第四章存儲器和存儲系統(tǒng)

1、第四章 存儲器和存儲系統(tǒng),分層的存儲系統(tǒng),基本概念存儲容量 存儲器可以容納的二進(jìn)制信息量存儲器包含的存儲單元的總數(shù) 存儲容量 = 存儲單元（字節(jié)）存儲器所能記憶的全部二進(jìn)制信息量 例如：某存儲器有4096字節(jié)的存儲單元 則存儲器的存儲容量為 4KB = 32KBit,存儲系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu),,,CPU內(nèi)部,,,主機(jī)內(nèi)部,,,外部設(shè)備,,價格,,高,低,容量,,小,大,,Cache,CPU,R

2、AM,ROM,外存,主存,,,,帶 Cache 的結(jié)構(gòu)層次,存儲系統(tǒng)中的主存按存儲介質(zhì)分類半導(dǎo)體存儲器體積小、功耗低、存取時間短、信息容易丟失磁表面存儲器信息不易丟失磁芯存儲器體積龐大、工藝復(fù)雜、功耗大光盤存儲器記錄密度高、耐用性好、可靠性高、可互換性強(qiáng),按存取方式分類只讀存儲器（ROM） 掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FLASH memory隨機(jī)存取存儲器（RAM） SRAM

3、、DRAM串行訪問存儲器 磁帶存儲器,圖 主存的基本組成,主存的工作過程主存的技術(shù)指標(biāo)存儲容量主存中能存放二進(jìn)制代碼的總數(shù)存儲容量 = 存儲單元數(shù) * 字長存儲速度存取時間：又叫存儲器的訪問時間，是指啟動一次存儲器操作（讀或?qū)懀┑酵瓿稍摬僮魉枰娜繒r間存取周期：存儲器進(jìn)行連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲器操作所需要的最小時間間隔 MOS的存取周期100ns，TTL的存取周期10ns,存儲器的帶寬每秒從存儲器中進(jìn)

4、出信息的最大數(shù)量。單位為字節(jié)/秒或字/秒例如：存取周期為500ns，則1秒周內(nèi)能進(jìn)行1/（ 500 * 10-9 ）= 200萬次操作，假設(shè)每個存儲周期能夠 訪問16位的二進(jìn)制數(shù)，則它的帶寬為 200萬 * 2 * 8 = 200萬 * 2 字節(jié)/秒 = 4M字節(jié)/秒,提高存儲器的帶寬：縮短存取周期、增加存儲字長

5、、增加存儲體,幾種半導(dǎo)體存儲器,地址線編號方式：A0，A1，……，An存儲器芯片引腳的數(shù)目決定的存儲器的容量。一個存儲器芯片引腳的數(shù)目為10則地址范圍為00 0000 0000 – 11 1111 1111存儲容量為 210 = 1024 個存儲單元，即 1KB。假設(shè)CPU有16位的地址總線，那么它可以訪問的存儲空間范圍為 0000H – FFFFH，即 216 = 64KB8086，8088地址總線為20位，可以訪

6、問的存儲空間的范圍為：00000H – FFFFFH，即 220 = 1MB,80286地址總線為24位，可訪問的存儲空間為16M80386，80486和Pentium地址總線為32位，可訪問的存儲空間為4GPentium Pro 和 Pentium II 的地址總線為36位，可訪問的存儲空間為64G16位二進(jìn)制數(shù)表示的地址：0000, 0001, 0002, …………………… 000E, 000F0000, 0001,

7、 0002, …………………… 000E, 000F…………………………………………………………FFE0, FFE1, FFE2, …………………… FFEE, FFEFFFF0, FFF1, FFF2, ………………….… FFFE, FFFF,數(shù)據(jù)線表示方式：D0，D1，…………，Dm存儲器的容量通常為字節(jié)*也可以用字（16位）、4位或1位來進(jìn)行表示1K*8 表示有1K的存儲容量，每個存儲單元輸出8位數(shù)據(jù)16K *

8、 1 表示有16K的存儲容量，每個存儲單元輸出1位 的數(shù)據(jù)芯片選擇線（片選線）存儲器芯片上有一個或一個以上允許存儲器芯片工作的控制線,表示方式：片選（CS），片允許（CE）， 或簡寫為 S讀寫控制線存儲器芯片上傳輸讀、寫控制信號，ROM只有讀信號，RAM上有一到兩個讀寫控制信號表示方式ROM 允許輸出信號 OE 或簡稱 GRAM 讀信號 WE 或簡稱 W

