多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)

1、存儲器概述存儲器的作用計算機中用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，是馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的重要組成部分。在現(xiàn)代計算機中，存儲器處于全機的中心地位。主存儲器存放當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，CPU從中讀取指令和存取數(shù)據(jù)；隨著IO設備的增加，數(shù)據(jù)傳輸速度加快，DMA技術和IO通道技術廣泛使用，直接在存儲器和IO設備間傳送數(shù)據(jù)；共享存儲器的多處理機的出現(xiàn)，需要利用存儲器存放共享的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)處理機間通信。目前一頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點對存儲器系統(tǒng)的要求存儲器系統(tǒng)的設計目標盡可能快的存取速度：應能基本滿足CPU對數(shù)據(jù)的要求盡可能大的存儲空間：可以滿足程序?qū)Υ鎯臻g的要求盡可能低的單位成本：（價格/位）應在用戶能夠承受范圍內(nèi)目前二頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點CPU與DRAM性能比較目前三頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點

計算機硬件系統(tǒng)的組成輸入設備輸出設備入出接口和總線虛擬存儲主存儲器高速緩存控制器運算器目前四頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點以存儲器為中心的計算機結(jié)構(gòu)框圖程序存儲器輸出設備輸入設備運算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計算目前五頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點多級結(jié)構(gòu)存儲器系統(tǒng)實現(xiàn)存儲器系統(tǒng)的多個目標采用多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)基本思想選用生產(chǎn)與運行成本不同的、存儲容量不同的、讀寫速度不同的多種存儲介質(zhì)，組成一個統(tǒng)一的存儲器系統(tǒng)，使每種介質(zhì)都處于不同的地位，發(fā)揮不同的作用，充分發(fā)揮各自在速度、容量、成本方面的優(yōu)勢，從而達到最優(yōu)性能價格比，以滿足使用要求。目前六頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點多級結(jié)構(gòu)存儲器系統(tǒng)典型多級存儲器系統(tǒng)的層次使用容量較小但速度最快的SRAM芯片組成高速緩存存儲器CACHE；使用容量較大速度適中的DRAM芯片組成主存儲器MAINMEMORY；使用容量特大但速度較慢的磁盤設備構(gòu)成虛擬存儲器VIRTUALMEMORY。三級存儲系統(tǒng)目前七頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點現(xiàn)代計算機中的存儲層次利用程序運行的局部性原理以最低廉的價格提供盡可能大的存儲空間以最快速的技術實現(xiàn)高速存儲訪問目前八頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點程序運行的局部性原理什么是程序運行的局部性原理？是指CPU對存儲器中程序和數(shù)據(jù)的訪問，在一小段時間內(nèi)，總是集中在一小塊存儲空間。程序運行的局部性原理表現(xiàn)方面時間方面：在一小段時間內(nèi)，最近被訪問過的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問，例如：程序循環(huán)空間方面：在空間上這些被訪問的程序和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲區(qū)，例如：數(shù)組存放指令執(zhí)行順序方面：在訪問順序上，指令順序執(zhí)行比轉(zhuǎn)移執(zhí)行的可能性大(大約5:1)目前九頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點多級結(jié)構(gòu)存儲器之間應滿足的原則一致性原則同一個信息可以處在不同層次存儲器中，此時，這一信息在幾個級別的存儲器中應保持相同的值。包含性原則處在內(nèi)層存儲器中的信息一定被包含在其外層的存儲器中，反之則不成立。即內(nèi)層存儲器中的全部信息是其相鄰外層存儲器中一部分信息的復制品。目前十頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點2、主存儲器與CPU的連接計算機中存儲正處在運行中的程序和數(shù)據(jù)(或一部分)的部件，通過地址、數(shù)據(jù)、控制三類總線與CPU等其他部件連通。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)與工作頻率的乘積正比于最高數(shù)據(jù)吞吐能力控制總線CB

