第六章存储系统精选文档.ppt

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1、第六章存储系统1本讲稿第一页，共六十页第第6 6章章 存储系统存储系统本章主要内容：本章主要内容：存储器的分类、技术指标存储器的分类、技术指标各类存储原理各类存储原理主存储器的组织主存储器的组织高速缓冲存储器高速缓冲存储器外部存储器外部存储器物理存储系统的组织物理存储系统的组织虚拟存储系统的组织虚拟存储系统的组织本讲稿第二页，共六十页第第1 1节节 概述概述6.1.1 6.1.1 存储器的分类存储器的分类1.1.按存储器在系统中的作用分类按存储器在系统中的作用分类（1 1）内部存储器）内部存储器主要存放主要存放CPUCPU当前使用的当前使用的程序和数据。程序和数据。速度快速度快容量有限容量有限

2、（内存、主存）（内存、主存）（2 2）外部存储器）外部存储器存放大量的后备程序和数据。存放大量的后备程序和数据。速度较慢速度较慢容量大容量大（辅存、外存）（辅存、外存）（3 3）高速缓冲存储器）高速缓冲存储器存放存放CPUCPU在当前一小段时间内多在当前一小段时间内多次使用的程序和数据。次使用的程序和数据。速度很快速度很快容量小容量小本讲稿第三页，共六十页2.2.按存取方式分类按存取方式分类随机存取：随机存取：可按地址对任一存储单元进行读写，可按地址对任一存储单元进行读写，（1 1）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAMRAM）访问时间与单元地址无关。访问时间与单元地址无关。（2 2）只读存

3、储器（）只读存储器（ROMROM）随机存取存储器的特例，只能读不能写。随机存取存储器的特例，只能读不能写。（3 3）顺序存取存储器（）顺序存取存储器（SAMSAM）访问时，读访问时，读/写部件按顺序查找目标地址，访问写部件按顺序查找目标地址，访问时间与数据位置有关。时间与数据位置有关。（4 4）直接存取存储器（）直接存取存储器（DAMDAM）访问时访问时,读读/写部件先直接指向一个小区域，再在该区写部件先直接指向一个小区域，再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。本讲稿第四页，共六十页3.3.按存储介质分类按存储介质分类（1 1）磁芯存储器）磁芯存储

4、器利用不同的剩磁状态存储信息，利用不同的剩磁状态存储信息，容量小、速度慢、体积大、可靠性低。容量小、速度慢、体积大、可靠性低。已淘汰已淘汰（2 2）半导体存储器）半导体存储器MOSMOS型型双极型双极型集成度高、功耗低，集成度高、功耗低，作主存作主存集成度低、功耗大，速度快，集成度低、功耗大，速度快，作作CacheCache容量大，容量大，长期保存信息，长期保存信息，利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。非破坏性读出，非破坏性读出，作外存。作外存。（3 3）磁表面存储器）磁表面存储器速度慢。速度慢。本讲稿第五页，共六十页（4 4）光盘存储器）光盘存储器速度

5、慢。速度慢。激光控制，利用光斑的有无表示信息。激光控制，利用光斑的有无表示信息。容量很大，容量很大，非破坏性读出，非破坏性读出，长期保存信息，长期保存信息，作外存。作外存。4.4.按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类断电后信息消失断电后信息消失易失性（挥发性）存储器易失性（挥发性）存储器断电后信息仍然保存断电后信息仍然保存永久性存储器永久性存储器6.1.2 6.1.2 主存的主要技术指标主存的主要技术指标1.1.存储容量存储容量主存所能容纳的二进制信息总量。主存所能容纳的二进制信息总量。本讲稿第六页，共六十页2.2.存取速度存取速度存取时间存取时间存取周期存取周期访问时间、读写时间访问时间

6、、读写时间读写周期读写周期3.3.可靠性可靠性规定时间内存储器无故障读写的概率。规定时间内存储器无故障读写的概率。用平均无故障时间来衡量。用平均无故障时间来衡量。4.4.存取宽度存取宽度一次可以存取的数据位数或字节数。一次可以存取的数据位数或字节数。常用容量单位：常用容量单位：ByteByte、KBKB、MBMB、GBGB、TBTB本讲稿第七页，共六十页第第2 2节节 存储原理存储原理6.2.1 6.2.1 半导体存储器的存储原理半导体存储器的存储原理MOSMOS型型电路结构电路结构PMOSPMOSNMOSNMOSCMOSCMOS工作方式工作方式静态静态MOSMOS动态动态MOSMOS存储存储

