計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 課件 03存儲(chǔ)系統(tǒng)、04外圍設(shè)備

存儲(chǔ)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的地位結(jié)果程序輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器結(jié)果程序輸入設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器存儲(chǔ)器控制器以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器的作用存放程序和數(shù)據(jù)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)器處于全機(jī)的中心地位存儲(chǔ)器的訪問(wèn)者CPU讀取指令和存取數(shù)據(jù)I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器進(jìn)行直接數(shù)據(jù)傳送共享存儲(chǔ)器的多處理機(jī)的出現(xiàn)，需要利用存儲(chǔ)器存放共享的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)處理機(jī)間通信基本概念存儲(chǔ)元：存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)單元：若干個(gè)存儲(chǔ)元組成一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器：多個(gè)存儲(chǔ)單元組成一個(gè)存儲(chǔ)器字地址：存放一個(gè)機(jī)器字的存儲(chǔ)單元地址字節(jié)地址：存放一個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元地址如果計(jì)算機(jī)中可編址的最小單位是字存儲(chǔ)單元，則該計(jì)算機(jī)稱(chēng)為按字尋址的計(jì)算機(jī)如果計(jì)算機(jī)中可編址的最小單位是字節(jié)，則該計(jì)算機(jī)稱(chēng)為按字節(jié)尋址的計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)容量：在一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)通常稱(chēng)為該存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量存取時(shí)間(MemoryAccessTime)：存取時(shí)間ta又稱(chēng)存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間存儲(chǔ)周期(MemoryCycleTime)：存儲(chǔ)周期tc是指連續(xù)啟動(dòng)兩次讀操作所需間隔的最小時(shí)間帶寬：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)器可讀寫(xiě)的字節(jié)數(shù)（或二進(jìn)制的位數(shù)）稱(chēng)為存儲(chǔ)器的帶寬價(jià)格：價(jià)格是存儲(chǔ)器的一個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，一般用每位價(jià)格來(lái)表示存儲(chǔ)器的分類(lèi)按存儲(chǔ)介質(zhì)分半導(dǎo)體存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器光盤(pán)按數(shù)據(jù)的存取方法分隨機(jī)存取(RandomAccess)

順序存取(SequentialAccess)直接存取相聯(lián)存取按讀寫(xiě)功能分只讀存儲(chǔ)器(ROM)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RAM)按信息的可保存性分易失性存儲(chǔ)器(volatilememory)非易失性存儲(chǔ)器(Non-VolatileMemory,NVM)按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)盡可能快的存取速度：應(yīng)能基本滿足CPU對(duì)數(shù)據(jù)的要求盡可能大的存儲(chǔ)空間：可以滿足程序?qū)Υ鎯?chǔ)空間的要求盡可能低的單位成本：（價(jià)格/位）應(yīng)在用戶(hù)能夠承受范圍內(nèi)CPU與存儲(chǔ)器的性能比較存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)v1Mainmemoryholdsdiskblocksretrievedfromlocaldisks.registerson-chipL1cache(SRAM)mainmemory(DRAM)localsecondarystorage(localdisks)Larger,slower,andcheaper(perbyte)storagedevicesremotesecondarystorage(distributedfilesystems,Webservers)Localdisksholdfilesretrievedfromdisksonremotenetworkservers.off-chipL2cache(SRAM)L1cacheholdscachelinesretrievedfromtheL2cache.CPUregistersholdwordsretrievedfromcachememory.L2cacheholdscachelinesretrievedfrommemory.L0:L1:L2:L3:L4:L5:Smaller,faster,andcostlier(perbyte)storagedevices存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)緩存-主存層次和主存-輔存層次主存-輔存層次緩存CPU主存輔存緩存-主存層次程序運(yùn)行的局部性原理是指CPU對(duì)存儲(chǔ)器中程序和數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，在一小段時(shí)間內(nèi)，總是集中在一小塊存儲(chǔ)空間具體表現(xiàn)時(shí)間方面：在一小段時(shí)間內(nèi)，最近被訪問(wèn)過(guò)的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問(wèn)，例如：程序循環(huán)空間方面：在空間上這些被訪問(wèn)的程序和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲(chǔ)區(qū)，例如：數(shù)組存放指令執(zhí)行順序方面：在訪問(wèn)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)存儲(chǔ)層次應(yīng)滿足的原則一致性原則同一個(gè)信息可以處在不同層次存儲(chǔ)器中，此時(shí)，這一信息在幾個(gè)級(jí)別的存儲(chǔ)器中應(yīng)保持相同的值。包含性原則處在內(nèi)層存儲(chǔ)器中的信息一定被包含在其外層的存儲(chǔ)器中，反之則不成立。即內(nèi)層存儲(chǔ)器中的全部信息是其相鄰?fù)鈱哟鎯?chǔ)器中一部分信息的復(fù)制品。存儲(chǔ)層次的性能模型M1M2Ta1Ta2

