用最多的一小段程序和數(shù)據(jù)放在Cache中，使CPU大部分時間訪問高速緩存Cache，只有個別的指令或數(shù)據(jù)從緩存中讀不到，需要到主存去取。

這樣，從整體運(yùn)行的效果分析，CPU訪存速度最快，接近于Cache的速度，而尋址空間（容量）和位價卻接近于主存。

主存—輔存層次：

為了更好地對主存、輔存統(tǒng)一調(diào)度，目前廣泛采用虛擬存儲技術(shù)，即將主存與輔存的一部分通過軟硬結(jié)合的技術(shù)組成虛擬存儲器，程序員可使用這個比主存實(shí)際空間大很多的虛擬地址空間編程，當(dāng)程序運(yùn)行時，再由軟、硬件自動完成虛擬地址空間與主存實(shí)際物理空間的轉(zhuǎn)換。這個轉(zhuǎn)換操作對于程序員來說是透明的，因此，從程序員的角度看，他所使用的存儲器其容量和位價接近于輔存，而速度接近于主存。

綜合上述兩個存儲層次的作用，從整個存儲系統(tǒng)來看，就達(dá)到了速度快、容量大、位價低的優(yōu)化效果。4.2主存儲器

一、概述1.主存的基本組成，如下圖：存儲體驅(qū)動器譯碼器MAR讀寫電路MDR控制電路數(shù)據(jù)總線…………………………讀寫地址總線注：MAR、MDR邏輯結(jié)構(gòu)上屬M(fèi)M，物理位置在CPU芯片中。CS主存儲器的讀寫過程

讀過程:

1）CPU給出地址

2）CPU給出片選與讀命令

3）主存送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線

寫過程:

1）CPU給出地址

2）CPU給出片選與數(shù)據(jù)

3）CPU給出寫命令2.

主存與CPU的連接方式：

通過地址、數(shù)據(jù)、控制三類總線與CPU等其他部件連通，如下圖：例如，k=28位n=16位READYWRITEREAD

MMABk位（給出地址）DBn位（傳送數(shù)據(jù)）MARMDRCPU地址總線AB

的位數(shù)決定了可尋址的最大內(nèi)存空間；數(shù)據(jù)總線DB的位數(shù)，決定一次處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，等于機(jī)器字長；控制總線CB指出操作類型和本次入出操作完成的時刻。

3.存儲單元地址分配：

兩種方案：按字編址：字地址為高字節(jié)地址；

按字節(jié)編址：字地址為低字節(jié)地址。

字地址0：4812字節(jié)地址01234567891011HBLB1213…………

特點(diǎn)：字地址用該字高位字節(jié)地址表示，字地址不連續(xù)，是4的整數(shù)倍。例1：IBM370：字長32位，按字節(jié)編址。如下圖：例2：PDP11：字長16位，按字節(jié)編址，如下圖：0246135……字地址0246字節(jié)地址HBLB

特點(diǎn)：字地址用該字低位字節(jié)地址表示，字地址不連續(xù)，是2的整數(shù)倍。4.主存的技術(shù)指標(biāo)：

1）存儲容量

=存儲單元個數(shù)*存儲字長（位）

=存儲單元個數(shù)*存儲字長/8（字節(jié)）

2）存取速度：

用來表征存儲器速度的指標(biāo)常有下述兩種：

存取時間：啟動一次存儲器操作（讀或?qū)懀┑讲僮魍瓿伤钑r間。

存取周期：存儲器進(jìn)行連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲器操作（讀或?qū)懀┧璧淖钚￠g隔時間。

3、存儲器帶寬：每秒從存儲器進(jìn)出信息的最大數(shù)量（總二進(jìn)制位數(shù)）。

單位：字/秒，字節(jié)/秒，位/秒

存儲器帶寬=存取周期的倒數(shù)（存取頻率）×字長

例：存取周期500ns，字長16位，求存儲器帶寬。解：存儲頻率=1/500ns

存儲器帶寬=2M字/秒=4M字節(jié)/秒=32M位/秒

1.半導(dǎo)體存儲芯片的基本結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體存儲芯片采用超大規(guī)模集成電路制造工藝，在一個芯片內(nèi)集成具有記憶功能的存儲矩陣、譯碼驅(qū)動電路和讀寫電路等。二、半導(dǎo)體RAM芯片簡介：2.半導(dǎo)體芯片的基本結(jié)構(gòu)：