指出總線周期的類型和本次讀寫操作完成的時刻READYWRITEREADMainMemoryABk位（給出地址）DBn位（傳送數(shù)據(jù)）例如：k=32位n=32位CPUARDR目前十一頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點主存儲器的讀寫過程主存儲體數(shù)據(jù)寄存器地址寄存器/WE/CS0/CS1讀過程：給出地址給出片選與讀命令保存讀出內(nèi)容寫過程：給出地址給出片選與數(shù)據(jù)給出寫命令主存儲體目前十二頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點主存儲器主要技術指標存取時間通常用讀寫一個存儲單元所需時間度量，即讀寫速度存儲周期連續(xù)兩次讀寫存儲單元所需的時間間隔一般大于讀寫一次存儲單元的存取時間存儲容量通常用構(gòu)成存儲器的字節(jié)（8位）或者字數(shù)（2、4、8個字節(jié)）表述多數(shù)計算機能在邏輯上同時支持按字節(jié)或者按字讀寫存儲器（按字節(jié)編址）目前十三頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點構(gòu)成的主存儲器的半導體芯片目前十四頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點芯片容量譯碼驅(qū)動存儲矩陣讀寫電路1K×4位16K×1位8K×8位片選線地址線……讀/寫控制線數(shù)據(jù)線……地址線（單向）數(shù)據(jù)線（雙向）104141138半導體存儲芯片的基本結(jié)構(gòu)目前十五頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點3、存儲器的容量擴展存儲器芯片的容量是有限的，為了滿足實際存儲器的容量要求，需要對存儲器進行擴展。存儲器容量擴展的主要方法有：

位擴展法：只加大字長，而存儲器的字數(shù)與存儲器芯片字數(shù)一致，對所有片子使用共同片選信號；字擴展法：僅在字向擴充，而位數(shù)不變。需由片選信號來區(qū)分各片地址。

字位同時擴展法：一個存儲器的容量假定為M×N位，若使用l×k位的芯片(l＜M，k＜N)，需要在字向和位向同時進行擴展。此時共需要(M/l)×(N/k)個存儲器芯片。

目前十六頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點

(1)位擴展（增加存儲字長）用2片1K

×

4位存儲芯片組成1K

×

8位的存儲器10根地址線8根數(shù)據(jù)線DD????D0479AA0???21142114CSWE目前十七頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點

(2)字擴展（增加存儲字的數(shù)量）用2片1K

×

8位存儲芯片組成2K

×

8位的存儲器11根地址線8根數(shù)據(jù)線1K

×

8位1K

×

8位D7D0?????????????????WEA1A0???A9CS0A10

1CS1目前十八頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點(3)字、位擴展用8片1K

×

4位存儲芯片組成4K

×

8位的存儲器8根數(shù)據(jù)線12根地址線WEA8A9A0...D7D0……A11A10CS0CS1CS2CS3片選譯碼................1K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×4目前十九頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點教學計算機的內(nèi)存儲器實例設計基本要求需要ROM來存放監(jiān)控程序需要RAM供用戶和監(jiān)控程序使用能夠讓用戶進行擴展地址總線：16位數(shù)據(jù)總線：16位控制總線：時鐘信號：與CPU時鐘同步，簡化設計讀寫信號：由/MIO，REQ和/WE譯碼生成內(nèi)存和IO讀寫信號目前二十頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點教學機靜態(tài)存儲器字位擴展為訪問8192個存儲單元，需要使用13位地址，應把地址總線的低13位地址送到每個58C65存儲器芯片的地址引腳；為訪問2048個存儲單元，需要使用11位地址，應把地址總線的低11位地址送到每個6116存儲器芯片的地址引腳；對地址總線的高3位譯碼，產(chǎn)生的譯碼信號送相應的存儲器芯片的片選信號引腳/CS，用于選擇讓哪一個地址范圍的存儲器芯片工作。還要向存儲器芯片提供讀寫控制信號/WE，以區(qū)分是讀、還是寫操作，/WE信號為高電平是讀，為低是寫。目前二十一頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點教學機靜態(tài)存儲器字位擴展地址總線低13位高位地址譯碼給出片選信號/CS0/CS1高八位數(shù)據(jù)低八位數(shù)據(jù)/WE

