大學(xué)計算機組成原理-第4章、存儲系統(tǒng)

1第四章、存儲系統(tǒng)

Outline存儲器概述主存儲器高速緩沖存儲器外存儲器虛擬存儲器存儲保護24.1

存儲器概述存儲器分類存儲器分級結(jié)構(gòu)存儲器的性能指標(biāo)3存儲器分類按存儲介質(zhì)分按存取方式分按存儲器的讀寫功能分按信息的可保存性分按在計算機系統(tǒng)中的作用分4按存儲介質(zhì)分半導(dǎo)體存儲器雙極型存儲器MOS存儲器速度快、功耗低磁存儲器磁芯、磁帶、磁盤容量大，速度慢、體積大激光存儲器CD-ROMCD-RWCD-RDVD-ROMDVD-RWDVD-R便于攜帶，廉價，易于保存5按存取方式分隨機存儲器存儲器中的任意存儲單元都能隨機存取且存取時間與物理位置無關(guān)磁芯、半導(dǎo)體存儲器順序存儲器存儲器存取時間與物理位置有關(guān)磁盤、磁帶、激光存儲器6按讀/寫功能分只讀存儲器(ROM)存儲器內(nèi)容是預(yù)置的，固定的，無法改寫讀/寫存儲器既能讀出也能寫入的存儲器隨機存儲器RAM7按信息的可保存性分易失性存儲器VolatileMemories斷電后信息消失SRAMDRAM非易失性存儲器Non-VolatileMemories斷電后仍能保存信息磁存儲器、激光存儲器、NVRAM8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Cache控制存儲器9存儲系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)磁帶、光盤磁盤Cache(SRAM)主存(DRAM)CPU寄存器存儲速度單位成本存儲容量外存/輔存內(nèi)存10Outline存儲器概述主存儲器高速緩沖存儲器外存儲器虛擬存儲器存儲保護114.2

主存儲器基本概念隨機存儲器只讀存儲器主存儲器與CPU的連接幾種新型存儲器高速主存儲器12主存儲器特征由半導(dǎo)體MOS存儲器組成存儲單元：字存儲單元，字節(jié)存儲單元按地址進行訪問字地址，字節(jié)地址屬于隨機訪問存儲器主存空間包含讀/寫存儲空間和只讀存儲空間132

主存儲器基本概念隨機存儲器只讀存儲器主存儲器與CPU的連接幾種新型存儲器高速主存儲器14隨機存取存儲器（RandomAccessMemory）靜態(tài)MOS存儲器SRAM動態(tài)MOS存儲器DRAMMOS:MetalOxideSemiconductor15三極管的特性icibRbicBECUccib0icmax16三極管的特性截止?fàn)顟B(tài)：UB

、ib、ic為0，Uc高放大狀態(tài)：ib、ic為線性放大關(guān)系飽和狀態(tài)：UB

、ib、ic為高，Uc接近0ibRbicBECUcc17六管SRAM存儲器(SRAMCell)Vss(0V)T4T3T1T2T7T8T5T6VDD(5V)I/OO/IY地址譯碼線X地址譯碼線T1T2

工作管T3T4負載管T5T6X向門控管T7T8Y向門控管18六管SRAM存儲器兩種狀態(tài)T4T3Vss(0V)T1T2T5T7T8T6VDD(5V)Y地址譯碼線I/O截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通裝態(tài)低電位高電位ABX地址譯碼線I/OT4T3Vss(0V)T1T2T5T7T8T6VDD(5V)Y地址譯碼線I/OABX地址譯碼線I/O19六管SRAM存儲器讀操作T4T3Vss(0V)T1T2T5T7T8T6VDD(5V)YX地址譯碼線I/O截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通裝態(tài)低電位高電位ABDDI/O20六管SRAM存儲器寫操作T4T3Vss(0V)T1T2T5T7T8T6VDD(5V)I/O截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通裝態(tài)低電位高電位ABDX地址譯碼線Y地址譯碼線DI/O21位存儲體封裝位存儲體X地址譯碼線DDY地址譯碼線XX為行選擇線D為數(shù)據(jù)輸出口位存儲體的行選擇線選中方能讀出或者寫入數(shù)據(jù)22X0Y0D位存儲體DXX1X2X3Y1存儲矩陣D位存儲體DXD位存儲體DXD位存儲體DXD位存儲體DXD位存儲體DXD位存儲體DXD位存儲體DX2364x64存儲矩陣I/O電路存儲矩陣64×64＝4096…………X0X1X630,01,063,0…Y00,11,163,1…Y10,631,6363,63…Y63244k*4位存儲體X0