7、信息信息原理原理静态存储器静态存储器SRAMSRAM动态存储器动态存储器DRAMDRAM依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息。息。功耗较小功耗较小,容量大容量大,速度较快速度较快,作主存作主存。功耗较大功耗较大,速度快速度快,作作CacheCache。制造制造工艺工艺双极型双极型依靠电容存储电荷的原理存储信息。依靠电容存储电荷的原理存储信息。本讲稿第八页，共六十页1.1.半导体静态存储器的存储原理半导体静态存储器的存储原理（1 1）组成）组成T1T1、T3T3：MOSMOS反相器反相器VccVcc触发器触发器T3T3T1T1T4T4T2T2T2T2、T

8、4T4：MOSMOS反相器反相器T5T5T6T6T5T5、T6T6：控制门管控制门管Z ZZ Z：字线，选择存储单元字线，选择存储单元W WW W（2 2）定义）定义存存“0”“0”：T1T1导通，导通，T2T2截止；截止；存存“1”“1”：T1T1截止，截止，T2T2导通。导通。W W、W W：位线，完成读位线，完成读/写操作写操作A AB B本讲稿第九页，共六十页（3 3）工作）工作T5T5、T6T6导通，选中导通，选中该单元。该单元。Z Z：加高电平，加高电平，（4 4）保持）保持VccVccW WT3T3T1T1T4T4T2T2T5T5T6T6Z ZW W读出读出：根据：根据 W W、

9、W W上有无电流，读上有无电流，读1/01/0。Z Z加低电平，加低电平，T5T5、T6T6截止，位线与双稳态电路分离，截止，位线与双稳态电路分离，保持原有状态不变。保持原有状态不变。写入：写入：W低低、W高电平，写高电平，写0W高高、W低电平，写低电平，写1静态单元是非破坏性读出，读后不需重写。静态单元是非破坏性读出，读后不需重写。本讲稿第十页，共六十页2.2.半导体动态存储器的存储原理半导体动态存储器的存储原理（1 1）四管单元）四管单元（a a）组成组成T1T1、T2T2：记忆管记忆管C1C1、C2C2：柵极电容柵极电容T3T3、T4T4：控制门管控制门管Z Z：字线字线W W、W W：

10、位线位线（b b）定义定义“0”“0”：T1T1导通，导通，T2T2截止截止“1”“1”：T1T1截止，截止，T2T2导通导通T1T1T2T2T3T3T4T4Z ZW WW WC1C1C2C2（C1C1有电荷，有电荷，C2C2无电荷）；无电荷）；（C1C1无电荷，无电荷，C2C2有电荷）。有电荷）。（c c）工作工作Z Z加高电平，加高电平，T3T3、T4T4导通，选中该单元。导通，选中该单元。本讲稿第十一页，共六十页（d d）保持）保持写入：写入：在在W W、W W上上分别加高、低电分别加高、低电平，写平，写1/01/0。读出：读出：W W、W W先预先预充电至高电平，充电至高电平，断开充电

11、回路，断开充电回路，再根据再根据W W、W W上有上有无电流，读无电流，读1/01/0。Z Z加低电平加低电平，T3 T3、T4T4截止，截止，该单元未选中，保持原状态。该单元未选中，保持原状态。需定期向电容补充电荷需定期向电容补充电荷(动态刷新动态刷新)，所以称动态。，所以称动态。四管单元是非破坏性读出，读出过程即实现刷新。四管单元是非破坏性读出，读出过程即实现刷新。T1T1T2T2T3T3T4T4Z ZW WW WC1C1C2C2本讲稿第十二页，共六十页（2 2）单管单元）单管单元 组成组成C C：记忆单元：记忆单元C CW WZ ZT TT T：控制门管：控制门管Z Z：字线：字线W W

12、：位线：位线定义定义保持保持写入：写入：Z Z加高电平，加高电平，T T导通，导通，在在W W上加高上加高/低电平，写低电平，写1/01/0。读出：读出：W W先预充电，先预充电，断开充电回路；断开充电回路；Z Z：加低电平，：加低电平，T T截止，该单元未选中，保持原状态。截止，该单元未选中，保持原状态。单管单元是破坏性读出，读出后需重写。单管单元是破坏性读出，读出后需重写。“0”“0”：C C无电荷，电平无电荷，电平V0V0（低）（低）“1”“1”：C C有电荷，电平有电荷，电平V1V1（高）（高）工作工作Z Z加高电平，加高电平，T T导通；导通；根据根据W W线电位的变化，读线电位的变

13、化，读1/01/0。本讲稿第十三页，共六十页6.2.2 6.2.2 磁表面存储器的存储原理磁表面存储器的存储原理1.1.记录介质与磁头记录介质与磁头介质：介质：磁层（矩磁薄膜），依附在基体上磁层（矩磁薄膜），依附在基体上磁头：磁头：读写部件读写部件2.2.读写原理读写原理（1 1）写入）写入磁头线圈中加入磁化电流（写电流），并使磁层移动，在磁层磁头线圈中加入磁化电流（写电流），并使磁层移动，在磁层上形成连续的小段磁化区域（位单元）。上形成连续的小段磁化区域（位单元）。（2 2）读出）读出磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的转变区转变区经过经过磁头下方