2K*8bit

8K*8bit

8K*8bit

2K*8bit

譯碼器13113110－1FFF2000－27FF目前二十二頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點7.4高速緩沖存儲器（Cache）用途：設置在CPU和主存儲器之間，完成高速與CPU交換信息，盡量避免CPU不必要地多次直接訪問速度要慢一些的主存儲器，從而提高計算機系統(tǒng)的運行效率。實現(xiàn)：這是一個存儲容量很小、但讀寫速度更快、以關聯(lián)存儲器方式運行、用靜態(tài)存儲器芯片實現(xiàn)的存儲器。要求：有足夠高的命中率，既當CPU需用主存中的數(shù)據(jù)時，多數(shù)情況可以直接從Cache中得到，稱二者之比為命中率。目前二十三頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點微電子技術發(fā)展趨勢CPU與DRAM性能比較目前二十四頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點程序的局部性原理程序在一定時間段內(nèi)通常只訪問較小的存儲空間兩種局部性：時間局部性和空間局部性時間局部性：最近被訪問的信息很可能還要被訪問。將最近被訪問的信息項裝入到Cache中?？臻g局部性：最近被訪問的信息臨近的信息也可能被訪問。將最近被訪問的信息項臨近的信息一起裝入到Cache中。地址空間訪問概率目前二十五頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點CACHE的基本運行原理Cache存儲單元的組成部分數(shù)據(jù)字段：保存從主存單元復制過來的數(shù)據(jù)標志字段：保存相應主存單元的地址信息有效位字段：標識本cache項中信息（數(shù)據(jù)和標志）的有效性有效位CACHE標志數(shù)據(jù)目前二十六頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點TAGDATACACHECACHE的基本運行原理MEMORY數(shù)據(jù)總線譯碼選一單元比較選一行讀過程為例地址總線TAGDATA