X63

X1

64*64Y0

Y63

…64*64Y0

Y63

…64*64Y0

Y63

…D0

D1

D2

D364*64Y0

Y63

…254k*4位存儲體64*6464*6464*6464*64Y0

Y63…X0

X63

X1

26地址譯碼器Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y73:8譯碼器

OEA2A1A000000000001001000000100100000010001100001000A2A1A0Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0100000100001010010000101100100000011110000000A2A1A0Y7Y6Y6Y4Y3Y2Y1Y027各種譯碼器1-2譯碼器2-4譯碼器3-8譯碼器4-16譯碼器3-8譯碼Y7Y2Y1Y0…OE#28單譯碼方式Byte2………Byte2n-1Byte1Byte0N路譯碼電路N位地址輸入N位地址，尋址2n個存儲單元，2n根譯碼線29雙譯碼方式N位地址，尋址2n個存儲單元2*2n/2根譯碼線0n0102031012131nn0n1n2nnY地址譯碼X地址譯碼30…X0X1存儲單元陣列存儲單元陣列存儲單元陣列X向驅(qū)動器I/O電路n位X向地址DBUS…靜態(tài)存儲器芯片結(jié)構(gòu)控制電路RDWRCSX向地址譯碼器…Y0Y1m位Y向地址Y向地址譯碼器Y向驅(qū)動器31驅(qū)動器與I/O電路驅(qū)動器一條選擇線帶很多存儲位時負載過大在地址譯碼器輸出端增加驅(qū)動電路保證每一個存儲位都能正常工作。I/O電路存儲體與數(shù)據(jù)總線之間的電路讀出時具有放大信號的作用322114引腳圖(1Kx4)A6A5A4A3A0A1A2CSGND123456789181716151413121110VCCA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE2114A6地址線數(shù)據(jù)線讀寫控制線片選線電源線地線33行選擇輸入數(shù)據(jù)控制……VCCGNDA3A4A5A6A7A8I/O1I/O2I/O3I/O4A0A1A2A9CSWE&&64×64存儲矩陣列I/O電路列選擇34單管DRAM存儲器及讀過程Vss(0V)T1DX地址譯碼線C電容用于存儲電荷，有電荷代表1，否則代表0I/OY地址譯碼線T235單管DRAM存儲器寫過程Vss(0V)T1DX地址譯碼線C電容用于存儲電荷，有電荷代表1，否則代表0I/OY地址譯碼線T236DRAM刷新相關(guān)概念DRAM靠電容電荷存儲信息。電容電荷容易泄漏，需定期補充電荷以保持信息不變，補充電荷的過程稱為刷新過程泄漏完畢之前如不能補充電荷，存儲信息發(fā)生丟失，信息存儲到信息泄漏完畢之間必須完成刷新過程，稱為最大刷新周期，從上一次對存儲器刷新結(jié)束到下一次對整個存儲器刷新結(jié)束所需要的時間稱為刷新周期，刷新一塊芯片所需的刷新周期數(shù)由芯片矩陣的行數(shù)決定。37DRAM刷新放大器Vss(0V)T1DX地址譯碼線CI/OY地址譯碼線T2T4T3T1T2TSVDD(5V)PS預(yù)置脈沖PSX/Y/RD有效數(shù)據(jù)I/OABA’放大器38DRAM陣列VDD(5V)VDD(5V)X0X1XiY0YiI/O392116引腳圖（16Kx1）地址線數(shù)據(jù)線讀寫控制線RASCAS電源線地線402116存儲單元32x128存儲單元128輸出放大器32x128存儲單元64條選擇線譯碼器（X）32x128存儲單元128輸出放大器32x128存儲單元64條選擇線譯碼器（X）128條列選擇線譯碼器（Y）41DRAM的刷新集中式分散式異步式42集中刷新方式RW刷新2刷新1RW128…RW…RW刷新間隔2ms讀寫/維持刷新過程/死區(qū)500ns500ns2ms內(nèi)集中安排所有刷新周期。用在實時要求不高的場合。43分散刷新方式RW刷新2刷新1RW128…RW…RW刷新間隔2ms500ns500ns存儲周期各刷新周期分散安排在存取周期中。用在低速系統(tǒng)中44異步刷新方式RW刷新1…RWRW15.5微秒500nsRW128…RW…各刷新周期分散安排在2ms內(nèi)每隔一段時間刷新一行。每隔15.5微秒提一次刷新請求，刷新一行；2毫秒內(nèi)刷新完所有行用在大多數(shù)計算機中。2ms128行≈15.5微秒15.5微秒500ns45刷新的幾點說明不同材料、生產(chǎn)工藝的動態(tài)存儲器刷新周期不同，常見的有2ms、4ms、8ms，刷新時間間隔不能超過刷新周期。存儲體采用雙譯碼的行、列結(jié)構(gòu)，刷新是按照行進行的。刷新地址是由專門器件

刷新地址計數(shù)器給出。464.2

主存儲器基本概念隨機存儲器只讀存儲器主存儲器與CPU的連接幾種新型存儲器高速主存儲器47只讀存儲器(ROM)掩模式只讀存儲器（MROM）一次編程只讀存儲器（PROM）多次編程只讀存儲器（EPROM,EEPROM）48只讀存儲器VCCXSDT149只讀存儲器陣列行地址譯碼器A3A2A1A0X0X1X2X3Y0Y1Y2Y3輸出片選VCC431列地址譯碼器5250熔絲式ROM(PROM)XSDT151N基片源極--------漏極電極導(dǎo)體(a)單元結(jié)構(gòu)浮置柵二氧化硅可擦寫ROM——EPROM(b)電路結(jié)構(gòu)52(a)MOS晶體管結(jié)構(gòu)源極柵極--------漏極電極導(dǎo)體二氧化硅N基片(c)EPROM晶體管結(jié)構(gòu)浮置柵--------N基片(b)MOS晶體管導(dǎo)通狀態(tài)+5VVddVss--------------------+++N基片(d)EPROM晶體管導(dǎo)通狀態(tài)+25V0V擊穿電流-----------------------+++++N基片MOS管與EPROM的兩種狀態(tài)53EPROM高壓寫入紫外線光照擦除54編程器55紫外線擦除器56基片源極--------漏極電極導(dǎo)體二氧化硅控制柵極電可擦寫ROM——EEPROM