多層存儲(chǔ)訪問(wèn)性能模型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器常用的半導(dǎo)體器件雙極型半導(dǎo)體TTL(Transistor-TransistorLogic)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體MOS(MetalOxideSemiconductor)在計(jì)算機(jī)中最常用的是MOS器件組成的存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)位元具備的條件：呈現(xiàn)兩種穩(wěn)態(tài)（或半穩(wěn)定），分別代表二進(jìn)制的1和0能夠?qū)懭耄ㄖ辽僖淮危﹣?lái)設(shè)置狀態(tài)能夠讀出狀態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類(lèi)半導(dǎo)體隨機(jī)儲(chǔ)存器(RAM)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器(ROM)MROMPROMEPROMEEPROM/E2PROMFLASHMemoryStaticRAM-SRAMShortforstaticrandomaccessmemory.SRAMisatypeofmemorythatisfasterandmorereliablethanthemorecommonDRAM(dynamicRAM).Thetermstaticisderivedfromthefactthatitdoesn'tneedtoberefreshedlikedynamicRAM.WhileDRAMsupportsaccesstimesofabout60nanoseconds,SRAMcangiveaccesstimesaslowas10nanoseconds.Inaddition,itscycletimeismuchshorterthanthatofDRAMbecauseitdoesnotneedtopausebetweenaccesses.Unfortunately,itisalsomuchmoreexpensivetoproducethanDRAM.Duetoitshighcost,SRAMisoftenusedonlyasamemorycache.6管MOSSRAM（字線選擇）SRAM存儲(chǔ)芯片-線性組織6管MOSSRAM-雙向選擇32Kx8StaticRAM-CY62256DynamicRAM-DRAMAtypeofphysicalmemoryusedinmostpersonalcomputers.Thetermdynamicindicatesthatthememorymustbeconstantlyrefreshed(reenergized)oritwillloseitscontents.RAM(random-accessmemory)issometimesreferredtoasDRAM(pronounceddee-ram)todistinguishitfromstaticRAM(SRAM).StaticRAMisfasterandlessvolatilethandynamicRAM,butitrequiresmorepowerandismoreexpensive.單管MOSDRAM1Mx4DRAM實(shí)例DRAM的刷新刷新(refresh)按行來(lái)進(jìn)行內(nèi)部的讀操作由刷新計(jì)數(shù)器產(chǎn)生行地址，選擇要刷新的行，讀即刷新刷新一行的時(shí)間即是存儲(chǔ)周期需要刷新的行數(shù)為單個(gè)芯片單個(gè)矩陣的行數(shù)（對(duì)于內(nèi)部包含多個(gè)存儲(chǔ)矩陣的芯片，各個(gè)矩陣同一行同時(shí)被刷新）刷新周期典型值2ms刷新方式集中刷新分散刷新異步刷新集中刷新分散刷新和異步刷新SRAM和DRAM特性比較特性SRAMDRAM存儲(chǔ)信息觸發(fā)器電容破壞性讀出非是需要刷新不要需要送行列地址同時(shí)送分兩次送運(yùn)行速度快慢集成度低高發(fā)熱量大小存儲(chǔ)成本高低DRAM控制器ROM-ReadOnlyMemory半導(dǎo)體掩模只讀存儲(chǔ)器MROM（MaskedReadOnlyMemory）一次性編程只讀存儲(chǔ)器PROM（ProgrammableROM）可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM（ErasablePROM）電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM（ElectricallyErasablePROM）快閃存儲(chǔ)器FLASHMemoryTTLMROMMOSMROM多射級(jí)熔絲式PROMEPROM基本結(jié)構(gòu)EPROM芯片和紫外線擦除器EEPROM基本結(jié)構(gòu)FlashmemoryABk位（給出地址）DBn位（傳送數(shù)據(jù)）主存儲(chǔ)器與CPU的連接地址總線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(lèi)型和本次讀寫(xiě)操作完成的時(shí)刻READYWRITEREADMainMemory例如：k=32位n=32位CPUARDR主存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)主存儲(chǔ)體數(shù)據(jù)寄存器地址寄存器/WE/CS0/CS1讀過(guò)程：給出地址給出片選與讀命令保存讀出內(nèi)容寫(xiě)過(guò)程：給出地址給出片選與數(shù)據(jù)給出寫(xiě)命令主存儲(chǔ)體存儲(chǔ)器的容量擴(kuò)展位擴(kuò)展法：只加大字長(zhǎng)，而存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)與存儲(chǔ)器芯片字?jǐn)?shù)一致，對(duì)所有片子使用共同片選信號(hào)；字?jǐn)U展法：僅在字向擴(kuò)充，而位數(shù)不變。需由片選信號(hào)來(lái)區(qū)分各片地址字位同時(shí)擴(kuò)展法位擴(kuò)展