14、时，在线圈两端产生磁头下方时，在线圈两端产生感应电势感应电势。本讲稿第十四页，共六十页3.3.磁记录编码方式磁记录编码方式写电流波形的组成方式。写电流波形的组成方式。提高可靠性提高可靠性提高记录密度提高记录密度减少转变区数目减少转变区数目具有自同步能力具有自同步能力（1 1）归零制（）归零制（RZRZ）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1每一位有两个转变区，记录密度低。每一位有两个转变区，记录密度低。（2 2）不归零制（）不归零制（NRZNRZ）0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1I I0 0t t转变区少，无自同步能力。转变区少，无自同步能力。本讲稿第十五页

15、，共六十页（3 3）不归零）不归零-1-1制（制（NRZ1NRZ1）写写1 1时电流极性变，写时电流极性变，写0 0时电流极性不变。时电流极性不变。0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1I I0 0t t转变区少，无自同步能力。转变区少，无自同步能力。用于早期低速磁带机。用于早期低速磁带机。（4 4）调相制（）调相制（PMPM）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1转变区多，有自同步能力。转变区多，有自同步能力。I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1转变区多，有自同步能力。转变区多，有自同步能力。用于早期磁盘。用于早期磁盘。用于快速启停磁带

16、机。用于快速启停磁带机。（5 5）调频制（）调频制（FMFM）也叫相位编码制也叫相位编码制PEPE每个单元都有每个单元都有极性转变极性转变本讲稿第十六页，共六十页写写1 1时位单元中间电流变，相邻的时位单元中间电流变，相邻的0 0交界处电流变。交界处电流变。转变区少，有自同步能力。转变区少，有自同步能力。用于磁盘。用于磁盘。（6 6）改进型调频制（）改进型调频制（MFMMFM）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1可压缩位单元长度：可压缩位单元长度：I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1（7 7）群码制（）群码制（GCRGCR）记录码中连续的记录

17、码中连续的0 0不超过不超过2 2个；个；按按NRZ1NRZ1方式写入。方式写入。转变区少，有自同步能力。转变区少，有自同步能力。用于数据流磁带机。用于数据流磁带机。本讲稿第十七页，共六十页6.2.3 6.2.3 光存储器的存储原理光存储器的存储原理1.1.形变型光盘形变型光盘（1 1）定义）定义有孔为有孔为1 1，无孔为，无孔为0 0（2 2）写入）写入写写1 1，高功率激光照射介质，形成凹坑；，高功率激光照射介质，形成凹坑；写写0 0，不发射激光束，介质不变。，不发射激光束，介质不变。（3 3）读出）读出低功率激光扫描光道，根据反射光强弱判低功率激光扫描光道，根据反射光强弱判断是断是1 1

18、或或0 0。形变不可逆，不可改写形变不可逆，不可改写2.2.相变型光盘相变型光盘写入写入写写1 1，高功率激光照射介质，晶粒直径变大；，高功率激光照射介质，晶粒直径变大；写写0 0，不发射激光束，晶粒不变。，不发射激光束，晶粒不变。读出读出低功率激光扫描光道，根据反射率的差别判断是低功率激光扫描光道，根据反射率的差别判断是1 1或或0 0。相变可逆，可改写相变可逆，可改写本讲稿第十八页，共六十页3.3.磁光型光盘磁光型光盘可改写可改写写入前：外加磁场，使介质呈某种磁化方向写入前：外加磁场，使介质呈某种磁化方向读出读出热磁效应写，磁光效应读热磁效应写，磁光效应读写写1 1，激光照射并外加磁场改变

19、磁化方向；激光照射并外加磁场改变磁化方向；写写0 0，未被照射区域，磁化方向不变。未被照射区域，磁化方向不变。低功率激光扫描光道，根据反射光的偏转角低功率激光扫描光道，根据反射光的偏转角度判断是度判断是1 1或或0 0。第第3 3节节 主存储器的组织主存储器的组织6.3.1 6.3.1 主存储器的逻辑设计主存储器的逻辑设计需解决：需解决：芯片的选用、芯片的选用、地址分配与片选逻辑、地址分配与片选逻辑、信号线的连接。信号线的连接。写入写入本讲稿第十九页，共六十页例：例：某半导体存储器，总容量某半导体存储器，总容量4KB4KB。其中固化区。其中固化区2KB2KB，选用选用EPROMEPROM芯片芯