Electrically

Erasable

Programmable

ROM57易失性半導(dǎo)體存儲器VOLATILESRAMDRAMFPMDRAM(FastPageModeRAM)EDODRAM(EnhancedDataOutDRAM)SDRAM(SynchronousDRAM)PC66PC100PC133168pinDDRSDRAM(doubledataratesynch.DRAM)PC1600PC2100PC2700PC3200184/240pinDDR200DDR266DDR333DDR400RDRAM(RambusDRAM)58非易失性半導(dǎo)體存儲器NON-VOLATILEROM(readonlymemory)PROM(ProgrammableROM)EPROM(ErasablePROM)EEPROM(ElectricallyErasablePROM)NVRAM(Non-volatileRAM)BRAM(Battery-backupRAM)FERAM(FerroelectricRAM)MRAM(Magnetoresistive

RAM)594.2

主存儲器基本概念隨機存儲器只讀存儲器主存儲器與CPU的連接幾種新型存儲器高速主存儲器60新型存儲器NVRAMFlashMemory61NVRAM非易失性存儲器SRAM、微電池、電源檢測、切換開關(guān)集成寫數(shù)據(jù)時間短，適合存放實施采集的重要數(shù)據(jù)。62閃速存儲器FlashMemory在不加電的情況下可長期保持存儲的信息。本質(zhì)上屬于EEPROM，既有ROM的特點，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重寫，功耗很小。存放BIOS，升級方便634.2主存儲器基本概念隨機存儲器只讀存儲器主存儲器與CPU的連接幾種新型存儲器高速主存儲器64主存儲器與CPU的連接地址線的連接數(shù)據(jù)線的連接控制信號線的連接存儲擴展65主存儲器與CPU的連接D0,D1WEACS2K×2D0D1A10-0MREQ#R/W#CPUD1~D066存儲器擴展字長擴展(數(shù)據(jù)總線擴展)各芯片并行工作字數(shù)擴展(地址總線擴展)同一時刻僅一芯片工作67字長(位)擴展（DBUS）

2Kx2->2Kx8A10-0D1D0D7D6A10-0MREQ#R/W#CPUD7~D0一個存儲系統(tǒng)容量為N位，若使用k位的芯片，k<N，共需要(N/k)個芯片WEACS2K×2DWEACS2K×2DWEACS2K×2DWEACS2K×2DD5D4D3D268字數(shù)(字)擴展(ABUS)

8Kx8->32Kx8A14-13A12-02-4譯碼ramsel4ramsel2ramsel1ramsel0OE#D7~D0D7~D0D7~D0D7~D0一個存儲系統(tǒng)容量為M，若使用容量l的芯片，l<M，共需要（M/l）個芯片WEACS8K×8DWEACS8K×8DWEACS8K×8DWEACS8K×8DA12-0MREQ#R/W#CPUD7~D069綜合擴展

8Kx8->32Kx32112-4譯碼100100A14-13A12-0A12-0OE#MREQ#R/W#CPUD31~D0D31~D0D31~D0D31~D0D31~D0WEACS8Kx84片DWEACS8Kx84片DWEACS8Kx84片DWEACS8Kx84片D一個存儲系統(tǒng)容量為M*N位，若使用l*k位的芯片，l<M,k<N，共需要（M/l）*(N/k)個芯片70芯片表示的主存空間8位12342048個存儲單元D7D6…D1D08位8K8K8K8K1234D7D6…D1D0地址012…32767AddressAddress71各芯片地址范圍8位8K8K8K8K1234D7D6…D1D0A14A13A12A00000...00011...10100...00111...11000...01011...11100...01111...172例1

設(shè)有32片256K×1位的SRAM芯片

(1)采用位擴展方法可構(gòu)成多大容量的存儲器？

(2)該存儲器需要多少字節(jié)地址位？

(3)畫出該存儲器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)CPU的接口信號有地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號MREQ#和R/W#。解：256K*1位SRAM芯片包含18根地址線

(1)32片256K×1位的SRAM芯片可構(gòu)成256K×32位的存儲器。

(2)如采用32位字編址方式，則需要18條地址線，因為218=256KWord。如果采用的字節(jié)編址方式，則需要20條地址線，因為220=1024Kbyte。73A17-0D31D2D1D0WEACS256K×1DWEACS256K×1DWEACS256K×1DWEACS256K×1DA17-0MREQ#R/W#CPUD31~D074例2設(shè)有若干片256K×8位的SRAM芯片，問：

(1)采用字擴展方法構(gòu)成2048KB存儲器需多少片SRAM芯片？

(2)該存儲器需要多少字節(jié)地址位？

(3)畫出該存儲器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)CPU的接口信號

有地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號MREQ#和R/W#。

解：256K*8位SRAM芯片包含18根地址線

(1)該存儲器需要2048K/256K=8片SRAM芯片；

(2)需要21條地址線，因為221=2048K，其中高3

位經(jīng)過譯碼器輸出后用于芯片選擇,低18位作為每個存儲器芯片的地址輸入。

(3)該存儲器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖如下。75A20-18A17-0111譯碼器010001000…OE#D7~D0WEACS256K×8DWEACS256K×8DWEACS256K×8DWEACS256K×8DA20-0MREQ#R/W#CPUD7~D0D7~D0D7~D0D7~D076例3設(shè)有若干片256K×8位的SRAM芯片，問：

(1)如何構(gòu)成2048K×32位的存儲器？

(2)需要多少片RAM芯片？

(3)該存儲器需要多少字節(jié)地址位？

(4)畫出該存儲器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)CPU的接口信號

有地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號MREQ#和R/W#。解：256K*8位SRAM芯片包含18根地址線