用2片1K

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4位存儲(chǔ)芯片組成1K

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8位的存儲(chǔ)器10根地址線8根數(shù)據(jù)線DD????D0479AA0???21142114CSWE字?jǐn)U展

用2片1K

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8位存儲(chǔ)芯片組成2K

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8位的存儲(chǔ)器11根地址線8根數(shù)據(jù)線1K

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8位1K

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

1CS1字、位擴(kuò)展用8片1K

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4位存儲(chǔ)芯片組成4K

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8位的存儲(chǔ)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×474138譯碼器74138的函數(shù)表74139譯碼器74139的函數(shù)表設(shè)計(jì)步驟分析地址空間分配進(jìn)行合理的芯片選擇制定地址譯碼方案繪制存儲(chǔ)器配置連接圖地址線的連接數(shù)據(jù)線的連接讀/寫(xiě)命令線的連接片選線的連接例題1設(shè)CPU有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用作訪存控制信號(hào)（低電平有效），用作讀／寫(xiě)控制信號(hào)（高電平為讀，低電平為寫(xiě)）?，F(xiàn)有下列存儲(chǔ)芯片：1K×4位RAM；4K×8位RAM；8K×8位RAM；2K×8位ROM；4K×8位ROM；8K×8位ROM及74LSl38譯碼器和各種門(mén)電路。畫(huà)出CPU與存儲(chǔ)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(hù)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(huà)出存儲(chǔ)芯片的片選邏輯并指出存儲(chǔ)芯片的種類(lèi)及片數(shù)。地址空間分配0000～1FFF系統(tǒng)程序區(qū)8K2000～5FFF用戶(hù)程序區(qū)16K6000～EFFF

空閑36KF000～FFFF系統(tǒng)程序工作區(qū)

4K芯片選擇和譯碼方案根據(jù)地址范圍的容量及其在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用，確定最小為8K系統(tǒng)程序區(qū)選一片8K×8位ROM；與其相鄰的16K用戶(hù)程序區(qū)選2片8K×8位RAM；最大為4K系統(tǒng)程序工作區(qū)選1片4K×8位RAM。將CPU的低13位地址線A12～A0與1片8K×8位ROM和兩片8K×8位RAM的地址線相連；將CPU的低12位地址線A11～A0與1片4K×8位RAM的地址線相連。連接圖例題2設(shè)CPU有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用作訪存控制信號(hào)（低電平有效），用作讀／寫(xiě)控制信號(hào)（高電平為讀，低電平為寫(xiě)）。現(xiàn)有下列存儲(chǔ)芯片：1K×4位RAM；4K×8位RAM；8K×8位RAM；2K×8位ROM；4K×8位ROM；8K×8位ROM及74LSl38譯碼器和各種門(mén)電路。畫(huà)出CPU與存儲(chǔ)器的連接圖，要求：（1）主存地址空間分配：

6000H～67FFH為系統(tǒng)程序區(qū)；

6800H～6BFFH為用戶(hù)程序區(qū)。（2）合理選用上述存儲(chǔ)芯片，說(shuō)明各選幾片。（3）詳細(xì)畫(huà)出存儲(chǔ)芯片的片選邏輯圖。地址空間分配0000～5FFF空閑24K6000～67FF系統(tǒng)程序區(qū)

2K6800～6BFF

用戶(hù)程序區(qū)

1K6C00～FFFF空閑37K選擇存儲(chǔ)芯片

由6000H～67FFH系統(tǒng)程序區(qū)的范圍，應(yīng)選1片2K×8位的ROM，無(wú)需選4K×8位和8K×8位的ROM，否則就浪費(fèi)了。由6800H～6BFFH用戶(hù)程序區(qū)的范圍，應(yīng)選2片1K×4位的RAM芯片，選其他芯片也必然浪費(fèi)。