芯片內(nèi)部框圖，如下圖：

特點(diǎn)：與主存框圖相比，除MAR、MDR之外，其它部分基本一樣。譯碼驅(qū)動存儲矩陣讀寫電路…………地址線數(shù)據(jù)線片選線讀/寫控制線芯片外特性：由引腳界定。主要引腳：三類四種

數(shù)據(jù)線：雙向；

地址線：單向；

控制線：控制信號和反饋信號。

讀/寫控制線：單向，（入）；

片選控制線：單向，（入）。

數(shù)據(jù)線位數(shù)：界定了芯片字長（位數(shù)）；

地址線位數(shù)：界定了芯片的字?jǐn)?shù)；

數(shù)據(jù)線和地址線根數(shù)共同界定了片容量（=片字?jǐn)?shù)X片字長）3.半導(dǎo)體芯片的譯碼驅(qū)動方式：兩種

1）線選法：（單譯碼結(jié)構(gòu)）

地址譯碼直接選中一個存儲單元的所有位。

特點(diǎn)：N根譯碼線需n套驅(qū)動器，譯碼結(jié)構(gòu)簡單、速度快，但成本太高，僅適合于高速小容量存儲器。

例：CPU有n位地址線，采用線選法譯碼，需：

地址譯碼線數(shù)=2n根——2n套驅(qū)動器

當(dāng)n=16位時，需64K根譯碼線，

64K套驅(qū)動器。線選法譯碼結(jié)構(gòu)示意，如圖所示（圖中設(shè)容量為2n字，m位/字）地址譯碼器0,00,10,m1,01,11,m………………………………An-1A001

2n-1驅(qū)驅(qū)驅(qū)讀/寫控制電路……D0D1Dm-1假如有16條地址線，需多少套設(shè)備？線選法譯碼過程，如下圖（圖中設(shè)容量為2n個單元，m位/單元）地址譯碼器0,00,10,m……1,01,11,m…………………………An-1A001

2n-1驅(qū)驅(qū)驅(qū)讀/寫控制電路……D0D1Dm-1……地址譯碼器驅(qū)1,01,11,m……讀/寫控制電路……2）重合法：（矩陣譯碼結(jié)構(gòu)）

將地址分成行、列兩組（x，y），分別用兩套譯碼器譯碼，行、列譯碼的重合點(diǎn)即為所選存儲元。

特點(diǎn)：大大減少了譯碼輸出線根數(shù)，有效地降低了存儲器的成本，得到了廣泛采用。

例：n位地址，采用重合法譯碼，需：

地址譯碼線數(shù)=2n/2+2n/2根。

當(dāng)n=16位時，線選法需64K套驅(qū)動器，

而重合法僅需256+256=512根譯碼線，

512套驅(qū)動器。重合法譯碼結(jié)構(gòu)示意，如下圖（圖中設(shè)容量為2n字，1位/字）……X地址譯碼器0,00,1……………………A0An/2-102n/2-1Y地址譯碼器An/2An-1……驅(qū)驅(qū)驅(qū)驅(qū)驅(qū)02n/2-1重合法譯碼過程，如圖（圖中設(shè)容量為2n字，1位/字）0,00,1……………………A0An/2-102n/2-1X地址譯碼器Y地址譯碼器An/2An-1…………驅(qū)驅(qū)驅(qū)驅(qū)驅(qū)02n/2-1…………X地址譯碼器Y地址譯碼器驅(qū)驅(qū)0,1*三、存儲器與CPU的連接：

1.存儲容量擴(kuò)展技術(shù)：如何用多片存儲芯片組成完整的存儲器。

1）位擴(kuò)展：解決：在設(shè)計(jì)存儲器時，所用芯片字?jǐn)?shù)夠，位數(shù)不夠，位需由多片組成。

擴(kuò)展方法：

I、計(jì)算芯片用量：

片數(shù)=總存儲字長/片存儲字長

II、排列芯片矩陣：

為清楚起見，一般采用平面構(gòu)圖。既芯片沿行向、列向排列成方陣，無重疊部分。

位擴(kuò)展時，芯片按行向（水平方向）一維排列。

III、片間連線：

以SRAM為例，需要對四種引腳線進(jìn)行連接。位擴(kuò)展時，Ai（地址線）、WE（讀/寫控制）、CS（片選控制）線與CPU同名端對應(yīng)相連；Di（數(shù)據(jù)）線各片按位引出并與CPU對應(yīng)Di線相連。