20、片27162716（2Kx8/2Kx8/片）；工作区片）；工作区2KB2KB，选用，选用SRAMSRAM芯片芯片21142114（1Kx4/1Kx4/片）。地址总线片）。地址总线A15A15A0A0（低），（低），双向数据总线双向数据总线D7D7D0D0。给出地址分配和片选逻辑，并画出逻辑框图。给出地址分配和片选逻辑，并画出逻辑框图。（1 1）计算芯片数）计算芯片数ROMROM区：区：2Kx8 2Kx8 1 1片片27162716 RAMRAM区：区：位扩展位扩展2 2片片1Kx41Kx4 1Kx81Kx8 2 2组组1Kx81Kx8 2KB2KB 4 4片片2114 2114 字扩展字扩展（

21、2 2）地址分配与片选逻辑）地址分配与片选逻辑存储器存储器 寻寻址逻辑址逻辑芯片内的寻址芯片内的寻址芯片外的芯片外的地址分配地址分配与与片选逻辑片选逻辑1.1.存储器逻辑设计存储器逻辑设计本讲稿第二十页，共六十页大容量芯片在地址低端大容量芯片在地址低端,小容量芯片在小容量芯片在地址高端。地址高端。存储空间分配：存储空间分配：A A1515A A1414A A1313A A1212A A1111A A1010A A9 9AA0 0 0 0 0 000 00 1 0 1 0 11 11 1 0 1 0 00 004KB4KB需需1212位地位地址寻址寻址：址：ROMROMA11A11A0A064K

22、B64KB2KB2KB1Kx41Kx4RAMRAM1Kx41Kx41Kx41Kx41Kx41Kx4 1 1 1 1 1111 1 1 1 1 0000 0 0 1 111 11低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。芯片芯片 芯片地址芯片地址 片选信号片选信号 片选逻辑片选逻辑2K2K1K1K1K1KA10A10A0A0A9A9A0A0A9A9A0A0CS0CS0CS1CS1CS2CS2A A1111A A1111A A1010A A1111A A1010本讲稿第二十一页，共六十页（3 3）连接方式）连接方式扩展位数扩展位数 27164A10A0D7

23、D4D3D044R/WA11 A10CS0A11A11 A10扩展单元数扩展单元数连接控制线连接控制线CS1CS2 2114 211444A9A0 2114 211444A9A04形成片选逻辑电路形成片选逻辑电路本讲稿第二十二页，共六十页2.2.动态存储器的刷新动态存储器的刷新单管存储单元：定期向电容补充电荷单管存储单元：定期向电容补充电荷最大刷新周期：最大刷新周期：2ms2ms刷新方法：刷新方法：各芯片同时，片内按行各芯片同时，片内按行刷新一行所用时间刷新一行所用时间刷新周期：刷新周期：对主存对主存的访问的访问由由CPUCPU提供行、列地址，提供行、列地址，随机访问。随机访问。读读/写写/保

24、持：保持：动态刷新：动态刷新：由刷新地址计数器提供行地由刷新地址计数器提供行地址，定时刷新。址，定时刷新。2ms2ms内集中安排所有刷新周期内集中安排所有刷新周期死区死区用在实时用在实时要求不高要求不高的场合的场合（1 1）集中刷新）集中刷新R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新2ms2ms50ns50ns本讲稿第二十三页，共六十页（2 2）分散刷新）分散刷新各刷新周期分散安排在存取周期中。各刷新周期分散安排在存取周期中。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新100ns100ns用在低速用在低速系统中系统中2ms2ms例例.各刷新周期分散安排在各刷新周期分散安排在2ms2ms内。内。用在大

25、多数计算机中用在大多数计算机中128128行行15.6 15.6 微秒微秒每隔每隔15.615.6微秒提一次刷微秒提一次刷新请求，刷新一行；新请求，刷新一行；2 2毫毫秒内刷新完所有行。秒内刷新完所有行。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新R/WR/WR/WR/WR/WR/W15.615.6微秒微秒15.6 15.6 微秒微秒15.6 15.6 微秒微秒刷新请求刷新请求（DMADMA请求）请求）（3 3）异步刷新）异步刷新刷新请求刷新请求（DMADMA请求）请求）本讲稿第二十四页，共六十页6.3.2 6.3.2 主存储器与主存储器与CPUCPU的连接的连接（2）较大系统模式CPU存储器存储

26、器地址地址数据数据R/W（1）最小系统模式CPU存储器存储器地址地址地址锁存器地址锁存器收发缓冲器收发缓冲器总线控制器总线控制器数据数据控制控制1.1.系统模式系统模式（3）专用存储总线模式2.2.速度匹配与时序控制速度匹配与时序控制总线周期时钟周期异步控制同步控制扩展同步控制CPU与主存间建立专用高速存储总线CPUCPU内部操作内部操作 访存操作访存操作 本讲稿第二十五页，共六十页3.3.数据通路匹配数据通路匹配解决主存与数据总线之间的宽度匹配解决主存与数据总线之间的宽度匹配 8086存储器匹配方式如下：存储器匹配方式如下：D7 D0奇地址（高字节）奇地址（高字节）存储体存储体512K 8