連接圖提升DRAM性能成組數(shù)據(jù)傳送（Burstmode）DRAM的快速讀寫(xiě)技術(shù)DRAM的并行讀寫(xiě)技術(shù)其他可行方案提高存儲(chǔ)器芯片本身的讀寫(xiě)速度改進(jìn)芯片之間的組合與結(jié)構(gòu)關(guān)系使用具有多端口的存儲(chǔ)器芯片DRAM的快速讀寫(xiě)技術(shù)快速頁(yè)式存儲(chǔ)器(FastPageRAM,FPRAM)：連續(xù)讀寫(xiě)屬于同一行的多個(gè)列中的數(shù)據(jù)，其行地址只需在第一次讀寫(xiě)時(shí)送入（鎖存），之后保持不變，則每次讀寫(xiě)屬于該行的多個(gè)列中的數(shù)據(jù)時(shí)，僅鎖存列地址即可，從而省掉了鎖存行地址時(shí)間，也就加快了主存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)速度。擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出存儲(chǔ)器(ExtendedDataOutputRAM,EDODRAM)：在數(shù)據(jù)輸出部分增加數(shù)據(jù)鎖存線路，延長(zhǎng)輸出數(shù)據(jù)的有效保持時(shí)間，即使地址信號(hào)改變了，仍能取到正確的讀出數(shù)據(jù)，這可以進(jìn)一步縮短地址送入時(shí)間，也就加快了主存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)速度。DRAM的并行讀寫(xiě)技術(shù)使主存儲(chǔ)器在一個(gè)工作周期的時(shí)間內(nèi)讀出多個(gè)主存字在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的存儲(chǔ)器中都可以使用并行讀寫(xiě)技術(shù)主要有兩種方案：一體多字：加寬每個(gè)主存單元的寬度，同時(shí)存儲(chǔ)多個(gè)主存字優(yōu)點(diǎn)：降低平均讀出時(shí)間，為原來(lái)的幾分之一缺點(diǎn)：需要位數(shù)足夠多的寄存器緩存數(shù)據(jù)，多次送數(shù)據(jù)總線單字多體：把主存儲(chǔ)器分為幾個(gè)獨(dú)立讀寫(xiě)、字長(zhǎng)為一個(gè)主存字的存儲(chǔ)體，通過(guò)合理的組織，使幾個(gè)存儲(chǔ)體協(xié)同工作。兩種讀寫(xiě)方式：同時(shí)啟動(dòng)讀寫(xiě)方式、順序輪流啟動(dòng)讀寫(xiě)方式交叉編址方式：因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行的局部性原理，把連續(xù)的主存字分布到不同的存儲(chǔ)體中。數(shù)據(jù)總線一體多字結(jié)構(gòu)地址寄存器