例1：多位芯片的位擴(kuò)展：

用21141KX4SRAM芯片組成1KX16位存儲器。

解：片數(shù)=16位/4位=4片組成邏輯圖如下：A9~021141KX4SRAM-WE(1)-CSD3~0A9~021141KX4SRAM-WE(2)-CSD3~0A9~021141KX4SRAM-WE(3)-CSD3~0A9~021141KX4SRAM-WE(4)-CSD3~0A9~0-WE-CSD3~0D7~4D11~8D15~12排列芯片：連線：

例2：單位數(shù)據(jù)位芯片的位擴(kuò)展：每片芯片提供一位數(shù)據(jù)存取。

用16KX1

SRAM芯片組成16KX8存儲器。

解：片數(shù)=總字長=8/1=8片A13~016KX1SRAM-WE(1)-CSD0A13~016KX1SRAM-WE(2)-CSD0A13~016KX1SRAM-WE(8)-CSD0………………A13~0-WE-CS…D7D6D0組成邏輯圖，如下圖所示2）字?jǐn)U展：

解決：在設(shè)計(jì)存儲器時，所用芯片位數(shù)夠，字?jǐn)?shù)不夠，字需由多片組成。

擴(kuò)展方法：

I、計(jì)算芯片用量：片數(shù)=總字?jǐn)?shù)/片字?jǐn)?shù)

II、排列芯片矩陣：平面構(gòu)圖，無重疊部分。

字?jǐn)U展時，芯片仍按水平方向一維排列。III、片間連線：

仍以SRAM為例，對四種引腳線進(jìn)行連接。字?jǐn)U展時，-WE（讀/寫控制線）、Di（數(shù)據(jù)）線與CPU同名端對應(yīng)相連；

Ai（地址）線分兩部分：

低位地址部分與各芯片同名端對應(yīng)相連；

需設(shè)置片選地址譯碼器；

高位地址部分接片選地址譯碼器輸入端；

-CS（片選控制）線：

各片的片選線分別接片選地址譯碼器的各輸出端。例3：用1KX8SRAM芯片組成4KX8位存儲器。

解：片數(shù)=4K/1K=4片例3的地址空間A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0000000000000

┅┅┅┅┅

001111111111010000000000

┅┅┅┅┅011111111111100000000000

┅┅┅┅┅101111111111110000000000

┅┅┅┅┅1111111111111k1k1k1k組成邏輯圖如下：

芯片排列：A9~0

1KX8SRAM-WED7~0-CSA9~0

1KX8SRAM-WED7~0-CSA9~0

1KX8SRAM-WED7~0-CSA9~0

1KX8SRAM-WED7~0-CS片選地址譯碼器（2-4線）A9~0-WED7~0A10A11-CS3-CS2-CS1-CS0連線方法：3）字、位擴(kuò)展：

解決：在設(shè)計(jì)存儲器時，所用芯片字、位數(shù)都不夠，需字、位向同時由多片組成。

擴(kuò)展方法：

I、計(jì)算芯片用量：

片數(shù)=總?cè)萘?片容量

II、排列芯片矩陣：

平面構(gòu)圖，無重疊部分。

字、位擴(kuò)展時，芯片為二維矩陣排列。

III、片間連線：

仍以SRAM為例，對四種引腳線進(jìn)行連接。

字、位擴(kuò)展時：

-WE（讀/寫控制）線與CPU同名端并連；

Di（數(shù)據(jù)）線向CPU同名端并連引出；

Ai（地址）線仍分兩部分：

低位地址部分與各芯片同名端并連；

需設(shè)置片選地址譯碼器；

高位地址部分接片選地址譯碼器輸入端；

-CS（片選控制）線沿字向同名端并連引出，分別接片選地址譯碼器的各輸出端。

例4：用1KX4位SRAM芯片組成4KX16位存儲器。

解：片數(shù)=4KX16/1KX4=4X4=16片

寫出地址空間，如下所示：A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0000000000000

┅┅┅┅┅

001111111111010000000000

┅┅┅┅┅011111111111100000000000

┅┅┅┅┅101111111111110000000000

┅┅┅┅┅1111111111111k1k1k1k例4的地址空間構(gòu)成的邏輯圖如下：-CS0-CS1-CS2-CS3-WE1KX4-WE1KX4-WE1KX4-WE1KX4-WE1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM1KX4SRAM片選譯碼器2/4A9~0D15~12D11~8D7~4D3~0A10A11A9~0CS總結(jié)：2.存儲器與CPU的連接：