(1)采用字位擴展的方法。

(2)需要(2048/256)x(32/8）=32片SRAM芯片。

(3)2048Kx32bit=221x4byte=223byte

故需要23根地址線77首先進行位擴展，構(gòu)成32bit需要4片256K*8bit芯片，4片構(gòu)成一組。按照新構(gòu)成的存儲組進行字擴展，需要2048/256=8組字擴展中的各個部件串行工作，需要片選，利用3-8譯碼器進行片選即可。78A20-18A17-0ramsel7譯碼器ramsel2ramsel1ramsel0OE#D31~D0D31~D0D31~D0D31~D0WEACS256Kx84片DWEACS256Kx84片DWEACS256Kx84片DWEACS256Kx84片DA20-0MREQ#R/W#CPUD31~D079例4某計算機的主存地址空間中，從地址0x0000到3FFF為ROM存儲區(qū)域，從0x4000到0x5FFF為保留地址區(qū)域，暫時不用，從0x6000到0xFFFF為RAM地址區(qū)域。RAM的控制信號為CS#和WE#，CPU的地址線為A15~A0，數(shù)據(jù)線為8位的線路D7~D0，控制信號有讀寫控制R/W#和訪存請求MREQ#，要求：(1)如果ROM和RAM存儲器芯片都采用8K×1的芯片，試畫出存儲器與CPU的連接圖。(2)如果ROM存儲器芯片采用8K×8的芯片，RAM存儲器芯片采用4K×8的芯片，試畫出存儲器與CPU的連接圖。(3)如果ROM存儲器芯片采用16K×8的芯片，RAM存儲器芯片采用4K×8的芯片，試畫出存儲器與CPU的連接圖80解：8KB的存儲區(qū)域可以用8片存儲器芯片構(gòu)成一組實現(xiàn)。8K×1的存儲器芯片的地址線需要13條，即A12~0。0x0000到0x3FFF為ROM存儲區(qū)域，從0x4000到0x5FFF為保留地址區(qū)域，暫時不用，從0x6000到0xFFFF為RAM地址區(qū)域。CPU訪問0~0xFFFF的地址空間需要地址線16根，為A15~A0，數(shù)據(jù)線為8位的線路D7~D081111111111111110000000000000000000x0000~0x3FFF16K*8ROM0x4000~0x5FFF8K*8RESERVED0x6000~0xFFFF40K*8RAM111111111111101000000000000000101111111111111111000000000000011082A15-13A12-0111譯碼器011001000OE#D7~D0D7~D0D7~D0D7~D0WEACS8Kx18片ROMDWEACS8Kx18片RAMDWEACS8Kx18片RAMDWEACS8Kx18片ROMDA15-0MREQ#R/W#CPUD7~D01、ROM和RAM采用8K×1的芯片83A11-0A11-0A15-13A12-0D7~D0D7~D0D7~D0D7~D0WE

ACS8Kx81片ROMDWEACS8Kx81片ROMDWEACS4Kx81片RAMDWEACS4Kx81片RAMDWEACS4Kx81片RAMDWEACS4Kx81片RAMDA15-0A12MREQ#CPUD7~D0R/W#2、RAM采用4K×8位的芯片&&111譯碼器011001000OE#&&84A11-0A11-0A15-13A12-0D7~D0D7~D0D7~D0WEACS4Kx81片RAMDWEACS4Kx81片RAMDWEACS4Kx81片RAMDWEACS4Kx81片RAMDA15-0A12MREQ#CPUD7~D0R/W#3、ROM采用16K×8位的芯片&&&&WEACS16Kx81片ROMDA13-0111譯碼器011001000OE#≥1854.2

主存儲器基本概念隨機存儲器只讀存儲器主存儲器與CPU的連接幾種新型存儲器高速主存儲器86高速存儲器CPU與存儲器之間的速度無法匹配解決之道采用高速器件提高速度增加字長，在每個存儲周期中存取多個字采用雙端口存儲器將主存劃分為多個模塊，多模塊并行增加Cache871、增強型DRAM（EDRAM）它是在普通DRAM芯片中增加了一小容量的SRAMCache2．同步DRAM（SDRAM）。普通DRAMCPU訪問的過程是先給出要訪問單元的地址和控制信號（R/W），經(jīng)過一段延遲時間（存取時間）向DRAM寫入數(shù)據(jù)或從DRAM中讀出數(shù)據(jù)。在這一段延遲時間內(nèi)，CPU只能等待。SDRAM與CPU的數(shù)據(jù)交換時鐘信號同步，且以處理器/主存總線的最高速度運行，不需要等待時間。3．DDRSDRAMDDR(DoubleDataRate)SDRAM。利用時鐘周期的上沿和下沿分別進行兩次數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率高速器件884．RambusDRAM(RDRAM)Intel在1996年提出。是一種全新的內(nèi)存規(guī)范。主要是為服務(wù)器和工作站領(lǐng)域的應(yīng)用而研制的。它利用時鐘信號的上沿和下沿傳輸數(shù)據(jù)，每時鐘周期傳輸2bit數(shù)據(jù)。因此在時鐘頻率為400MHZ時，其數(shù)據(jù)傳輸率達到800Mbit/s。與傳統(tǒng)的DRAM采用RAS,CAS,WE和CE控制絕然不同。89采用高速器件提高速度；增加字長，在每個存儲周期中存取多個字。采用雙端口存儲器；將主存劃分為多個模塊，多模塊并行增加Cache；90雙端口存儲器具有兩組相互獨立的讀寫控制線路的存儲器兩組讀寫控制線路可以并行操作當(dāng)兩個端口地址不相同，無沖突，可以并行存取端口地址相同，發(fā)生讀寫沖突，無法并行存取存儲體(A0-10)L(D0-15)LBUSYLR/WL(A0-10)R(D0-15)RBUSYRR/WR91增加Cache；采用高速器件提高速度；增加字長，在每個存儲周期中存取多個字。采用雙端口存儲器；將主存劃分為多個模塊，多模塊并行92各芯片地址范圍8位8K8K8K8K1234D7D6…D1D0A14A13A12A00000...00011...10100...00111...11000...01011...11100...01111...193多模塊順序存儲器內(nèi)存地址模塊2bit067123458141591011121316222317181920212430312526272829字3bitM0M1M2M3數(shù)據(jù)總線