主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體

WWWW一體4字結(jié)構(gòu)單字多體結(jié)構(gòu)地址寄存器

數(shù)據(jù)總線

0字1字2字3字單字4體結(jié)構(gòu)低位交叉編址順序讀寫(xiě)時(shí)間

單體訪存周期

單體訪存周期啟動(dòng)存儲(chǔ)體0啟動(dòng)存儲(chǔ)體1啟動(dòng)存儲(chǔ)體2啟動(dòng)存儲(chǔ)體3SDRAM同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(synchronousdynamicrandom-accessmemory)利用同步計(jì)時(shí)器對(duì)存儲(chǔ)器的輸出入信號(hào)加以控制的DRAMSDRAM是在DRAM的架構(gòu)基礎(chǔ)上增加同步和雙區(qū)域(DualBank)的功能，使得微處理器能與SDRAM的時(shí)鐘同步，所以SDRAM執(zhí)行命令和傳輸資料時(shí)相較于DRAM可以節(jié)省更多時(shí)間SDRAMReadTimingDDRSDRAMDoubleDataRateSynchronousDynamicRandom-AccessMemoryDDRachieveshigherdataratesinthreeways:First,thedatatransferissynchronizedtoboththerisingandfallingedgeoftheclock,ratherthanjusttherisingedge.Thisdoublesthedatarate;hencethetermdoubledatarateSecond,DDRuseshigherclockrateonthebustoincreasethetransferrateThird,abufferingschemeisusedDDRGenerations提高主存儲(chǔ)器性能的途徑成組數(shù)據(jù)傳送(Burstmode)目的：提高數(shù)據(jù)總線的輸入輸出能力傳送一次地址，連續(xù)在總線上傳送多個(gè)數(shù)據(jù)提高存儲(chǔ)芯片本身的讀寫(xiě)速度EDRAM：EnhancedDRAMCDRAM：CacheDRAM改變存儲(chǔ)芯片的時(shí)序SDRAM：SynchronousDRAMDDRSDRAM：DoubleDataRateSDRAM改進(jìn)芯片之間的組合與結(jié)構(gòu)關(guān)系并行讀寫(xiě)：交叉編址RDRAM(RambusDRAM)：采用串行數(shù)據(jù)傳輸模式使用具有多端口的存儲(chǔ)器芯片雙端口存儲(chǔ)器CacheCache基本概念cache：隱藏處所,隱藏的糧食或物資,貯藏物cache-主存層次是多級(jí)存儲(chǔ)體系的一部分多級(jí)存儲(chǔ)體系能夠解決存儲(chǔ)器容量、速度、價(jià)格之間的矛盾的關(guān)鍵——程序執(zhí)行的局部性原理程序運(yùn)行的局部性原理程序在一定時(shí)間段內(nèi)通常只訪問(wèn)較小的存儲(chǔ)空間兩種局部性：時(shí)間局部性和空間局部性時(shí)間局部性：最近被訪問(wèn)的信息很可能還要被訪問(wèn)。將最近被訪問(wèn)的信息項(xiàng)裝入到Cache中?？臻g局部性：最近被訪問(wèn)的信息臨近的信息也可能被訪問(wèn)。將最近被訪問(wèn)的信息項(xiàng)臨近的信息一起裝入到Cache中。地址空間訪問(wèn)概率訪問(wèn)速度比較Cache組成cache的工作原理cache實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)cache的目標(biāo)是為了解決存儲(chǔ)器的速度問(wèn)題cache的容量要遠(yuǎn)小于主存，因此必須考慮兩者間的地址變換問(wèn)題cache管理的所有算法均由硬件實(shí)現(xiàn)cache和主存之間以塊為單位交換信息cache與主存同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)cache的設(shè)計(jì)主要考慮提高命中率問(wèn)題cache設(shè)計(jì)要素cache容量的大小(CacheSize)cache與主存的地址映射方法(MappingFunction)替換策略(ReplacementAlgorithms)寫(xiě)策略(WritePolicy)數(shù)據(jù)塊大小(LineSize)多級(jí)cache(MultilevelCaches)分立cache和統(tǒng)一cache(UnifiedVersusSplitCaches)Cache的容量與命中率的關(guān)系cache與主存的地址映射直接映射方式（DirectMapping）全相聯(lián)方式（AssociativeMapping）組相聯(lián)映射方式（SetAssociativeMapping）直接映射方式(1)映射方式：i＝j(luò)modm，其中i＝Cache塊號(hào)，j＝主存儲(chǔ)器的塊號(hào)，m=Cache的塊數(shù)直接映射方式(2)直接映射方式(3)優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單硬件成本低缺點(diǎn)容易產(chǎn)生沖突不能有效利用Cache空間全相聯(lián)方式(1)全相聯(lián)方式(2)全相聯(lián)方式(3)優(yōu)點(diǎn)靈活不易產(chǎn)生沖突缺點(diǎn)比較電路難于實(shí)現(xiàn)效率低，速度慢組相聯(lián)映射方式(1)組相聯(lián)映射方式(2)練習(xí)題(1)有一個(gè)Cache的容量為4K字，每塊為16字，問(wèn)：（1）該Cache可容納多少個(gè)塊？