9、 寫信號 OE 或簡稱 G,,,,,,,,,,只讀存儲器掩膜ROM,PROM,存0，則燒斷熔絲；存1，熔絲不斷。只能實(shí)現(xiàn)一次編程,EPROM改寫方式紫外線照射電氣的方法（EEPROM）FLASH memory,,,,,,,P 基片,,,,,N+,N+,,S,,D,,G,,SiO2,,靜態(tài)RAM（SRAM）,,,,,,,,,,,,,,VCC,,,,,,,,,,,,,,,,,T1,T3,T2

10、,T4,T5,T6,A’,A,,位線B’,位線B,,地址選擇,動態(tài)RAM,利用存儲器芯片構(gòu)造存儲系統(tǒng),利用與非門實(shí)現(xiàn)譯碼例：假設(shè)某微處理器有20根地址線 A0，A1，A2，…………，A19 8根數(shù)據(jù)線D0，D1，D2，…………，D7 20根地址線：CPU可以訪問1M個存儲單元 8根數(shù)據(jù)線：CPU和存儲器之間每次傳送的數(shù)

11、 據(jù)為8位 存儲器使用 2K * 8 EPROM：11根地址線，8 根數(shù)據(jù)線,2K*8EPROM,2K * 8 EPROM被譯為地址 FF000H~FF7FFH,利用譯碼器實(shí)現(xiàn)譯碼,74LS138譯碼器,,,例：假設(shè)微處理器系統(tǒng)中從0E0000H開始的64K存儲區(qū) 無存儲器，已知某一類RAM是8K*8的存儲芯片， 如何進(jìn)行擴(kuò)充？,Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

12、,存儲器的擴(kuò)展,存儲器的位擴(kuò)展位擴(kuò)展是指增加存儲器的字長，如1K*4的存 儲器，可組成1K*8的存儲器,2114,2114,存儲器的字?jǐn)U展字?jǐn)U展是指增加存儲器的字的數(shù)量，如2片 1K*8的存儲器，可組成2K*8的存儲器， 即存儲器的容量增加了一倍,1K * 8 A,1K * 8 B,存儲器的字、位擴(kuò)展字、位擴(kuò)展是指既增加存儲器的字的數(shù)量又增

13、 加字長，如4片1K*4的存儲器，可 組成2K*8的存儲器，即存儲器的 容量、字長都增加了一倍。,1K * 4,1K * 4,1K * 4,1K * 4,例：假設(shè) 8086 系統(tǒng)中從 0E0000H 開始的 64K 存儲區(qū)無 存儲器，2764EPROM 是 8k*8 的只讀存儲器，如何 對其進(jìn)行擴(kuò)充？,第二步：根據(jù)地址范圍的容量及該范圍

14、在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用，選 擇存儲芯片 要擴(kuò)充64K的存儲容量，給定了只讀存儲器2764EPROM， 共需要 8 片 2764EPROM 進(jìn)行擴(kuò)充。,第四步：片選信號的形成,A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 0 0 0

15、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 …… …… …… 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7,A19 A18 A17

16、A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 …… …… …… 1 1 1 0 1 1 1

17、 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,針對譯碼器的Y0輸出，這時CBA=000，即A15=0， A14=0， A13=0地址范圍： 1110 0000 0000 0000 0000 = E0000H 1110 0001 1111 1111 1111 = E1FFFH,針對譯碼器的Y1輸出，這時CBA=001，即A15=0， A14=0，

18、A13=1地址范圍： 1110 0010 0000 0000 0000 = E2000H 1110 0011 1111 1111 1111 = E3FFFH,例：假設(shè) CPU 有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用 MREQ作 為訪存控制信號（低電平有效），用 WR 做讀/寫控制信號（高電平為讀，低電平為寫），現(xiàn)有下列存儲芯片：1K*4位RAM，4K*8位RAM，8K*8位RAM，2K*8位ROM，4K*

19、8位ROM，8K*8位ROM及74LS138譯碼器和各種門電路，畫出CPU與存儲器的連接圖，要求： 1. 主存地址空間分配 6000H ~ 67FFH 為系統(tǒng)程序區(qū) 6800H ~ 6BFFH 為用戶程序區(qū) 2. 合理選用上述存儲芯片，說明各選幾片？ 3. 詳細(xì)畫出存儲器芯片的片選邏輯圖。,,,解：第一步：將地址范圍寫成二進(jìn)制代碼，并確定其總?cè)萘?