CPU

CPU送出地址讀出主存一個單元的數(shù)據(jù)，用時會比較長。若在主存和CPU之間增加一個速度更快的存儲器，可否讓CPU直接從這個快速存儲器中讀出數(shù)據(jù)呢？當然讀的必須是原來主存地址選中的那個主存單元的內(nèi)容。怎么實現(xiàn)這個功能？只有把那個主存單元的內(nèi)容先復制到快存中才有可能，但讀快存的那個單元呢？這必和原主存地址相關若復制數(shù)據(jù)時把地址也一起復制過來當標志，使其結(jié)成地址_數(shù)據(jù)聯(lián)合體，則可能解決問題。有效位目前二十七頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點提高Cache性能并降低成本Cache單元的大?。篶achelinesize（幾個主存字，減少標志位位數(shù)，從而減少Cache的總?cè)萘浚〤ache與主存交換數(shù)據(jù)的單位：cachelinesize（充分利用空間局部性）Cache單元與主存單元的對應關系，例如：完全隨意對應一對多硬性對應多對多有限隨意對應Cache的容量、分層組織、接入方式等方面目前二十八頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點CACHE的3種映像方式地址映像：把一主存單元的數(shù)據(jù)復制到Cache中時，還要把該主存單元的地址，經(jīng)過某種函數(shù)關系處理后寫進Cache的標志字段，這一過程被稱為Cache的地址映像。地址變換：在程序執(zhí)行時，需要把主存地址變換為訪問Cache的地址，這一過程被叫做Cache的地址變換。Cache存儲器通常使用３種映像方式，它們是全相聯(lián)映像方式、直接映像方式、多路組相聯(lián)映像方式，3種映像方式有各自的優(yōu)缺點。目前二十九頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點全相聯(lián)映像方式全相聯(lián)映像方式：是指主存的一個字塊可以映像到整個CACHE中的任何一個字塊中。全相聯(lián)映像方式特點：主存的字塊可以和Cache的任何字塊對應，利用率高，方式靈活。標志位較長，比較電路的成本太高。如果主存空間有2m塊，則標志位要有m位。同時，如果Cache有n塊，則需要有n個比較電路。比較電路復雜，使用成本太高目前三十頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點全相聯(lián)映像方式CPU數(shù)據(jù)主存字塊標記有效位主存儲器CACHE比較譯碼標志數(shù)據(jù)主存字塊標記塊內(nèi)地址主存地址目前三十一頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點全相聯(lián)硬件實現(xiàn)舉例目前三十二頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點直接映像方式直接映像方式：是指主存的一個字塊只能映像到Cache中確定的一個字塊。按照Cache的字塊數(shù)把主存分區(qū)，則每個主存區(qū)中的第０個字塊只能映像到Cache的第０個字塊中。直接映像方式特點：主存的字塊只可以和固定的Cache字塊對應，方式直接，利用率低。標志位較短，比較電路的成本低。如果主存空間有2m塊，Cache中字塊有2c塊，則標志位只要有m-c位。而且在訪問Cache時候僅需要比較一次。利用率低，命中率低，效率較低目前三十三頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點直接映像方式CPU數(shù)據(jù)有效位主存儲器CACHE比較譯碼譯碼cache字塊地址主存字塊標記標志數(shù)據(jù)主存字塊標記塊內(nèi)地址主存地址cache字塊地址目前三十四頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點直接映像硬件實現(xiàn)舉例目前三十五頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點多路組相聯(lián)映像方式多路組相聯(lián)映像方式：是對全相聯(lián)映像和直接映像的一種折衷的處理方案。既不在主存和Cache之間實現(xiàn)字塊的完全隨意對應，也不在主存和Cache之間實現(xiàn)字塊的多對一的硬性對應，而是實現(xiàn)一種有限度的隨意對應。多路組相聯(lián)映像方式特點：折衷方案：組間為全相連，組內(nèi)為直接映像；集中了前面兩種方式的優(yōu)點，成本也不太高。最常用的CACHE映像方式目前三十六頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點組地址兩路組相聯(lián)映像方式CPU數(shù)據(jù)有效位主存儲器CACHE譯碼比較比較譯碼譯碼標志數(shù)據(jù)主存地址主存字塊標記塊內(nèi)地址組地址主存字塊標記目前三十七頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點４路組相聯(lián)硬件實現(xiàn)舉例目前三十八頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點三種映像方式比較全相聯(lián)映像主存中的一塊可以映射到Cache中任何一個位置直接映像主存中的一塊只能映射到Cache中唯一的一個位置訪問Cache進行定位時，不需要判斷，只需替換多路組相聯(lián)映像主存中的一塊可以選擇映射到Cache中有限的多個位置全相聯(lián)映像和多路組相聯(lián)映像的失效處理在Cache中沒有找到需要數(shù)據(jù)，從主存中取出新塊為了騰出Cache空間，需要替換出一個Cache塊不唯一，則需要判斷應替出哪塊目前三十九頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點目前四十頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點Cache使用中的幾個問題CACHE的重要技術指標：命中率影響CACHE命中率的因素CACHE的容量，大一些比較好CACHE與主存每次交換的信息量要適中CACHE不同的組織方式，多路組相聯(lián)更好CACHE的多級組織可提高命中率CACHE裝滿后的替換算法（全相聯(lián)、多路組相聯(lián)）目前四十一頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點cache的容量與命中率的關系

CacheSizeinKBHitRate目前四十二頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點cachelinesize、cache容量與缺失率的關系

目前四十三頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點多級的Cache結(jié)構(gòu)與命中率的關系

為增加計算機系統(tǒng)中的cache容量，通?？梢栽谝延械腸ache存儲器之外，再增加一個容量更大的cache。此時原有cache為第一級（例如奔騰機微處理機芯片內(nèi)的cache），新增加的cache為第二級。第二級cache的容量比第一級cache的容量要大得多,在第一級cache中保存的信息也一定保存在第二級cache中，但保存有比第一級cache中更多的信息。當CPU訪問第一級cache出現(xiàn)缺失情況時，就去訪問第二級cache。若第一級、第二級cache的命中率為90%，則它們總的命中率為：１-(1-90％)×(1-90％)=99％。目前四十四頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點Cache替換算法隨機替換（RAND）隨機找一個Cache塊進行替換，比較盲目。先進先出算法（FIFO）將最早調(diào)入Cache的字塊替換出去，采用循環(huán)電路容易實現(xiàn)，開銷小。最近最少使用算法（LRU）需要計算字塊的使用次數(shù)，開銷大，但平均命中率比FIFO要高。目前四十五頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點改寫主存儲器的策略若CPU改寫了Cache一單元內(nèi)容（寫命中）后且尚未改變主存相應單元內(nèi)容，則出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致性。有兩種解決辦法：直接改寫主存單元內(nèi)容（WriteThrough）：

