计算机原理第三章存储器.ppt

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1、 第三章 存储器（P89）3.1 存储器概述3.2 半导体存储原理及芯片3.3 主存储器容量的扩展3.4 高速缓冲存储器3.5 虚拟存储器3.6 双端口存储器与并行主存系统 3.1 存储器概述3.1.1 存储系统的层次结构 C P UCache 主存储器 M 外存储器解决速度解决容量分层存储体系结构对存储器最基本的要求：容量大、速度快、价格低。1.主存储器，又叫内存，属于主机范畴。存放当前CPU 需要执行的程序和需要处理的数据。特点：（1）随机访问，（2）工作速度快，（3）具有一定的存储容量。2.外存储器，又叫辅助存储器，存放暂不使用的程序与数据。特点（1）工作速度较慢，（2）容量很大，如磁盘

2、、磁带等。3.高速缓冲器Cache，存放的是最近就要使用的程序与数据，是主存中当前活跃信息的副本。特点：（1）工作速度最快，（2）容量最少，只有几百K 字节。3.1.2 物理存储器与虚拟存储器一、真正在物理上存在的主存储器，称为物理存储器，简称为实存。访问主存的真实地址称为物理地址或实地址。现在大多数计算机配几百兆主存。二、为解决主存容量有限提出了虚拟存储器，即在软件编程上可使用的存储器，称为虚拟存储器。面向虚拟存储器的编程地址称为虚拟地址或逻辑地址。通过操作系统把外存的一部分也当成主存。例32 位地址线的计算机：232220210224 千兆4G 但现在实际配的主存假设为512 兆，即 51

3、2 兆22029 所以，32 位地址线寻址的是逻辑地址，29 位地址线寻址的是物理地址。3.1.3 存储器的分类一、根据存储介质来分 1.半导体存储器：静态存储器 动态存储器 2.磁表面存储器：磁盘、磁带等。（磁性材料）3.光盘存储器：利用光来存储的装置。（光的反射 性）二、按存取方式来分：1.随机存储器RAM，Radom Access Memory 可按地址随机地访问任一单元，访问各存储单元所需的读/写时间相同，与地址无关。2.只读存储器ROM，Read Only Memory 半导体集成电路，ROM，PROM，EPROM，E2PROM。3.顺序存储器（SAM）访问时间与信息存放位置有关，如

4、磁带等。4.直接存取存储器（DAM）如磁盘，工作方式介于随机存储器与顺序存储器之间。三、按存储器在系统中的位置来分 1.主存 2.外存高速缓存3.1.4 主存储器的技术指标存取时间，（存储器访问时间）是指从存储器收到读（或写）申请命令，到从存储器读出（或写入）信息所需的时间。反映了存储器的速度，决定了进行一次读/写操作必须等待的时间。的存取时间在纳秒（）级。（）。.存储容量：在一个存储器中可以容纳的存储单元总数称为该存储器的存储容量。通常用字节或字来表示。如，等。表示字节（），一个字节定义为个二进制位。，存储周期指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。通常，这个参数被标在内存芯片上。例如：“”

5、，“”等，表示存储周期为或，数值越小，表示内存芯片的存取速度越高，价格也越贵。存储器带宽单位时间里存储器所存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒，/s 来表示。3.2 半导体存储原理及芯片3.2.1 静态（metal oxide semiconductor 金属氧化物半导体）存储位与芯片半导体存储器双极型，型，速度快，但功耗大，集成度低静态，动态，速度快，功耗低，集成度高静态存储位六管静态存储单元（位）、两个反相器交叉耦合构成一个双稳态触发器，可用于存储一位信息。、分别作为负载管，相当于两个电阻。、是两个控制门管，由行选线控制它们的通断，当行选线加高电平时，、导通，通过一组位线、可对双稳态电路进

6、行读/写操作；当加低电平时，、断开，位线脱离，双稳态电路进入保持状态。、两个管子控制位线与/相连，由列选线控制。（）写入行选线xi（也称字选线）加高电平，使T5、T6管导通。列选线yj 加高电平使V1、V2管导通，位线D 与同I/O 线与线接通。写0：数据线I/O=0、=1，使位线D=0、位线=1。因D=0，通过T5管传给Q 点使Q 点为低（写入0），T2管截止。而通过T6管给T1管栅极加高电压，使T1管导通，加快Q 点为低电平的进程。写1：数据线I/O=1、=0，使位线D=1、=0；推出T1截止，T2导通使Q=1、=0，写入“1”。（2）读出行选线xi，列选线yj 加高电平，使T5、T6导通

7、和V1、V2导通。如果原存信息Q=0，则T1导通，从位线D 将通过T5、T1到地形成放电回路，有电流经D 流入T1，使I/O 线上有电流流过，经放大为“0”信号，表明原存信息为“0”。而此时因T2截止，所以上无电流。如果原存信息Q=1，则T2导通，能推出线上有电流流过，代表原存信息为“1”。此时T1截止，I/O 线上无电流。（）保持行选线xi 与列选线yj 只要有一个为低电平，使位线与双稳态电路隔离，双稳态电路T1、T2依靠触发器原理交叉反馈保持原有状态不变。2.静态存储芯片举例2114 是一种曾广泛使用的小容量SRAM 芯片，容量为1K4 位，现举例说明。（）内部结构图，共根地址线。图6 2