順序方式擴充容量方便故障隔離模塊串行工作帶寬受限94多模塊交叉存儲器024284812162012529591317212263061014182232731711151923內(nèi)存地址模塊2bit字3bitM0M1M2M3數(shù)據(jù)總線交叉方式模塊并行工作，CPU比存儲器要快，能同時取出多條指令或者數(shù)據(jù)，可以大大提高機器的運行速度以及存儲帶寬95順序編址與交叉編址內(nèi)存地址模塊2bit067123458141591011121316222317181920212430312526272829024284812162012529591317212263061014182232731711151923字3bitM0M1M2M3內(nèi)存地址模塊2bit字3bitM0M1M2M3數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線

順序方式交叉方式96交叉存儲器結(jié)構(gòu)97流水方式存取示意圖M0TM1M2M3M0

T=m

m=T/

交叉存取度連續(xù)讀取n個字的時間t1=T+(n-1)

t2=nTT:模塊存取周期

：總線傳輸周期m:存儲器交叉模塊數(shù)時間字t1<t298Outline存儲器概述主存儲器高速緩沖存儲器外存儲器虛擬存儲器存儲保護994.3

高速緩沖存儲器Cache基本原理相聯(lián)存儲器主存與Cache的地址映射替換策略與寫操作策略Cache實際應(yīng)用100程序局部性程序局部性的實質(zhì)是程序在某段時間內(nèi)僅需要訪問內(nèi)存很小一部分空間。101cache基本思想在處理器附近增加一個小容量快速存儲器(cache)Cache中存放內(nèi)存中經(jīng)常被訪問的數(shù)據(jù)當(dāng)程序訪問內(nèi)存時，我們希望被訪問數(shù)據(jù)存放在cache中如何使得經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)存放在Cache中,Cache調(diào)度算法102KeyProblems如何判斷一個數(shù)據(jù)在cache中數(shù)據(jù)查找DataIdentification如需訪問的數(shù)據(jù)在cache中，存放在什么地方地址映射AddressMappingCache滿了以后如何處理替換策略PlacementPolicy如何保證cache與memory的一致性寫入策略WritePolicy103Cache命中率Nc表示Cache完成存取訪問的總次數(shù)Nm表示主存完成存取訪問的總次數(shù)Cache命中率hh=Nc/(Nc+Nm)tc表示命中Cache時的訪問時間tm表示命中主存時的訪問時間ta平均訪問時間

ta=htc+(1-h)tm104Cache命中率

ta=htc+(1-h)tm影響命中率的幾個因素程序行為（局部性）

cache容量組織方式塊大小有關(guān)1054.3

高速緩沖存儲器Cache基本原理相聯(lián)存儲器主存與Cache的地址映射替換策略與寫操作策略Cache實際應(yīng)用106KeyProblems如何判斷一個數(shù)據(jù)在cache中數(shù)據(jù)查找DataIdentification如需訪問的數(shù)據(jù)在cache中，存放在什么地方地址映射AddressMappingCache滿了以后如何處理替換策略PlacementPolicy如何保證cache與memory的一致性寫入策略WritePolicy107相聯(lián)存儲器associativememory

按內(nèi)容進行訪問的存儲器物理地址工號姓名出生年月工資數(shù)N001張三1976/74000N+1021李四1978/92000N+2023郝五1977/63000主存塊號Cache地址001000010000210000101002300001001（Key,DATA）

將所存內(nèi)容的一部分作為檢索項（關(guān)鍵字）去檢索存儲器，并將存儲器中與檢索項符合的存儲單元內(nèi)容進行讀出或?qū)懭?，簡單的說，可以用存儲內(nèi)容作為地址訪問的存儲器稱為相聯(lián)存儲器108相聯(lián)存儲器——框圖比較線路譯碼選擇電路代碼寄存器符合寄存器……………12m3檢索寄存器屏蔽寄存器存儲體109相聯(lián)存儲器的應(yīng)用虛擬存儲器中存放段表、頁表高速緩沖存儲器中用于存放塊表cache的塊地址,主存塊地址對應(yīng)表110cache基本組織方式cache由速度較快的SRAM構(gòu)成cache與主存之間以數(shù)據(jù)塊為單位交換數(shù)據(jù)cache分為若干數(shù)據(jù)塊，塊大小固定每個數(shù)據(jù)塊包括若干字節(jié)相聯(lián)存儲器存放已調(diào)入cache的數(shù)據(jù)塊地址故相聯(lián)存儲器的字數(shù)與cache塊數(shù)相等cpu給出的地址如與相聯(lián)存儲器中某個單元相同，表示數(shù)據(jù)命中，否則缺失111cache結(jié)構(gòu)原理圖相聯(lián)存儲器快存地址總線Cache數(shù)據(jù)總線CPU主存命中未命中管理邏輯112cache系統(tǒng)讀過程CPU給出內(nèi)存地址利用該地址為關(guān)鍵字查找相聯(lián)存儲器如命中表明數(shù)據(jù)在cache中，訪問cache讀出數(shù)據(jù)否則表示數(shù)據(jù)缺失直接訪問主存同時將數(shù)據(jù)調(diào)入cache更新相聯(lián)存儲器，記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)塊地址便于下次訪問113cache系統(tǒng)寫過程CPU給出內(nèi)存地址利用該地址為關(guān)鍵字查找相聯(lián)存儲器如命中表明數(shù)據(jù)在cache中，將數(shù)據(jù)寫入cache如未命中將數(shù)據(jù)寫入cache，如cache已滿，需要淘汰相關(guān)數(shù)據(jù)出cache最后根據(jù)不同寫操作策略決定是否寫入主存114KeyProblems如何判斷一個數(shù)據(jù)在cache中數(shù)據(jù)查找DataIdentification如需訪問的數(shù)據(jù)在cache中，存放在什么地方地址映射AddressMappingCache滿了以后如何處理替換策略PlacementPolicy如何保證cache與memory的一致性寫入策略WritePolicy115塊地址與塊內(nèi)地址11位4位主存8位4位CacheA11A10塊地址A14A13A3A2A1A0…塊地址A5A4A3A2A1A0A5A4塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址…相聯(lián)存儲器包含多少個存儲單元？1164.3