27、A18 A0D15 D8D7 D0A0A19 A1D7 D0偶地址（低字节）偶地址（低字节）存储体存储体512K 8 A18 A04.4.主存的控制信号主存的控制信号读写命令、存储器选择命令等读写命令、存储器选择命令等本讲稿第二十六页，共六十页6.3.3 Pentium CPU6.3.3 Pentium CPU与存储器组织与存储器组织1.1.主存连接与读写组织主存连接与读写组织通过系统控制器连接通过系统控制器连接CPUCPU与主存储器与主存储器本讲稿第二十七页，共六十页2.2.读写时序读写时序（1）非流水线周期基本存储周期包括基本存储周期包括2 2个时钟周期个时钟周期非流水线的读周期时序非流水

28、线的读周期时序本讲稿第二十八页，共六十页（2）插入等待状态周期在在T2T2之后插入等待状态，直到之后插入等待状态，直到 有效有效插入插入4 4个等待状态的读周期时序个等待状态的读周期时序本讲稿第二十九页，共六十页（3）猝发周期在一个猝发周期的在一个猝发周期的5 5个时钟周期内，可以传个时钟周期内，可以传送送4 4个个6464位的数据。位的数据。本讲稿第三十页，共六十页6.3.4 6.3.4 高级高级DRAMDRAM1.1.增强型增强型DRAMDRAM改进改进CMOSCMOS制造工艺，集成小制造工艺，集成小容量容量SRAM CacheSRAM Cache2.2.带带CacheCache的的DRA

29、MDRAM集成集成SRAMSRAM存储矩阵存储矩阵3.3.同步同步DRAM(SDRAM)DRAM(SDRAM)两个交互工作的存储两个交互工作的存储阵列与阵列与CPUCPU同步工作同步工作4.DDR SDRAM4.DDR SDRAM更先进的同步电路，更先进的同步电路，DLLDLL技术技术5.Rambus DRAM5.Rambus DRAM主要解决存储器带宽问题主要解决存储器带宽问题6.RamLink6.RamLink主要对处理器与存储器的接口进主要对处理器与存储器的接口进行改革行改革本讲稿第三十一页，共六十页第第4 4节节 高速缓冲存储器高速缓冲存储器CacheCache6.4.1 Cache6

30、.4.1 Cache的工作原理的工作原理原理：原理：基于程序和数据访问的基于程序和数据访问的局部性局部性目的：目的：减少访存次数，加快运行速度减少访存次数，加快运行速度方法：方法：在在CPUCPU和主存之间设置小容量的高和主存之间设置小容量的高速存储器。速存储器。CacheCache与与CPUCPU及主存的关系及主存的关系本讲稿第三十二页，共六十页6.4.2 Cache6.4.2 Cache的组织的组织1.1.地址映像地址映像（1）直接映像主存的页只主存的页只能复制到某能复制到某一固定的一固定的CacheCache页。页。容易实现，但缺乏容易实现，但缺乏灵活性灵活性CacheCache与主存空

31、间划分成相同大小的与主存空间划分成相同大小的页页（块）（块）本讲稿第三十三页，共六十页（2）全相连映像主存的每一页可映像到主存的每一页可映像到CacheCache的任一页。的任一页。映像关系灵活，但速度慢。映像关系灵活，但速度慢。本讲稿第三十四页，共六十页（3）组相连映像主存与主存与CacheCache都分组都分组比直接映像灵活，比全相联映像速度快。比直接映像灵活，比全相联映像速度快。主存页与主存页与CacheCache组号固定映像组号固定映像CacheCache组内自由映像组内自由映像本讲稿第三十五页，共六十页2.2.替换算法替换算法（1）先进先出算法FIFO（2）最近最少使用算法LRU按页

32、面调入按页面调入CacheCache的先后顺序决定调出顺序的先后顺序决定调出顺序近期使用最少的页面先调出近期使用最少的页面先调出3.Cache3.Cache的读的读/写过程写过程读读将主存地址同时送往主存和将主存地址同时送往主存和CacheCacheCacheCache命中命中CacheCache失败失败从主存读从主存读写写写回法写回法写直达法写直达法同时写同时写CacheCache和主存和主存将数据送访存源将数据送访存源CacheCache页被替换时，才写入主存页被替换时，才写入主存本讲稿第三十六页，共六十页4.4.多层次多层次CacheCache存储器存储器片内片内CacheCache（L