MM與CPU一般通過總線相連。

1）SRAM連接方法：

地址線：CPU通過地址總線向存儲器發(fā)送地址，理論上地址總線的低位可直接與各存儲芯片的地址引腳相連，高位與片選譯碼器輸入端相連；

數(shù)據(jù)線：

CPU通過數(shù)據(jù)總線與存儲器交換數(shù)據(jù)，因此存儲器的數(shù)據(jù)引出線與CPU的數(shù)據(jù)總線按位連通即可；

讀/寫控制線：CPU通過控制總線中的相應(yīng)信號線向存儲器發(fā)讀/寫令，則存儲器的-WE線與CPU的控制總線中的讀/寫命令線連通即可；

片選時間控制：CPU控制總線中的-MREQ（訪存請求）信號與片選譯碼器使能輸入端相連即可。

2）ROM連接方法：

與SRAM基本相同，但讀/寫控制線不連（ROM無-WE端）。

例5：95頁例4.2

設(shè)CPU有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用-MREQ作訪存控制信號（低電平有效），用-WR作讀/寫控制信號（高電平為讀，低電評為寫）。

現(xiàn)有下列存儲芯片：1KX4位SRAM；4KX8位SRAM；8KX8位SRAM；2KX8位ROM；4KX8位ROM；8KX8位ROM及74LS138譯碼器和各種門電路（下頁有圖），畫出CPU與存儲器的連接圖。要求主存的地址空間滿足下述條件：最小8K地址為系統(tǒng)程序區(qū)，與其相鄰的16K地址為用戶程序區(qū)，最大4K地址空間為系統(tǒng)程序工作區(qū)。詳細(xì)畫出存儲芯片的片選邏輯并指出存儲芯片的種類及片數(shù)。譯碼器和門電路邏輯符號：G1G2AY7G2BY674LS138CBY0A…………G1、-G2A、-G2B：使能控制端；C、B、A：譯碼器輸入端；-Y7~-Y0：譯碼輸出端。1&&解：1、首先據(jù)題意畫出地址空間分配圖：系統(tǒng)程序區(qū)：系統(tǒng)程序工作區(qū)：用戶程序區(qū)：8K（Y0）16K（Y1）

（Y2）未指定：4K（Y7）0000H1FFFH

2000H

5FFFH6000HF000HFFFFH…………36K

2、選片：據(jù)譯碼方案選：

1片

8KX8ROM

2片

8KX8SRAM

1片

4KX8SRAM較為合適。

3、分配地址線：

由于大部分采用了8K芯片，并且譯碼以8K為單位進(jìn)行，因此確定高三位地址作為片選譯碼地址，其余13位地址作為片內(nèi)地址。

對最高4K地址區(qū)的定位通過二級譯碼實(shí)現(xiàn)。

4、畫出CPU與存儲器連接邏輯圖及片選邏輯電路。CPU與存儲器連接邏輯圖如下：圖4.35A11~0D7~0-WRA12A13A14A15-MREQA11~04KX8D7~0SRAM-WE