簡便易行，數(shù)據(jù)一致性容易保證，但可能帶來系統(tǒng)運行效率不高的問題，Cache對寫操作沒有提高性能。拖后改寫主存單元內(nèi)容（WriteBack）：一直拖到有另外的設備要讀該內(nèi)容過時的主存單元時，則首先停止這一讀操作，接下來改寫主存內(nèi)容，之后再起動已停下來的讀操作?？刂齐m然復雜些，但可以提供更高的系統(tǒng)運行效率。目前四十六頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點7.5外部輔助存儲設備概述主要技術指標存儲密度：單位長度或單位面積上存儲的二進制信息數(shù)量。存儲容量：一臺設備能存儲的總信息量，一般以字節(jié)為單位。尋址時間：直接存取方式訪問（如磁盤）

順序存取方式訪問（如磁帶）數(shù)據(jù)傳輸率：單位時間內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，單位bps或者Bps。誤碼率：出錯信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比。價格：總價格和存儲單位信息的平均價格。目前四十七頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點磁記錄原理磁表面記錄設備，是在磁頭和磁性材料的記錄介質(zhì)之間有相對運動時，通過一次電磁轉(zhuǎn)換完成一次讀寫操作。磁頭：通常由軟磁材料（外界磁場的作用消失后，該磁性材料的磁性容易消失）做成。磁記錄介質(zhì)：在剛性或柔性載體上涂有薄磁材料的物體，記錄以磁狀態(tài)表示的信息。一般選用硬磁材料（外界磁場的作用消失后，該磁性材料的磁性盡量多的保留）。目前四十八頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點磁記錄原理前間隙后間隙鐵氧體線圈電流磁記錄介質(zhì)磁頭結(jié)構(gòu)和電磁轉(zhuǎn)換示意圖磁頭，軟磁材料導磁率高，飽和磁感應強度大矯頑力小，剩余磁感應強度小

磁記錄材料，硬磁材料記錄密度高，記錄信息時間長輸出信號幅度大，噪聲低表面組織緊密、光滑、無麻點薄厚均勻，溫度、濕度影響小目前四十九頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點磁記錄方式磁記錄方式：是指一種編碼方法，即如何將一串二進制信息，通過讀寫電路變換成磁層介質(zhì)中的磁化翻轉(zhuǎn)序列.編碼方法要求：更高的編碼效率：編碼效率：指記錄密度與最大磁化翻轉(zhuǎn)密度之比，即為記錄一位信息所用的最多磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)的倒數(shù)；FM、PM編碼效率50％，MFM、NRZ、NRZ1編碼效率100％更高的自同步能力：自同步能力：指從讀出的數(shù)據(jù)信息中提取出同步時鐘信號的難易程度，可以用最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔與最大翻轉(zhuǎn)間隔的比值來衡量；NRZ、NRZ1沒有自同步能力，PM、FM、MFM有自同步能力更高的讀寫可靠性：采用能檢查錯誤，甚至自動糾正錯誤的措施目前五十頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點磁盤設備組成與運行原理磁盤設備的組成磁盤驅(qū)動器：通常是一個完整獨立的設備，包括作為磁記錄介質(zhì)使用的磁盤和驅(qū)動磁盤勻速旋轉(zhuǎn)的動力與驅(qū)動部件，完成讀寫功能的磁頭和驅(qū)動磁頭沿磁盤徑向方向運動和準確定位的部件，以及其它一些控制邏電路等部件。磁記錄介質(zhì)：單獨的、可以和磁盤驅(qū)動器分開保存的硬磁盤片、磁盤組、軟磁盤片等。磁盤接口電路：是插在主機總線插槽中的一塊電路卡，用于把磁盤驅(qū)動器與計算機主機連接為一體系統(tǒng)，接收主機發(fā)給磁盤的操作命令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖與格式變換，處理主機與磁盤之間的其它交互作用與時間上的同步等。