33、1L1）片外片外CacheCache（L2L2）集成在集成在CPUCPU芯片内芯片内统一统一CacheCache安装在主板上安装在主板上分离分离CacheCache指令和数据在同一个指令和数据在同一个CacheCache中中,在取指在取指令和取数的令和取数的负载负载之间之间自动平衡自动平衡。指令和数据分别在不同的指令和数据分别在不同的CacheCache中，中，避免避免了了CacheCache在指令预取器和执行单元之在指令预取器和执行单元之间的间的竞争竞争。L1L16.4.3 PentiumII CPU6.4.3 PentiumII CPU的的CacheCache组织组织L1(32K)L1(3

34、2K)分离分离CacheCacheL2L2（512KB512KB）16K16K数据数据+16K+16K指令指令四路组相联四路组相联本讲稿第三十七页，共六十页双重独立总线双重独立总线为解决数据为解决数据CacheCache的一致性，支持的一致性，支持MESIMESI协议协议CPUCPU到到L2L2CPUCPU到主存到主存第第5 5节节 外部存储器外部存储器主要技术指标主要技术指标存储密度存储密度单位单位长度长度内存储的二进制位数内存储的二进制位数存储容量：存储容量：一台外部存储器所能存储的一台外部存储器所能存储的二进制信息总二进制信息总量量主要特点：主要特点：大容量、永久存储大容量、永久存储位密

35、度位密度面密度面密度单位单位面积面积内存储的二进制位数内存储的二进制位数作用：存访暂不运行的程序和数据作用：存访暂不运行的程序和数据本讲稿第三十八页，共六十页速度指标速度指标平均寻址时间平均寻址时间数据传输率数据传输率平均寻道时间平均寻道时间平均旋转延迟平均旋转延迟Kb/sKb/s、KB/sKB/s误码率：误码率：读出时出错的概率读出时出错的概率6.5.1 6.5.1 硬磁盘存储器硬磁盘存储器1.1.硬盘的基本结构与分类硬盘的基本结构与分类适用于调用较频繁的场合，常作主存的直接后援。适用于调用较频繁的场合，常作主存的直接后援。硬盘硬盘硬盘驱动器硬盘驱动器硬盘适配器硬盘适配器硬盘控制逻辑及接口硬

36、盘控制逻辑及接口盘片、磁头盘片、磁头定位系统、传动系统定位系统、传动系统组成组成本讲稿第三十九页，共六十页按盘片是否可换分类按盘片是否可换分类可换盘片式可换盘片式固定盘片式固定盘片式按盘片尺寸分类按盘片尺寸分类1414、8 8 英寸英寸5.255.25、3.53.5、2.5 2.5 英寸英寸1.81.8、1.3 1.3 英寸英寸2.2.信息分布信息分布盘组：盘组：多个盘片，双面记录。多个盘片，双面记录。各记录面上相同序号的磁道构成一个圆柱各记录面上相同序号的磁道构成一个圆柱面。面。圆柱面：圆柱面：扇区（定长记录格式）扇区（定长记录格式）数据块数据块记录块（不定长记录格式）记录块（不定长记录格式

37、）无扇区化分无扇区化分 磁道：磁道：盘片旋转一周，磁化区构成的闭合圆环盘片旋转一周，磁化区构成的闭合圆环本讲稿第四十页，共六十页存储密度存储密度道密度道密度位密度位密度单位长度内的磁道数单位长度内的磁道数磁道上单位长度内的二进制位数磁道上单位长度内的二进制位数各道容量相同各道容量相同,各道各道位密度位密度不同不同,内圈位密度最高。内圈位密度最高。非格式化容量非格式化容量=内圈位密度内圈位密度内圈周长内圈周长道数道数/面面面数面数格式化容量格式化容量=扇区容量扇区容量扇区数扇区数/道道道数道数/面面面数面数3.3.磁头定位系统磁头定位系统驱动磁头寻道并精确定位驱动磁头寻道并精确定位（1）步进电机

38、定位机构（2）音圈电机定位机构用于小容量硬盘用于小容量硬盘用于较大容量硬盘用于较大容量硬盘本讲稿第四十一页，共六十页4.4.寻址过程与数据存取寻址过程与数据存取驱动器号、圆柱面号、磁头号、驱动器号、圆柱面号、磁头号、扇区号（记录号）、交换量。扇区号（记录号）、交换量。寻址信息寻址信息寻址操作寻址操作定位（寻道）：定位（寻道）：磁头径向移动磁头径向移动 寻找起始扇区：寻找起始扇区：盘片旋转盘片旋转 数据传输率数据传输率外部传输率外部传输率 内部传输率内部传输率5.5.硬盘控制逻辑硬盘控制逻辑硬盘适配器和硬盘驱动器的功能如何划分？硬盘适配器和硬盘驱动器的功能如何划分？（1）按ST506/412标准