-CSA12~08KX8D7~0SRAM-WE-CSA12~08KX8D7~0SRAM-WE-CSA12~08KX8D7~0ROM-CSAY774LS138（3：8譯碼器）Y2Y1Y0BC

-G2A-G2BG1

&1+5V…………六、存儲器的校驗(yàn)：

為提高存/取可靠性而設(shè)。常用技術(shù)有：

1、奇偶校驗(yàn)：僅能查錯；

2、海明校驗(yàn)：既可查錯，也可糾錯。

存儲器校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方法：

1、在存儲器中設(shè)校驗(yàn)碼生成、檢錯電路；

2、存儲字長按校驗(yàn)碼寬度設(shè)計(jì)（奇偶校驗(yàn)為n+1位，海明校驗(yàn)為n+k位）；

海明碼：海明碼是一種可以糾正一位差錯的校驗(yàn)碼。假若欲檢測的信息位為n位，需增加k位檢測位，構(gòu)成一個m=n+k位的碼字。它必須滿足以下關(guān)系式：檢測位安插在2k位(k=0,1,2,3)即1\2\4\8\16...位（從左往右數(shù)，依次為第1、2、3位等），負(fù)責(zé)檢測小組為：C1:1\3\5\7C2:2\3\6\7C4:4\5\6\7C8:8\9\10\11例6：欲傳遞信息為b4b3b2b1＝0101,按配偶原則，求它的海明碼。例7：接上題，若按偶配置收到的海明碼為1100101,用海明碼檢測哪位出錯（用檢測位Pi）。例8：已知收到的海明碼為0110101(按配偶原則)，問欲傳送的信息是什么？CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼差錯檢測原理：

收發(fā)雙方約定一個生成多項(xiàng)式G(x)，發(fā)送方根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)和G(x)計(jì)算出CRC校驗(yàn)和并把它添加在數(shù)據(jù)的末尾。接收方則用G(x)去除接收到的數(shù)據(jù)，若有余數(shù)，則傳輸有錯。CRC校驗(yàn)的關(guān)鍵是如何計(jì)算校驗(yàn)和。求CRC碼的步驟：

1、若生成多項(xiàng)式G(x)位數(shù)為r位，則需要在欲傳送的信息后添加r-1個0，相當(dāng)于左移r-1位。2、用第一步生成的位串進(jìn)行模2除法，得出余數(shù)，余數(shù)即為檢測位。3、欲傳送的信息后添加余數(shù)就得到了CRC碼。例9：已知有效信息為1100，試用生成多項(xiàng)式G(x)=1011將其編成CRC碼。例10：設(shè)有效信息為110，試用生成多項(xiàng)式G（x）=11011，將其編成循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。4.3高速緩沖存儲器（Cache)一、概述1.問題的提出A、內(nèi)存很忙內(nèi)存很慢，CPU“空等”B、提高并行性CPU和主存存在速度差異高速緩存CPU主存容量小速度高容量大速度低基于程序訪問的局部性原理２.Cache的工作原理（按內(nèi)容尋址）（1）主存和緩存的編址主存和緩存都按塊存儲，塊的大小相同。主存地址（主存地址n位=m+b）

m

位b位字塊2c－1字塊1字塊0…標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記主存字塊標(biāo)記

字塊內(nèi)地址

m位b

位Cache存儲器字塊2m－1字塊2c－1字塊1

字塊0（若干連續(xù)單元）……主存儲器（2）命中與未命中緩存共C塊，主存共M塊：M>>C命中：主存塊已調(diào)入緩存（在Cache中找到所需數(shù)據(jù)或指令）主存塊與緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系未命中：主存塊未調(diào)入緩存（在Cache中未找到所需數(shù)據(jù)或指令）主存塊與緩存塊未建立對應(yīng)關(guān)系（3）cache的命中率cache的命中率是CPU欲訪問的信息在cache中的比率。命中率與Cache的容量與塊長有關(guān)二、Cache主存的地址映射1.直接映象

字塊2m-1

字塊2c+1

字塊2c+1－1

字塊2c

+1

字塊2c

字塊2c－1

字塊1字塊0………主存儲體字塊1

標(biāo)記字塊0

標(biāo)記字塊2c-1標(biāo)記Cache存儲體t位01C－1…字塊字塊地址主存字塊標(biāo)記t

位c

位b

位主存地址比較器（t位）=≠不命中有效位=1？*m位Cache內(nèi)地址否是命中每個緩存塊i

可以和若干個主存塊

對應(yīng)每個主存塊j

只能和一個緩存塊

對應(yīng)i=jmodC

字塊2c+1

字塊2c

字塊0

字塊0優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單，查找數(shù)據(jù)或指令是否在cache中速度快。缺點(diǎn)：不夠靈活，每個主存塊固定對應(yīng)某個緩存塊，使緩存容量不能充分利用，cache利用率低。2.全相聯(lián)映象主存中的任一塊可以映象到緩存中的任一塊字塊2m－1字塊2c－1字塊1

字塊0……字塊2c－1字塊1字塊0…標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記主存字塊標(biāo)記