目前五十一頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點硬磁盤驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖磁頭磁盤組主軸通風機取數(shù)臂定位驅(qū)動器速度傳感器小車主電機傳動皮帶濾塵器密封罩目前五十二頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點磁盤結(jié)構(gòu)與參數(shù)磁盤結(jié)構(gòu)（典型數(shù)據(jù)與磁盤容量相關）磁道：每個盤片每面500至2000磁道扇區(qū)：扇區(qū)是磁盤訪問的最小單位，每個磁道32至128個扇區(qū)某些硬盤上每個磁道上的扇區(qū)數(shù)相同，位密度不同，讀寫信號控制復雜一些為增加容量，位密度恒定，外磁道比內(nèi)磁道扇區(qū)數(shù)多一些，信息管理復雜一些柱面：位于同一半徑的磁道集合讀寫磁盤數(shù)據(jù)的三個步驟所用時間尋道時間：將磁頭移動到正確的磁道上所用時間旋轉(zhuǎn)延遲：等待磁盤上扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所用時間傳輸時間：真正的數(shù)據(jù)讀寫時間（1個或多個扇區(qū)）目前五十三頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點磁盤結(jié)構(gòu)與參數(shù)尋道時間：一般為8至12ms旋轉(zhuǎn)延遲：旋轉(zhuǎn)速度：3600至7200RPM旋轉(zhuǎn)時間：16ms至8ms每轉(zhuǎn)平均尋址時間8ms至4ms訪問速度：數(shù)據(jù)量（通常為1個扇區(qū)）：1KB/扇區(qū)旋轉(zhuǎn)速度：3600RPM至7200RPM存儲密度：磁道上單位長度存儲的位數(shù)磁盤直徑：2.5至5.25in一般為：2至15MB每秒SectorTrackCylinderHeadPlatter目前五十四頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點磁盤訪問時間舉例磁盤訪問時間=尋道時間+旋轉(zhuǎn)延遲+傳輸時間+磁盤控制器延遲舉例：平均尋道時間=12ms旋轉(zhuǎn)速度=5400rpm磁盤控制器延遲：2ms傳輸速度=5MBps扇區(qū)大小=512bytes讀取一頁（8KB）需要多少時間？旋轉(zhuǎn)延遲：平均旋轉(zhuǎn)延遲應為磁盤旋轉(zhuǎn)半周的時間。旋轉(zhuǎn)1周=1/5400minutes=11.1ms=>?周：5.6ms讀1個扇區(qū)時間=12ms+5.6ms+0.5KB/5MBps+2ms=12ms+5.6ms+0.1ms+2ms=19.7ms讀1頁的時間==12ms+5.6ms+8KB/5MBps+2ms=12ms+5.6ms+1.6ms+2ms=21.2ms目前五十五頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點對例子的思考頁容量大，為什么扇區(qū)卻如此小呢？理由#1：可用性?？梢栽谏葏^(qū)物理損壞時不再使用該扇區(qū)。理由#2：還是可用性。檢錯糾錯碼分布在每個扇區(qū)，扇區(qū)容量小，檢錯速度快，效率高。理由#3：靈活性。使用不同的操作系統(tǒng)，不同的頁面大小。采用并行方式和大容量傳輸方式克服磁盤控制器延遲大容量傳輸：每次讀取多個扇區(qū)，可以節(jié)約時間，也可以分擔部分總線延遲。并行方式：并行#1：并行讀多個層面并行#2：并行讀多個磁盤兩點結(jié)論額外開銷在總開銷中比例較大