20、A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 …… …… …… 0 1

21、 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 …… …… …… 0 1

22、 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,系統(tǒng)程序區(qū)2K*8,,用戶程序區(qū)1K*8,,第二步：根據(jù)地址范圍的容量及該范圍在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用，選 擇存儲芯片 由 6000H ~ 67FFH 為系統(tǒng)程序區(qū)，為2K*8位，應(yīng)選擇一 片 2K*8 位 ROM

23、 由 6800H ~ 6BFFH 為用戶程序區(qū)，為1K*8位，應(yīng)選擇兩 片 1K*4 位 RAM,第三步：分配 CPU 的地址線 將 CPU 的低11位地址線A10 ~ A0與2K*8位的ROM地址線相 連，將 CPU 的低10位地址線A9 ~ A0與1K*4位的RAM地址 線相連，剩下的高位地址與訪存控制信號共同產(chǎn)生存儲芯

24、 片的片選信號。,第四步：由題給出的74LS138譯碼器的輸入邏輯關(guān)系可知，必須保 證G1為高電平，G2A、G2B為低電平才能使譯碼器工作。 A15為低，連接到G2A上，A14為高，連接到G1上，MREQ 為低，連接到G2B上 。保證了三個控制端的要求 A13、A12、A11連接到C、B、A上。輸出Y4有效時，選中

25、 一片ROM；Y5有效時，同時A10有效為低電平，選中兩片 RAM。讀出時低電平有效，RAM的讀/寫控制端與CPU的 命令端WR相連 * ROM 的數(shù)據(jù)線是單向的,,,,,,,2K * 8,1K * 4,1K * 4,,MREQ,,,D7D6D5D4D3D2D1D0WR,,A10A9A8A7A6A5A

26、4A3A2A1A0,,CBA,A13A12A11,G1G2AG2B,,,A15A14,,,Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0,,,,,提高訪問存儲器速度的方法,多存儲體方式單體多字系統(tǒng),前提：指令和數(shù)據(jù)在主存中必須是連續(xù)存放的，一旦遇到轉(zhuǎn)移指令或者操作數(shù)不能連續(xù)存放，這種方法的效果就不明顯,多體并行存儲系統(tǒng)（地址碼被分為體號、體內(nèi)地址兩部分）高位交叉編址 – 有利于存儲器的擴(kuò)充,,,,,,,,,,

27、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,000000000001000010000011000100000101000110000111001000001001001010001011001100001101001110001111,0100000100010100100100110101000101010101100101

28、11011000011001011010011011011100011101011110011111,100000100001100010100011100100100101100110100111101000101001101010101011101100101101101110101111,110000110001110010110011110100110101110110

29、110111111000111001111010111011111100111101111110111111,M0,M1,M2,M3,低位交叉編址 – 有利于解決訪存沖突,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,000000000100001000001100010000010100011000011100100000

30、100100101000101100110000110100111000111100,M0,M1,M2,M3,000001000101001001001101010001010101011001011101100001100101101001101101110001110101111001111101,0000100001100010100011100100100101100110

31、10011110100010100110101010101110110010110110111010111110,000011000111001011001111010011010111011011011111100011100111101011101111110011110111111011111111,,高速緩沖存儲器 -- Cache問題的提出避免CPU與I/O爭搶訪存 I

32、/O設(shè)備向主存請求的級別高于CPU訪存解決CPU與主存之間速度不匹配的問題 CPU的速度每年增長60% RAM速度每年改進(jìn) 7%程序訪問的局部性原理使CPU與Cache交換信息成為可能,Cache的工作原理,影響Cache命中率的因素塊長 一般塊長取4至8個可編址單位（字或字節(jié)） IBM370/168的主存是4體交叉，每個體寬為64 位（8個字節(jié)），Cache的塊長為32個字節(jié)。容量 Ca