字塊內(nèi)地址主存地址m=t+c

位b位m=t+cCache存儲器主存儲器

字塊0優(yōu)點(diǎn)：較靈活，塊可以任意存放，cache利用率高。缺點(diǎn)：所需邏輯電路多，成本高。某一主存塊j

按模Q

映射到緩存的第i

組中的任一塊全相聯(lián)映象3.組相聯(lián)映象字塊2m－1字塊2c-r+1

字塊2c-r+

1字塊2c-r字塊2c-r

－

字塊1字塊0………字塊3標(biāo)記字塊1標(biāo)記字塊2c－1標(biāo)記字塊2標(biāo)記字塊0標(biāo)記字塊2c－2標(biāo)記…………組012c-r－1Cache主存儲器共Q

組，每組內(nèi)兩塊（r=2)1i=jmodQ直接映象字塊0字塊1字塊0字塊2c-r字塊2c-r+1

組相聯(lián)映象是直接映像和全相聯(lián)映像的折衷，組間是直接映象，組內(nèi)是全相聯(lián)映象方式。當(dāng)r=0時是直接映象方式，r=c時是全相聯(lián)映象方式。三、替換算法1.先進(jìn)先出（FIFO）算法2.近期最少使用法（LRU）算法小結(jié)某一

主存塊只能固定映射到某一

緩存塊直接全相聯(lián)組相聯(lián)某一

主存塊能映射到任一緩存塊某一主存塊能映射到某一

緩存組中的任一塊不靈活成本高4.4

輔助存儲器一、概述：

特點(diǎn)：容量大，速度較慢，成本低，斷電后還能保存信息，屬于非易失性存儲器。

二、輔助存儲器的分類與技術(shù)指標(biāo)（一）、輔助存儲器的分類

目前常用的輔助存儲器主要有兩類：磁表面存儲器和光存儲器。

1、磁表面存儲器把磁性材料沉積在基體上形成記錄介質(zhì)。

工作原理：磁性材料沉積在基體上形成記錄介質(zhì)，通過磁頭與記錄介質(zhì)的相對運(yùn)動來讀寫信息。優(yōu)點(diǎn)：

①容量大，位價低②記錄介質(zhì)可重復(fù)使用③信息可長期保存甚至可脫機(jī)保存缺點(diǎn)：①速度慢②對工作環(huán)境要求高2、光存儲器

記錄原理：用激光在具有感光特性的介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息，以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)的變化來表示0或1。

優(yōu)點(diǎn)：容量大，非易失性。

缺點(diǎn)：速度慢。（二）輔助存儲器的技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)有存儲密度、存儲容量和尋址時間。

1、存儲密度

定義：單位長度或單位面積磁層表面所存儲的二進(jìn)制信息量。對磁盤存儲器來說可以用道密度來表示。

道密度：沿磁盤半徑方向單位長度的磁道數(shù)，單位是道/英寸或道/毫米。

位密度：單位長度磁道能記錄的二進(jìn)制信息的位數(shù)，又叫線密度。單位是位/英寸或位/毫米。

2、存儲容量

定義：存儲器所能存儲的二進(jìn)制信息總量。輔存容量一般以字節(jié)為單位。磁盤存儲器有格式化和非格式化兩個容量，格式化容量指的是用戶可以使用的容量，一般為非格式化容量的80%。

格式化分高級格式化和低級格式化。

低級格式化是將硬盤劃分出柱面和磁道，再將磁道劃分為若干個扇區(qū)。低級格式化是高級格式化之前的一件工作，每塊硬盤在出廠前都進(jìn)行了低級格式化。低級格式化是一種損耗性操作，對硬盤壽命有一定的負(fù)面影響。三種文件系統(tǒng)：FAT、FAT32和NTFS。

①FAT：文件分配表（FileAllocationTable），是硬盤對其上文件分配管理的一種系統(tǒng)，它記錄著硬盤的容量，哪些扇區(qū)己被數(shù)據(jù)占用，哪些扇區(qū)沒有被占用。FAT適用系統(tǒng)：DOS②FAT32FAT32支持的文件大小可以達(dá)到4GB。支持這一磁盤分區(qū)格式的操作系統(tǒng)有win98和win2000、winXP。

③NTFS新技術(shù)文件系統(tǒng)，NTFS支持文件加密管理功能，可為用戶提供更高層次的安全保證。NTFS可以支持的文件大小可以達(dá)到64GB。支持NTFS的系統(tǒng)有win2000、winNT和winXP、win7等。3、尋址時間磁盤存儲器用直接