高速緩沖存儲器Cache基本原理相聯(lián)存儲器主存與Cache的地址映射替換策略與寫操作策略Cache實際應(yīng)用117主存與cache的地址映射第0塊第0塊第1塊…第n-1塊………第m-1塊L0L1…Ln-1Cache主存………

如何進行地址映射???118主存與cache地址映射關(guān)系利用某種方法或者規(guī)則將主存塊定位到cache，稱為地址映射直接相聯(lián)(directmapped)

全相聯(lián)(fully-associated)

組相聯(lián)(set-associated)119第0塊Cache直接相聯(lián)映射第0塊第0區(qū)第m區(qū)第1塊…第n-1塊第n塊第n+1塊…第2n-1塊第2n塊……第3n-1塊第mn塊第mn+1塊第mn+2塊第(m+1)n-1塊Tag0Tag1…Tagn-1Cache主存……第1區(qū)第2區(qū)主存分割成若干個與cache大小相同的區(qū)Cache塊號i,共n塊，主存塊號ji=jmodn1208位4位A11A10A3A2A1A0A5A4區(qū)地址塊地址塊內(nèi)地址A14A14A123位第0塊第0塊第0區(qū)第m區(qū)第1塊…第n-1塊第n塊第n+1塊…第2n-1塊第2n塊……第3n-1塊第mn塊第mn+1塊第mn+2塊第(m+1)n-1塊Tag0Tag1…Tagn-1Cache主存………第1區(qū)第2區(qū)121第0塊Cache直接相聯(lián)映射第0塊第0區(qū)第m區(qū)第1塊…第n-1塊第n塊第n+1塊…第2n-1塊第2n塊……第3n-1塊第mn塊第mn+1塊第mn+2塊第(m+1)n-1塊Tag0Tag1…Tagn-1Cache主存………第1區(qū)第2區(qū)主存分割成若干個與cache大小相同的區(qū)塊號區(qū)號字地址比較器&&命中未命中122應(yīng)用場合塊映射速度快，一對一映射，無須查表cache容易沖突，cache利用率低命中率低相應(yīng)的淘汰算法簡單123Cache全相聯(lián)映射第0塊第0塊第1塊…第n-1塊………L0L1…Ln-1Cache主存………主存中任何一塊均可定位于Cache中的任意一塊,可提高命中率，但是硬件開銷增加124Cache全相聯(lián)映射第0塊第0塊第1塊…第n-1塊………L0L1…Ln-1塊表主存………塊號字地址&&命中未命中Cache比較器125cache全相聯(lián)映射地址變換…相聯(lián)存儲器主存塊號Cache塊號塊號比較快存主存主存地址未命中塊表命中Cache地址主存塊號CPU塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址126應(yīng)用場合可靈活的進行塊的映射，一對多映射cache全部裝滿后才會出現(xiàn)塊沖突塊沖突的概率低，cache利用率高命中率高相應(yīng)的淘汰算法復(fù)雜127第0塊Cache組相聯(lián)映射第0組第0塊第1塊…第n塊第n+1塊2n第2n+1塊……第(m+1)n-1塊L0L1…Cache主存……第1組組0組1第0區(qū)第2組第3組第1區(qū)第m區(qū)Cache分u組，每組n塊主存塊組號j，塊號k，j=k/n

主存對應(yīng)cache組號q,主存分割成若干個與cache大小相同的區(qū),Cache再分割成若干組q=jmodu128組地址直接映射（快速定位相聯(lián)存儲器）塊地址全相聯(lián)映射（提高cache命中率）129Cache組相聯(lián)映射地址變換130應(yīng)用場合容量小的cache可采用全相聯(lián)映射方式或者組相聯(lián)映射方式PentiumCPUL1L2cache容量大的可采用直接映射方式。這種方式查找速度快，但命中率相對前者低，但cache容量大可提高命中率塊設(shè)備緩存131Cache直接相聯(lián)映射載入過程222622261641618載入載入命中命中載入載入命中替換t22222626222622262216262226221622160123456741618132Cache全相聯(lián)映射載入過程222622261641618載入載入命中命中載入載入命中載入t222226222622262226222616222616416261641601234567418133Cache組相聯(lián)映射載入過程222622261641618載入載入命中命中載入載入命中載入t2222262622262226222616222616224261622416012345674181344.3