=>一次傳輸大量數(shù)據(jù)比較有效將頁面存放在相鄰扇區(qū)中可以避免額外的尋道開銷目前五十六頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點光盤設備組成與運行原理光盤特點存儲密度高，容量大，非接觸式讀寫可靠性好，價格便宜，廣泛使用光盤類型只讀型光盤CD-ROM(CD-ReadOnlyMemory)標準容量650M寫一次型光盤WORM(writeonce,readmany)CD-R(CD-Recordable)可擦寫型光盤CD-RWCD-RW(CD-ReWritable)目前五十七頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點光盤的讀寫原理利用激光束在記錄表面上存取信息：根據(jù)激光束以及反射光的強弱不同，可以完成信息的讀寫形變：將激光束聚集成直徑為小于1微米的光點，以其熱作用，融化盤表面上的光存儲介質(zhì)薄膜，形成小洞（凹坑），有洞的位置表示記錄了“1”，沒有洞的位置表示“0”。讀出時，在讀出光束的照射下，有凹坑和無凹坑處反射的光強不同，從而區(qū)別讀出的是“1”還是“0”。主要用于只讀型和寫一次型光盤。相變：有些光存儲介質(zhì)在激光照射下，晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，利用介質(zhì)處于晶態(tài)和非晶態(tài)區(qū)域的不同反射特性來記錄和讀取信息。主要應用于可擦寫光盤。磁光存儲：利用激光在磁性薄膜上產(chǎn)生熱磁效應來記錄信息。主要應用于可擦寫光盤。目前五十八頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點寫一次型光盤光學系統(tǒng)示意圖光盤旋轉(zhuǎn)臺He-Ne激光器10%光束分離器90%調(diào)制器光束分離器調(diào)制信號聚焦系統(tǒng)，物鏡徑向跟蹤反射鏡寫光束讀出信號光敏管目前五十九頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點CD-RW存儲原理用銀、銦、銻和碲組成的合金做記錄層。這種合金有兩個穩(wěn)定態(tài)：晶態(tài)和非晶態(tài)，兩個狀態(tài)有不同的反射特性。CD-RW的驅(qū)動器使用三種不同能量的激光。在高能激光照射下，合金熔化并從高反射性的晶態(tài)轉(zhuǎn)化為低反射性的非晶態(tài)，表示凹區(qū)。在能量中等的激光束照射下，合金熔化并重新轉(zhuǎn)化為本來的晶態(tài)，又成為凸區(qū)。低能激光可以感知材料的狀態(tài)（用來讀盤），但不會導致狀態(tài)轉(zhuǎn)換。目前六十頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點光盤設備組成與運行原理DVD簡介DVD：數(shù)字多用途盤（DigitalVersatileDisk）DVD的容量比普通光盤提高了7倍，達到4.7GB單速DVD驅(qū)動器的工作速度為1.4MB/秒（而CD為150KB/秒）DVD的4種標準單面單層（4.7GB）單面雙層（8.5GB）雙面單層（9.4GB）雙面雙層（17GB）目前六十一頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點光盤設備組成與運行原理DVD存儲原理DVD的基本設計和CD相同，也是120mm直徑的注入碳酸鹽的盤模，由激光二極管照射的凸區(qū)和凹區(qū)組成，通過光接收器讀入信息。使用紅色激光（DVD激光的波長為0.65微米，而CD的為0.78微米）；凹區(qū)更小（DVD為0.4微米，而CD為0.8微米）；螺旋線更緊湊（DVD道間距為0.74微米，而CD的道間距為1.6微米）。其他的新標準HVD、EVD、藍光DVD……目前六十二頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點7.6虛擬存儲器概述虛擬存儲器是指用磁盤的一片存儲空間來彌補主存空間的不足，使得程序人員能夠使用比主存實際空間更大的存儲空間來編寫和運行程序。根據(jù)“程序運行的局部性原理”，只把一小段時間內(nèi)用到的程序和數(shù)據(jù)裝入主存；其他程序和數(shù)據(jù)在操作系統(tǒng)的支持下，在磁盤和主存之間按程序運行的需要自動成批地完成交換。虛擬存儲器經(jīng)常使用兩種基本管理技術，核心問題都在于處理數(shù)據(jù)的存放與調(diào)度。段式存儲管理頁式存儲管理結(jié)合起來：段頁式存儲管理目前六十三頁\總數(shù)七十二頁\編于二十一點段式存儲管理段是程序模塊化設計的結(jié)果，即把程序中邏輯上相對獨立的部分設計為不同的段，再經(jīng)過連接程序連接成更大的程序。此時用段作為信息調(diào)入主存的單位是合適