（2）如果主存的容量是1M字，則有多少個(gè)塊？（3）在直接映射方式下，主存中的第300塊映射到Cache中哪一個(gè)塊？（4）在進(jìn)行直接地址映射時(shí)，存儲(chǔ)器地址分成哪幾段？各段分別有多少位？練習(xí)題(2)Cache－主存存儲(chǔ)體系采用組相聯(lián)映像方式，塊（行）大小為256B，Cache包含32塊（行），每組包含4塊（行），主存容量4096塊。畫(huà)出主存與Cache的地址格式。地址變換表應(yīng)包含多少個(gè)存儲(chǔ)單元？每個(gè)單元幾位？每次參與相聯(lián)比較的單元為多少？替換策略經(jīng)典算法先進(jìn)先出（FIFO）最不經(jīng)常使用（LFU）近期最少使用（LRU）隨機(jī)替換（RAND）最優(yōu)替換（OPT）改良算法LRFU：LRU和LFU（LeastFrequentlyUsed）兩者的結(jié)合，優(yōu)先替換訪問(wèn)次數(shù)少的數(shù)據(jù)。LRU-K：先從使用次數(shù)為1的頁(yè)面中根據(jù)LRU查找頁(yè)面進(jìn)行替換，如果沒(méi)有1的頁(yè)面則查找訪問(wèn)次數(shù)為2的頁(yè)面，直到K為止。寫(xiě)策略單級(jí)Cache寫(xiě)直達(dá)法，通過(guò)式寫(xiě)（WriteThrough）寫(xiě)回法（WriteBack）兩級(jí)Cache寫(xiě)一次法（Write-Once）L1Cache對(duì)L2Cache使用全寫(xiě)法，L2Cache對(duì)主存使用寫(xiě)回法Cache的命中率命中率是Cache設(shè)計(jì)中最重要的技術(shù)指標(biāo)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(jí)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)）Cachelinesize、cache容量與缺失率多級(jí)Cache與命中率為增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的cache容量，通?？梢栽谝延械腸ache存儲(chǔ)器之外，再增加一個(gè)容量更大的cache。此時(shí)原有cache為第一級(jí)（例如奔騰機(jī)微處理機(jī)芯片內(nèi)的cache），新增加的cache為第二級(jí)。第二級(jí)cache的容量比第一級(jí)cache的容量要大得多,在第一級(jí)cache中保存的信息也一定保存在第二級(jí)cache中，但保存有比第一級(jí)cache中更多的信息。當(dāng)CPU訪問(wèn)第一級(jí)cache出現(xiàn)缺失情況時(shí)，就去訪問(wèn)第二級(jí)cache。若第一級(jí)、第二級(jí)cache的命中率為90%，則它們總的命中率為：１-(1-90％)×(1-90％)=99％。單級(jí)Cache和多級(jí)Cache虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器概述虛擬存儲(chǔ)器是指用磁盤(pán)的一片存儲(chǔ)空間來(lái)彌補(bǔ)主存空間的不足，使得程序人員能夠使用比主存實(shí)際空間更大的存儲(chǔ)空間來(lái)編寫(xiě)和運(yùn)行程序根據(jù)“程序運(yùn)行的局部性原理”，只把一小段時(shí)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(pán)和主存之間按程序運(yùn)行的需要自動(dòng)成批地完成交換虛擬存儲(chǔ)器經(jīng)常使用兩種基本管理技術(shù)，核心問(wèn)題都在于處理數(shù)據(jù)的存放與調(diào)度段式頁(yè)式段頁(yè)式段式存儲(chǔ)管理段表內(nèi)容及其管理段號(hào)段內(nèi)地址++邏輯地址段始地址段長(zhǎng)裝入位段表主存實(shí)際地址段表基地址頁(yè)式存儲(chǔ)管理頁(yè)表內(nèi)容和頁(yè)式管理+（在內(nèi)存中）控制位有效位頁(yè)表虛地址(程序中給出)實(shí)地址(讀寫(xiě)內(nèi)存用)按地址讀實(shí)頁(yè)號(hào)虛頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址實(shí)頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)表基地址控制位：包括修改位、替換位有效位：表示該頁(yè)是否已裝入主存頁(yè)表內(nèi)容和頁(yè)式管理+（在內(nèi)存中）控制位有效位虛頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào)慢表虛地址(程序中給出)實(shí)地址(讀寫(xiě)內(nèi)存用)TLB(專(zhuān)設(shè)硬件)比較(按內(nèi)容選)按地址讀實(shí)頁(yè)號(hào)虛頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址實(shí)頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)表基地址Cache與虛擬存儲(chǔ)的區(qū)別Cache虛擬存儲(chǔ)器功能緩解了主存儲(chǔ)器速度慢的拖累