33、che的容量是成本與命中率的折衷 80386主存的最大容量為4GB，Cache的容量為 16KB或32KB，命中率可達(dá)95%以上,替換算法先進(jìn)先出（FIFO）優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)容易、開銷小缺點(diǎn)：可能把一些常用的程序，如子程序、循環(huán)程序塊，作為最早進(jìn)入Cache塊，替換出去近期最少使用法（LRU）優(yōu)點(diǎn)：命中率高缺點(diǎn)：開銷大,Cache的讀/寫操作讀操作,寫操作寫直達(dá)法：數(shù)據(jù)寫入Cache的同時，也寫入主存的相應(yīng)的塊。

34、 能始終保證Cache中的內(nèi)容和主存中的內(nèi)容一致。寫回法：數(shù)據(jù)每次只是暫時寫入Cache中，并用標(biāo)志將該塊加以注明，當(dāng)該塊從Cache中替換出去時，才寫入主存中。 該方法速度快，但因主存中的字塊未經(jīng)隨時修改，可能失效。信息只寫入主存，同時將相應(yīng)的Cache塊有效位置“0”，表明此塊已失效，需要時從主存中調(diào)入。還有一種情況，被修改的單元不在Cache內(nèi)，這時，寫操作只對主存進(jìn)行。,Cache的改進(jìn)單一緩存和兩級緩存統(tǒng)一緩

35、存和分開緩存統(tǒng)一緩存：指令和數(shù)據(jù)都存放在同一緩存內(nèi)的Cache分開緩存：指令和數(shù)據(jù)分別存放在兩個緩存中。,外部存儲器,主要技術(shù)指標(biāo)存儲密度：單位長度內(nèi)存儲的二進(jìn)制信息道密度：磁盤沿半徑方向，單位長度的磁道數(shù)位密度：單位長度磁道能紀(jì)錄的二進(jìn)制信息的位數(shù),存儲容量外存儲器所能存儲的二進(jìn)制信息的總數(shù)量。一般以位或字節(jié)為單位。磁盤存儲器容量盤面數(shù)：可以存儲數(shù)據(jù)的盤面?zhèn)€數(shù)扇區(qū)：每個磁道分為若干個區(qū)域，每個扇區(qū)存放512個字節(jié)數(shù)據(jù)

36、磁盤存儲器容量 = 盤面數(shù)*每個盤面的磁道數(shù)*扇區(qū)數(shù)*每個扇區(qū)存儲字節(jié)數(shù)格式化容量和非格式化容量非格式化容量：磁盤表面可以利用的磁化單元總數(shù)格式化容量：磁盤按某種特定的存儲格式所能存儲數(shù)據(jù)的總量,平均存取時間平均找道時間+平均等待時間+控制指令運(yùn)行時間數(shù)據(jù)傳輸率單位時間內(nèi)磁表面存儲器向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)傳輸率 = 記錄密度 * 記錄介質(zhì)的運(yùn)行速度誤碼率是衡量磁表面存儲器出錯概率的參數(shù)誤碼率 = 出錯信

37、息的位數(shù) / 讀出的總信息位數(shù),磁記錄原理和記錄方式磁記錄原理,記錄方式歸零制（RZ）記錄1時通正向脈沖電流，記錄0時通負(fù)向脈沖電流兩位信息之間的驅(qū)動電流歸零記錄密度不高，目前很少使用不歸零制（NRZ）磁頭線圈始終有電流當(dāng)連續(xù)記錄 1 或者 0 時，寫電流方向不變，只有當(dāng)兩個相鄰的代碼不同時，寫電流才改變方向。見1就翻的不歸零制（NRZ1）磁頭線圈始終有電流記錄 0 時電流不改變方向，記錄 1 時電流改變方向,調(diào)相

38、制（PM）記錄0時，電流由負(fù)編正，記錄1時，電流由正變負(fù)每兩個相同信息的交界處，電流方向變化一次；相鄰信息不同時，電流方向不變應(yīng)用于磁帶存儲器中調(diào)頻制（FM）以驅(qū)動電流變化的頻率不同來區(qū)別記錄1或者0記錄0時，在一位信息的記錄時間內(nèi)電流保持不變；記錄1時，在一位信息記錄時間的中間時刻，電流改變一次方向。相鄰信息的交界處，線圈電流均變化一次。廣泛應(yīng)用于硬磁盤和軟磁盤中改進(jìn)調(diào)頻制（MFM）,記錄0時，在記錄時間內(nèi)電流不變，在