高速緩沖存儲器Cache基本原理相聯(lián)存儲器主存與Cache的地址映射替換策略與寫操作策略Cache實際應(yīng)用135替換策略與寫操作策略替換策略：先進先出法最近最不經(jīng)常使用方法LFU近期最少使用法LRU隨機替換法136Cache先進先出替換策略(FIFO)2211221971643載入載入命中載入載入替換替換替換t01232222112211192211197164197716161171911222222111943137Cache最不經(jīng)常使用算法(LFU)22112219111643載入載入命中載入命中載入替換替換t01232202211221111922111119222111416111162221111619112222122111194322命中221111619222138Cache近期最久未使用算法(LRU)2211221971643載入載入命中載入載入替換替換替換t01232202211102221131912231119271411621973701602216172193111222202211121904030139第0塊Cache全相聯(lián)映射寫命中第0塊第1塊23456789…126395Cache主存……126塊=126字地址=1比較器命中輸入輸出寄存器輸入輸出寄存器全寫法(writethrough)寫回法(writeback)126140全寫法寫回法寫一次法141第0塊Cache全相聯(lián)映射寫失效第0塊第1塊23456789…1395Cache主存……126塊=126字地址=1比較器未命中輸入輸出寄存器126WTWAWTNWA142Cache對存儲系統(tǒng)性能的影響對讀操作的影響利用時間局部性，將剛剛訪問的數(shù)據(jù)調(diào)度到cache中，提高命中率，利用空間局部性，采取預(yù)讀的方式，將相鄰的數(shù)據(jù)調(diào)度到cache中，提高命中率對寫操作的影響采取寫回的方式提高寫速度143cache的命中率與cache容量的關(guān)系1444.3

高速緩沖存儲器Cache基本原理相聯(lián)存儲器主存與Cache的地址映射替換策略與寫操作策略Cache實際應(yīng)用145cache實際應(yīng)用塊設(shè)備緩存硬盤緩存webcache1464.4外存儲器磁表面存儲器原理硬盤存儲器磁帶存儲器光盤存儲器147磁表面存儲器原理磁記錄讀/寫原理記錄方式148磁記錄原理將磁性材料薄薄的涂在金屬或者塑料表面作載磁體來存儲信息的方式稱為磁表面存儲大多數(shù)外存儲器均采用磁記錄原理磁鼓、軟磁盤、硬磁盤、磁帶

149磁記錄特點存儲容量大，位價格低記錄介質(zhì)可重復(fù)使用記錄信息可長期保存非破壞性讀出采用機械裝置，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜存取速度慢對工作環(huán)境要求高150磁性材料物理特性B磁感應(yīng)強度H外加磁場強度I電流磁性材料被磁化后，工作點總在磁滯回線上。剩磁狀態(tài)+Br,－Br。矩形磁滯回線Br較大容易讀出，矯頑力Hc較小容易磁化，易于寫入信息151磁記錄讀寫原理

磁頭：軟磁材料做鐵芯，其上繞有讀寫線圈的電磁鐵利用磁性材料剩磁的兩種磁化方向

(S-N或N-S)表示二進制數(shù)據(jù)“0”和“1”。152磁表面存儲器存儲原理電磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，將數(shù)值轉(zhuǎn)換成磁層存儲單元中的不同剩磁狀態(tài)。利用磁電變化，通過磁頭讀出線圈，將存儲單元的剩磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號輸出。153記錄方式形成不同寫入電流的方式稱為記錄方式不歸零制（NRZ0）見“1”就翻不歸零制（NRZ1）調(diào)相制（PM）調(diào)頻制（FM）改進調(diào)頻制（MFM）154不歸零制NRZ(NotReturnZero)數(shù)據(jù)序列10001110NRZ0NRZ1155數(shù)據(jù)序列10001110PMFMMFM調(diào)相制、調(diào)頻據(jù)序列NRZ0NRZ1PMFMMFM磁記錄方式編碼效率：每次磁化方向變化所存取的數(shù)據(jù)的多少（位密度/最大磁化翻轉(zhuǎn)密度）自同步能力：從讀出數(shù)據(jù)中自動提取同步信號的能力（R=最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔/最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔）157硬盤存儲器硬盤基本組成硬盤數(shù)據(jù)信息分布硬盤讀寫過程158硬盤基本組成盤片組主軸驅(qū)動機構(gòu)磁頭磁頭驅(qū)動定位機構(gòu)讀寫電路接口及控制電路159硬盤存儲器基本組成160Disk基本結(jié)構(gòu)若干盤片，每個盤片2面磁道（Track）扇區(qū)（Sector）spindlesurfacetrackstrackksectorsgaps161Disk運動恒速旋轉(zhuǎn)spindle162多盤片結(jié)構(gòu)armspindle163磁盤信息編址和記錄格式盤面號，以區(qū)分要訪問的是哪個記錄面。軟盤只有兩個記錄面，若是磁盤組，則有若干個記錄面。所有記錄面上半徑相等的磁道的集合稱為圓柱面Cylinder。一個磁盤組的圓柱面數(shù)等于其中一個記錄面上的磁道數(shù)。一臺主機如果配有幾臺磁盤驅(qū)動器，則還要給它們編號，以區(qū)分是哪臺磁盤機工作。因此磁盤地址格式為：

驅(qū)動器號盤面號柱面號扇區(qū)號164多盤片結(jié)構(gòu)surface0surface1surface2surface3surface4surface5cylinderkspindleplatter0platter1platter2165InventionofHDD:19565Mbytes,24disks,2kbits/in250YearsLater10Gbytesontwo1-inchdisks300Gbits/inch2

AreaDensityincreasedby150,000,000166167硬盤存儲器技術(shù)指標(biāo)存儲容量(1GB=106byte)存儲密度平均存取時間168存儲密度

磁盤單位面積上所能存儲的二進制信息量道密度是沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數(shù)，單位為道／英寸(TPI)