突破了主存儲(chǔ)器容量小的限制

實(shí)現(xiàn)技術(shù)硬件以軟件為主透明性透明不透明地址轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單復(fù)雜、速度慢數(shù)據(jù)交換頻率高、數(shù)量少頻率低、數(shù)量多外圍設(shè)備計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)外圍設(shè)備與輸入輸出系統(tǒng)系統(tǒng)互連存儲(chǔ)器接口外圍設(shè)備CPU計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備概念：具有一定操作功能的比較完整和相對(duì)獨(dú)立的精密機(jī)械電子裝置功能：進(jìn)行人機(jī)交互，完成輸入輸出功能特點(diǎn)：種類(lèi)繁多，功能多樣，組成與運(yùn)行原理各不相同發(fā)展：智能化、高可靠性、小型廉價(jià)常用的外圍設(shè)備鍵盤(pán)圖形輸入設(shè)備鼠標(biāo)、數(shù)位板、操縱桿、手寫(xiě)筆圖像輸入設(shè)備掃描儀、傳真機(jī)、數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)條形碼閱讀器語(yǔ)音與文字輸入顯示器（字符、圖形、圖像）打印機(jī)（針式、噴墨、激光）繪圖儀語(yǔ)音輸出輸入設(shè)備輸出設(shè)備矩陣鍵盤(pán)原理1101...并行接口并行接口+5V10KΩ0列1列m-1列0行1行n-1行鍵盤(pán)鍵.....。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。…...011A鍵110...。1101...二極管鼠標(biāo)機(jī)械式光電式觸摸屏常用輸出設(shè)備顯示器陰極射線管顯示器液晶顯示器等離子顯示器打印機(jī)針式打印機(jī)噴墨打印機(jī)激光打印機(jī)點(diǎn)陣式設(shè)備把字形、圖形、圖像等信息以不同的點(diǎn)陣布局方式表現(xiàn)出來(lái)軟拷貝(softcopy)顯示設(shè)備硬拷貝(hardcopy)打印設(shè)備點(diǎn)陣式表示舉例以十六進(jìn)制數(shù)的形式把平面上點(diǎn)陣布局寫(xiě)出來(lái)點(diǎn)陣式設(shè)備需要解決的問(wèn)題點(diǎn)陣布局規(guī)律確定形狀的對(duì)象（保存對(duì)象的布局）無(wú)確定規(guī)律對(duì)象（保存所有點(diǎn)信息）點(diǎn)陣的密度更密的點(diǎn)陣可以把要表示的形狀呈現(xiàn)得更精細(xì)準(zhǔn)確表示同樣大小的形狀，點(diǎn)陣密則所用數(shù)據(jù)數(shù)量更多點(diǎn)陣越密則對(duì)輸入輸出設(shè)備的處理精度要求也越高點(diǎn)陣中點(diǎn)的屬性二值表示（0、1表示點(diǎn)的有、無(wú)）單色表示（灰度級(jí)表示不同亮度）彩色表示（RGB三基色混和表示彩色）發(fā)光二極管(LED)Lighting-EmittingDiode陰極射線管(CRT)燈絲陰極聚焦極石墨層熒光屏顯示屏陽(yáng)極帽偏轉(zhuǎn)線圈柵極陽(yáng)極電子槍電子束Cathode-RayTube液晶顯示(LCD)Liquid-CrystalDisplay有機(jī)發(fā)光顯示(OLED)OrganicLight-EmittingDisplayEInkEInk(electronicink)針式打印機(jī)打印紙導(dǎo)軌打印針永磁鐵

鐵芯銜鐵

線圈色帶色帶保護(hù)片滾筒激光打印機(jī)激光部分打印機(jī)控制部分光導(dǎo)鼓顯象部分…..定形部分

加熱輥預(yù)熱板輸紙用輥轉(zhuǎn)寫(xiě)清掃輥帶電器印寫(xiě)部分清掃部分轉(zhuǎn)寫(xiě)部分接紙

部分紙激光噴墨打印機(jī)墨水槽噴墨頭過(guò)濾器收集槽高壓電源振蕩發(fā)生器字形發(fā)生器打印紙充電電極壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)電極墨水泵回收器墨滴偏轉(zhuǎn)方向噴墨頭移動(dòng)方向組成與打印原理字符打印過(guò)程（充了電的墨滴偏轉(zhuǎn)射向打印紙，不帶電的墨滴射入回收器被回收）(以7*5點(diǎn)陣為例)熱敏和熱轉(zhuǎn)印Thermalprinting外部存儲(chǔ)器/輔存主要技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)密度：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度或單位面積上存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息數(shù)量。存儲(chǔ)容量：一臺(tái)設(shè)備能存儲(chǔ)的總信息量，一般以字節(jié)為單位。尋址時(shí)間：找到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置所需要的時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，單位b/s或者B/s。誤碼率：出錯(cuò)信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比。價(jià)格：總價(jià)格和存儲(chǔ)單位信息的平均價(jià)格。概述從功能上講，外部存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)體系的一部分從結(jié)構(gòu)上說(shuō)，外部存儲(chǔ)器又是屬于外圍設(shè)備的范疇目前，磁表面存儲(chǔ)器是常用的外部存儲(chǔ)器之一，在磁表面存儲(chǔ)器中最常用的是磁盤(pán)磁性材料的物理特性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，軟磁材料導(dǎo)磁率高，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大矯頑力小，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度小

磁記錄材料，硬磁材料記錄密度高，記錄信息時(shí)間長(zhǎng)輸出信號(hào)幅度大，噪聲低表面組織緊密、光滑、無(wú)麻點(diǎn)薄厚均勻，溫度、濕度影響小磁表面存儲(chǔ)器的讀操作磁表面存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作磁表面存儲(chǔ)器存取信息的原理通過(guò)電-磁變換，利用磁頭寫(xiě)線圈中的脈沖電流，可把一位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)反之，通過(guò)磁-電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出磁表面存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)存儲(chǔ)密度高，記錄容量大，每位價(jià)格低；記錄介質(zhì)可重復(fù)利用（通過(guò)改變剩磁狀態(tài)）；無(wú)需能量維持信息，掉電信息不丟失，記錄信息可長(zhǎng)久保持；利用電磁感應(yīng)讀出信號(hào)，非破壞性讀寫(xiě)。磁表面存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)只能順序存取，不能隨機(jī)存取；讀寫(xiě)時(shí)要靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)，存取速度慢；讀寫(xiě)可靠性差，必須加校驗(yàn)碼；由于使用機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)工作環(huán)境要求高。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(jìn)制信息，通過(guò)讀寫(xiě)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(shí)鐘信號(hào)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(lái)衡量；NRZ、NRZ1沒(méi)有自同步能力，PM、FM、MFM有自同步能力更高的讀寫(xiě)可靠性：采用能檢查錯(cuò)誤，甚至自動(dòng)糾正錯(cuò)誤的措施磁盤(pán)的物理組織（1）