39、記錄1時在記錄時間的中間時刻電流發(fā)生一次變化。（與調(diào)頻制相同）只有當(dāng)連續(xù)記錄兩個或兩個以上的0時，才在每位的起始處電流改變一次。寫入同樣的數(shù)據(jù)序列時，MFM比FM磁翻轉(zhuǎn)次數(shù)少，在相同長度的磁層上可記錄的信息量將會增加，從而提高了磁記錄密度。倍密度軟磁盤采用MFM的記錄方式,評價記錄方式的主要指標(biāo)編碼效率位密度與磁化翻轉(zhuǎn)密度的比值，可以用記錄一位信息的最大磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)來表示FM、PM記錄方式中，記錄一位信息的最大磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)為

40、2，因此編碼效率為50%。MFM、NRZ、NRZ1中，編碼效率為100%自同步能力從單個磁道讀出的脈沖序列中所提取同步時鐘脈沖的難易程度。NRZ1采用外同步FM、MFM是具有自同步能力的記錄方式,軟磁盤存儲器概述軟盤存儲器的盤片使用類似塑料薄膜唱片的柔性材料制成的，簡稱軟盤軟盤特點(diǎn)轉(zhuǎn)速低、存取速度低活動磁頭、可換盤片結(jié)構(gòu)軟盤的磁頭直接接觸盤片進(jìn)行讀寫價格便宜、保存方便、使用靈活第一臺軟盤機(jī)是IBM公司1972年

41、研制成功的IBM3740數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，采用的是8英寸單密度軟盤，容量為256K。,軟磁盤片,記錄格式,軟盤驅(qū)動器和控制器軟磁盤存儲器由軟盤驅(qū)動器（驅(qū)動結(jié)構(gòu)、磁頭、定位機(jī)構(gòu)、讀寫電路）、軟盤控制器（解釋來自主機(jī)的命令并向軟盤驅(qū)動器發(fā)出各種控制信號，同時還要檢測驅(qū)動器的狀態(tài)，發(fā)送讀寫數(shù)據(jù)命令）、軟磁盤片三部分組成具體操作尋道操作：將磁頭定位在目標(biāo)磁道上地址檢測操作：主機(jī)將目標(biāo)地址送往磁盤控制器，控制器從驅(qū)動器上按記錄格式讀區(qū)地址信息

42、，并與目標(biāo)地址進(jìn)行比較，找到欲讀寫信息的磁盤地址,讀寫數(shù)據(jù)操作：首先檢測數(shù)據(jù)標(biāo)志是否正確，然后將數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容讀入內(nèi)存，最后進(jìn)行CRC校驗(yàn)寫數(shù)據(jù)操作：寫數(shù)據(jù)時，不僅要將原始信息經(jīng)編碼后寫入磁盤，同時還要寫上數(shù)據(jù)區(qū)標(biāo)志和CRC校驗(yàn)碼及間隙初始化：在盤片上寫格式化信息，對每個磁道劃分區(qū)段,硬盤存儲器硬盤存儲器的類型按磁頭的工作方式分類固定磁頭硬盤存儲器移動磁頭硬盤存儲器,按硬盤是否具有可換性分類可換盤磁盤存儲器固定盤磁盤存儲

43、器,溫徹斯特硬盤是一種可移動磁頭固定盤片的磁盤存儲器1972年首先應(yīng)用在IBM3340硬盤存儲器中采用密封組合方式，將磁頭、盤片、驅(qū)動部件以及讀寫電路等制成一個不能隨意拆卸的整體 防塵性能好、可靠性高、對環(huán)境要求不高硬盤存儲器的結(jié)構(gòu)磁盤驅(qū)動器 主要包括主軸、定位驅(qū)動及數(shù)據(jù)控制等部分磁盤控制器：接收主機(jī)發(fā)送來的命令盤片,格式化和分區(qū)低級格式化對盤片上的扇區(qū)加上標(biāo)記，以便驅(qū)動器能識別指定的扇區(qū)，并規(guī)定扇區(qū)的交錯