39、划分（2）按IDE标准划分（3）按SCSI标准划分本讲稿第四十二页，共六十页6.6.硬盘的软件管理层次与调用方法硬盘的软件管理层次与调用方法软件层次：软件层次：编程界面编程界面INT 13H INT 13H INT 21HINT 21H磁盘扇区读磁盘扇区读/写、检查写、检查磁盘文件操作磁盘文件操作硬硬盘盘控控制制功功能能划划分分本讲稿第四十三页，共六十页6.5.2 6.5.2 软磁盘存储器软磁盘存储器软盘软盘存储器存储器软盘驱动器软盘驱动器1.1.组成组成软盘片软盘片独立装置独立装置软盘控制器软盘控制器主机与软盘驱动器之间的主机与软盘驱动器之间的 数据交换及控制数据交换及控制2.2.信息分布与

40、寻址信息信息分布与寻址信息 单片，双面记录。单片，双面记录。磁道上长度相同的区段，磁道上长度相同的区段，容量容量1.2MB1.2MB的软盘，每面的软盘，每面8080道。道。盘片：盘片：扇区：扇区：磁道：磁道：存放数据块存放数据块 寻址信息：寻址信息：台号、磁头号、磁道号、扇区号、交换量台号、磁头号、磁道号、扇区号、交换量驱动器号驱动器号记录面号记录面号扇区数扇区数可拆可拆本讲稿第四十四页，共六十页3.3.磁道记录格式磁道记录格式例：定长记录格式例：定长记录格式磁道时间磁道时间磁道磁道索引脉冲索引脉冲间隔间隔 扇区扇区1 1 扇区扇区2 2 扇区扇区n n 间隔间隔 扇区扇区i i 标志区：标志

41、区：标志信息、标志信息、标志区校验码标志区校验码CRC CRC 数据区：数据区：地址标志、地址标志、数据字段、数据区数据字段、数据区CRCCRC4.4.机械结构机械结构（1）主轴驱动装置（2）磁头定位装置（3）加载机构直流电机带动盘片旋转直流电机带动盘片旋转 步进电机、开环控制使磁头位于与盘片接触的读/写位置微型机中广泛使用微型机中广泛使用IBM34IBM34系列磁道格式系列磁道格式本讲稿第四十五页，共六十页6.5.3 6.5.3 光盘存储器光盘存储器1.1.光盘存储器的种类光盘存储器的种类（1）只读型光盘（CD-ROM）固定型光盘固定型光盘（2）只写一次型光盘（WORM）CD-RCD-R为主

42、为主（3）可擦写型光盘磁光盘（磁光盘（MOMO）相变光盘（相变光盘（PCDPCD）热热-磁效应磁效应热热-光效应光效应2.2.光盘盘片结构光盘盘片结构夹层结构夹层结构3 3层结构：层结构：基片、反射层、存储介质层，基片、反射层、存储介质层，保护层保护层3.3.光盘存储器的组成光盘存储器的组成盘片、驱动器和控制器盘片、驱动器和控制器如：如：CD-RWCD-RW两张基片粘接，记录面朝里两张基片粘接，记录面朝里本讲稿第四十六页，共六十页6.5.4 6.5.4 磁带存储器磁带存储器容量大、速度慢、价格低，适用于脱机保存信息。容量大、速度慢、价格低，适用于脱机保存信息。1.1.快速启停式磁带机快速启停式

43、磁带机多道并行读写多道并行读写方式方式文件文件之间用间隔隔开，之间用间隔隔开，数据块数据块间有间隔，允间有间隔，允许在两个许在两个数据块间快速启停数据块间快速启停。构成：构成：走带机构、磁带缓冲结构、走带机构、磁带缓冲结构、带盘驱动结构、磁头带盘驱动结构、磁头2.2.数据流式磁带机数据流式磁带机多道，各道采用多道，各道采用正反向单道串行记录正反向单道串行记录方式方式数据块的数据块的间隔很短间隔很短，工作时，工作时不在间隔段启停不在间隔段启停本讲稿第四十七页，共六十页3.3.磁带的记录格式磁带的记录格式英寸标准磁带的记录格式英寸标准磁带的记录格式英寸开盘式英寸开盘式英寸盒式英寸盒式多用于微型机、

44、小型机多用于微型机、小型机按按文件文件存储，文件内分存储，文件内分数据块数据块按按数据块数据块存储存储本讲稿第四十八页，共六十页第第6 6节节 物理存储系统的组织物理存储系统的组织6.6.1 6.6.1 存储系统的层次结构存储系统的层次结构 CPU CPUCacheCache 主存主存 外存外存主存主存-Cache-Cache层次层次CPU Cache CPU Cache 主存主存 命中命中不命中不命中CacheCache主存主存-辅存层次辅存层次为为虚拟存储虚拟存储提供条件提供条件CPU CPU 主存主存 外存外存增大容量增大容量通过硬件和软件实现通过硬件和软件实现提高速度提高速度通过硬件实