磁頭運(yùn)動(dòng)固定磁頭（每磁道一個(gè)）可移動(dòng)磁頭（每個(gè)面一個(gè)）磁盤(pán)可更換性不可更換磁盤(pán)可更換磁盤(pán)盤(pán)片單面雙面磁頭機(jī)制接觸（軟盤(pán)）固定間隙空氣動(dòng)壓氣隙（溫氏磁盤(pán)）磁盤(pán)的物理組織（2）溫徹斯特磁盤(pán)結(jié)構(gòu)磁盤(pán)的數(shù)據(jù)組織-磁道磁盤(pán)的每一個(gè)記錄面被劃分為若干個(gè)同心圓，被稱(chēng)為磁道(tracks)磁道編號(hào)順序：由外向內(nèi)為什么？磁盤(pán)的數(shù)據(jù)組織-扇區(qū)每個(gè)磁道又被劃分為若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，稱(chēng)為扇區(qū)(sectors)扇區(qū)是磁盤(pán)能夠?qū)ぶ返降淖钚挝淮疟P(pán)的數(shù)據(jù)組織-柱面當(dāng)一個(gè)磁盤(pán)系統(tǒng)有多個(gè)記錄面時(shí)，不同記錄面的同一磁道被稱(chēng)為柱面(cylinder)磁盤(pán)的數(shù)據(jù)組織磁盤(pán)的尋址傳統(tǒng)CHS(cylinders-heads-sectors)方式：臺(tái)號(hào)、柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)邏輯區(qū)塊地址(LogicalBlockAddress,LBA)磁盤(pán)的格式化：使磁盤(pán)帶有標(biāo)識(shí)信息，用于區(qū)分各個(gè)扇區(qū)

磁盤(pán)的性能參數(shù)(1)存儲(chǔ)密度

道密度：沿磁盤(pán)半徑方向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)位密度：沿磁道圓周方向單位長(zhǎng)度上所能記錄的二進(jìn)制位數(shù)存儲(chǔ)容量：指一個(gè)磁盤(pán)裝置所能存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的總量非格式化容量＝位密度×內(nèi)圈磁道周長(zhǎng)×磁道總數(shù)格式化容量＝扇區(qū)容量×每道扇區(qū)數(shù)×磁道總數(shù)

磁盤(pán)的性能參數(shù)(2)平均存取時(shí)間尋道時(shí)間：磁頭定位到要求的磁道所花費(fèi)的時(shí)間。旋轉(zhuǎn)延遲：磁道上待訪問(wèn)的信息旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所需要的時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸率＝磁盤(pán)轉(zhuǎn)速×每條磁道的容量(B/s)傳送時(shí)間＝要傳送的字節(jié)數(shù)÷數(shù)據(jù)傳輸率

例：磁盤(pán)參數(shù)計(jì)算一臺(tái)有3個(gè)盤(pán)片的磁盤(pán)組，共有4個(gè)記錄面，轉(zhuǎn)速為7200/分，盤(pán)面有效記錄區(qū)域外徑為30cm，內(nèi)徑為20cm，記錄位密度為110位/mm，磁道密度為8道/mm，磁道分16個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)512字節(jié)，設(shè)磁頭移動(dòng)速度為2m/s。（1）計(jì)算盤(pán)組的非格式化容量和格式化容量。（2）計(jì)算該磁盤(pán)的數(shù)據(jù)傳輸率，平均尋道時(shí)間和平均旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間。（3）若一個(gè)文件超出一個(gè)磁道的容量，余下部分是存于同一個(gè)盤(pán)面還是存于同一柱面上？并給出一個(gè)合理的磁盤(pán)地址方案。例題解答（1）每個(gè)記錄面共有磁道數(shù)為：（（30－20）/2）×10×8＝400道非格式化容量＝（3.14×200×110×400×4）/8=13816000B格式化容量＝512×16×400×4＝1