位密度是磁道單位長度上記錄的二進制代碼的位數(shù)，單位是位／英寸(BPI)面密度：道密度×位密度

169數(shù)據(jù)傳輸率byte/s。數(shù)據(jù)傳輸速率:單位時間從磁盤讀/寫信息的數(shù)量

設(shè)某磁盤的位密度為Mb／英寸，轉(zhuǎn)速（線速度）為V英寸/s，則該盤的數(shù)據(jù)傳輸速率為MVb／s。若轉(zhuǎn)速為m轉(zhuǎn)/s,每條磁道的容量為n字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率為mn字節(jié)/s。讀寫磁頭定位之后，可以根據(jù)磁盤的轉(zhuǎn)速與存儲密度來決定信息的傳輸速率。170平均存取時間存取時間:從發(fā)出磁盤讀寫命令起，磁頭從當(dāng)前位置移動到指定的記錄位置，并開始讀寫操作所需時間。尋道時間ts:

將磁頭定位到指定磁道上所需的時間等待時間tr（旋轉(zhuǎn)延時）:找到指定道后至指定的記錄旋轉(zhuǎn)至磁頭下的時間，ts和tr都是隨機變化的，所以往往用平均值表示。Tavg

rotation=1/2xr/RPMsx60sec/1min平均存取時間

Taccess=Tavg

seek+Tavg

rotation1711．某磁盤組共有8個記錄面。盤面存儲區(qū)內(nèi)徑2英寸,外徑8英寸，道密度為100TPI，最內(nèi)磁道上的位密度為5000BPI，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，平均找道時間為10ms。問：

1)平均存取時間是多少？2)共有多少圓柱面？

3)總存儲容量是多少？4)數(shù)據(jù)傳輸率是多少？解：

1）平均存取時間=平均找道時間+平均等待時間平均等待時間=（1/3000×60）/2=10ms

平均存取時間=10ms+10ms=20ms2)圓柱面數(shù)=有效存儲區(qū)域長度×道密度＝（（8－2）/2）×100道=300道

3）總存儲容量=磁道長度×位密度×柱面數(shù)×盤面數(shù)＝3.14×2×1×5000×300×8=75.36(MB)4)數(shù)據(jù)傳輸率=位密度×周長×轉(zhuǎn)速＝5000×3.14×2×(3000/60)=2.5(MB/s)1722．某磁盤存儲器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)／分，共有4個記錄面，每道記錄信息為12288B，最小磁道直徑為230mrn，共有275道．問：

(1)磁盤存儲器的存儲容量是多少？

(2)最高位密度與最低位密度是多少？

(3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率是多少？

(4)平均等待時間是多少？

(5)給出一個磁盤地址格式方案．(1)存儲容量＝磁道數(shù)*磁道容量

(2)位密度＝磁道容量/磁道長度

(3)數(shù)據(jù)傳輸率＝道容量×轉(zhuǎn)速

(4)平均等待時間＝轉(zhuǎn)半圈的時間

驅(qū)動器號盤面號磁道號扇區(qū)號1733．已知某磁盤存儲器轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)／分，每個記錄面道數(shù)為200道，平均找道時間為60ms，每道存儲容量為96Kbit，求磁盤平均存取時間與數(shù)據(jù)傳輸率．1）平均存取時間＝尋道時間＋平均等待時間＝60ms+1/(2400/60*1000)/22）數(shù)據(jù)傳輸率＝道容量×轉(zhuǎn)速＝96/8*1000×2400/60

174磁帶存儲器螺旋掃描技術(shù)線性記錄技術(shù)LTO技術(shù)(線性螺旋技術(shù))175光盤存儲器采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸的記錄高密度信息，以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)（反射率、偏振方向）的變化表示‘0’和‘1’只讀型光盤（CD－ROM）寫一次型光盤重寫型光盤（REWRITE）

176光記錄基本原理數(shù)據(jù)表示利用材料的凹凸坑點表示0/1利用材料的晶態(tài)以及非晶態(tài)表示0/1利用磁性材料的磁化方向表示0/1數(shù)據(jù)寫入利用激光燒刻利用激光加熱后冷卻改變晶態(tài)利用激光加熱幫助磁化(熱輔磁)177數(shù)據(jù)讀出根據(jù)反射光強度判斷0/1根據(jù)磁光克爾效應(yīng)判斷偏振光的旋轉(zhuǎn)178只讀型光盤利用母盤大批量重壓制作出來的光盤。CD-DA數(shù)字唱盤，記錄數(shù)字化信息，74分鐘數(shù)字立體聲信息VCD記錄數(shù)字視頻和音頻信息，74分鐘MPEG1視頻DVD單面4.7GB，135分鐘MPEG-2CD-ROM179CD-DACompactDiscDigitalAudio一般的音樂CD，是CD系列的始祖，Philips和Sony于1980年發(fā)表著名的紅皮書。該種光盤產(chǎn)品主要用于音樂儲存，由于具有高品質(zhì)的數(shù)字音質(zhì)，該產(chǎn)品數(shù)年之內(nèi)即風(fēng)行世界，并衍生后續(xù)各種CD光盤產(chǎn)品。180CD-ROM

CDReadOnlyMemory1985年P(guān)hilips和Sony發(fā)表黃皮書，定義了儲存計算機數(shù)據(jù)、圖形、聲音及動畫檔案的規(guī)格，而為了往后能儲存更復(fù)雜的數(shù)據(jù)，同時也規(guī)范了控制訊號，數(shù)據(jù)偵錯、數(shù)據(jù)校正、扇區(qū)大小。CD自此進入了計算機記憶媒體的領(lǐng)域，CD-ROM可提供650MB，當(dāng)時硬盤最大容量為850MB。181CD-I

CD-Interactive黃皮書之后，Philips和Sony針對消費電子市場，推出了綠皮書定義多媒體CD的規(guī)格及相關(guān)的