45、现通过硬件实现本讲稿第四十九页，共六十页6.6.2 6.6.2 磁盘冗余阵列（磁盘冗余阵列（RAIDRAID）多台磁盘存储器组成大容量外存子系统多台磁盘存储器组成大容量外存子系统技术基础：技术基础：数据分块技术数据分块技术RAID0RAID0级：级：无冗余无校验无冗余无校验RAID1RAID1级：级：镜像磁盘阵列镜像磁盘阵列高效、安全性低高效、安全性低安全性高、利用率低安全性高、利用率低RAID2RAID2级：级：数据按位交叉，海明纠错数据按位交叉，海明纠错RAID3RAID3级：级：数据按位交叉、奇偶校验数据按位交叉、奇偶校验RAID5RAID5级：级：类似类似RAID4RAID4，RAID

46、6RAID6级：级：分块、双磁盘容错分块、双磁盘容错RAID4RAID4级：级：数据按扇区交叉、奇偶校验数据按扇区交叉、奇偶校验校验盘多校验盘多1 1个冗余盘个冗余盘无专用校验盘无专用校验盘写磁盘时效率低写磁盘时效率低RAID7RAID7级：级：独立接口独立接口RAID10RAID10级：级：RAID0RAID0级级+RAID0+RAID0级级本讲稿第五十页，共六十页6.6.3 6.6.3 并行存储技术并行存储技术1.1.单体多字并行主存系统单体多字并行主存系统按统一地址码并行地访问多个并行工作的存储器按统一地址码并行地访问多个并行工作的存储器2.2.多体交叉存取多体交叉存取主存分成若干独主存

47、分成若干独立存储体。立存储体。CPUCPU交叉访问多个体，缩交叉访问多个体，缩短平均访存时间。短平均访存时间。M0M0M1M1M2M2M3M30 01 12 23 34 45 56 67 7 存储器控制部件存储器控制部件 CPU CPUCPUCPU每隔每隔存取周期从主存取周期从主存读存读/写一个数据。写一个数据。本讲稿第五十一页，共六十页第第7 7节节 虚拟存储系统的组织虚拟存储系统的组织6.7.1 6.7.1 概述概述将主存空间与外存空间统一编址，组成将主存空间与外存空间统一编址，组成逻逻辑地址辑地址空间，即虚拟存储器；空间，即虚拟存储器；用户使用逻辑地址（用户使用逻辑地址（虚地址虚地址）空

48、间编程；）空间编程；操作系统进行程序调度、存储空间分配、地址操作系统进行程序调度、存储空间分配、地址转换等相关工作。转换等相关工作。6.7.2 6.7.2 虚拟存储器的组织方式虚拟存储器的组织方式1.1.页式虚拟存储器页式虚拟存储器虚存、实存都分页，虚存、实存都分页，页面大小固定；页面大小固定；虚地址：虚地址：虚页号虚页号+页内地址页内地址面向存储器物理结构面向存储器物理结构本讲稿第五十二页，共六十页页表记录虚页的相关信息页表记录虚页的相关信息虚实地址转换过程虚实地址转换过程每个作业建立一个页表每个作业建立一个页表本讲稿第五十三页，共六十页2.2.段式虚拟存储器段式虚拟存储器用户程序分段，用户

49、程序分段，各段大小可变；各段大小可变；虚地址：虚地址：段号段号+段内地址段内地址段表记录段的相关信息段表记录段的相关信息虚实地址转换过程虚实地址转换过程面向程序逻辑结构面向程序逻辑结构本讲稿第五十四页，共六十页3.3.段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器用户程序分段，用户程序分段，每段又分为大小相同的页；每段又分为大小相同的页；虚地址：虚地址：段号段号+段内页号段内页号+页内地址页内地址主存分为大小相同的页；主存分为大小相同的页；虚实地址转换过程虚实地址转换过程本讲稿第五十五页，共六十页6.7.3 Pentium CPU6.7.3 Pentium CPU支持的虚拟存储器支持的虚拟存储器Pentiu

50、mPentium保护模式下的逻辑地址形式：保护模式下的逻辑地址形式：段选择器段选择器 ：偏移地址：偏移地址采用段页式虚拟存储器采用段页式虚拟存储器1.1.分段方式地址转换分段方式地址转换本讲稿第五十六页，共六十页2.2.分页方式地址转换分页方式地址转换（1 1）4KB4KB分页方式分页方式每页每页4KB4KB，采用两级页表采用两级页表本讲稿第五十七页，共六十页（2 2）4MB4MB分页方式分页方式每页每页4MB4MB，减少一次访存，加快访存速度，减少一次访存，加快访存速度本讲稿第五十八页，共六十页1.1.分段部件的地址转换分段部件的地址转换逻辑地址逻辑地址3232位线性地址位线性地址3232位