8、 2114SRAM 芯片内部结构框图一个位平面 行 列个单元每个单元有位，即。图6 3 第K 个存储单元4 个存储位电路图n 当片选信号=0 且读写信号=0 时，数据输入三态门打开，4 位数据线信息写入译中的单元中，称为写操作。n 当片选信号=0 且读写信号=1 时，数据输出三态门打开，译中单元的4 位数据送入数据线，称为读操作。n 当片选信号=1 时，输入三态门与输出三态门都关闭，使芯片所有单元与数据线隔离，即本芯片不工作。片选信号在存储器空间扩展时要用到。（）芯片引脚片选：低电平有效，低电平时选中本芯片。写使能：低电平时写入，高电平时读出。地址根：90，对应于容量。双向数据线位：DO4DO

9、1，可直接与数据总线相连。图6 4 2114 芯片引脚（）静态读写操作时序读周期：图6 5 2114 的读周期波形图tRC：读周期时间，此期间地址维持时间不变，是两次读出的最小时间间隔。tA：读出时间，从地址有效到输出稳定所需的时间，即其他器件可以使用数据线上的数据了。tCO：从片选信号有效，到读出的数据在外部数据线上稳定的时间。tCX：片选有效到数据有效所需的时间。tOTD：片选无效后输出数据还能维持的时间。tOHA：地址改变后数据输出的维持时间。写周期：图6 6 2114 的写周期波形图tWC：写周期时间，是两次写入操作之间的最小间隔。tAW：在地址有效后，经过一段时间tAW，才能向芯片发

10、写命令。tW：写数时间，片选与写命令同时为低的时间。tWR：写恢复时间，为了保证数据的可靠写入，地址有效时间至少应满足：tWC=tAW+tW+tWRtDTW：写信号有效到输出变为三态时间。tDW：数据有效时间。输入数据至少应维持的时间。tDH：写信号撤销后数据保持时间。3.2.2 动态MOS 存储位与芯片1.动态MOS 存储位单管动态存储位基本工作原理：利用电容有无存储电荷来表示存“”或“”。图6 7 单管动态存储位电路（）写入，字选线加高电平，使门控管导通；若要写，则位线加，电容通过对位线放电，呈低电平。若要写，则位线为，电容充电。（）读出，字选线加高电平，使门控管导通；若上有电荷，通过放电

11、，位线上有电流流过，表示读出信息为“”。若上无电荷，位线上没有电流流过，表示读出信息为“”。注意：读出“”信息后，电容上无电荷，不能再维持“”，这种现象称为“破坏性读出”，须进行“恢复”操作。（）保持，字选线为“”，截止，电容无放电回路，其电荷可暂存数毫秒，即维持“”数毫秒；无电荷则保持“”状态。注意：保持“”信息时，电容也要漏电，导致上无电荷，须定时“刷新”。“恢复”与“刷新”操作由灵敏恢复/读出放大器完成。图6 8 灵敏恢复/读出放大器2.DRAM 结构图6.9 DRAM 结构原理图 3.3 主存储器容量的扩展位扩展如果每一片或中的每一个单元的位数不够用时，可采用位扩展方法，以达到计算机所

12、需的字长。A19 A0 1M1 I/O A19 A0 1M1 I/O A19 A0 1M1 I/OA19：A0D7D6：D0例用片 位的构成一个 位的。例用1K4 的SRAM 存储芯片构造1K8 的存储器。A9 A0 1K4 D3 D0A9 A0 1K4 D3 D0A9：A0D7：D4D3：D02.字扩展如果每片的字数（单元数）不够，需用若干片组成总容量较大的存储器，称为字扩展。例用1K8 的SRAM 存储芯片构成4K8 存储器。解：单片容量：1K8 位，需地址线10 根，2101K，存储器容量：4K8 位，需4 片，地址线2124K，12 根。A9 A0 1K8 D7D0 A9 A0 1K8

13、 D7D0 A9 A0 1K8 D7D0 A9 A0 1K8 D7D02-4译码器D7：D0A11A10A9：A03.字位扩展如果每一片的位数和字数都不够用，就需要同时采用位扩展和字扩展方法。例某半导体存储器容量为2K8 位，选用1k4 位的2114 静态RAM，问需多少个2114 芯片？画出结构图。解：需用四片2114 芯片才能构成2K8 位。地址与片选：2114:1K4 位，210=1K,10 根地址线A9A0;2k8 位：211=2K,11 根地址线A10A0 由高位A10参与片选。A9A0 A9A0 1K4 1K4 D3D0 D3D0A9A0 A9A0 1K4 1K4 D3D0 D3D

14、0A10A9：A0D7：D4D3：D0例用16M4 位的存储器芯片，组成64M8 位的存储器空间系统。问（1）组成64M8 位的存储器需要多少根地址线？（2）已有16M4 位芯片有多少根地址线？（3）共用多少片16M4 位芯片，能组成64M8 位存储器？（4）画连线图。n 解：（1）需要26 根地址线。n（2）有24 根地址线n（3）共用8 片。n（4）连线图如下图所示。例半导体存储器容量为7K8 位，其中固化区为4k8 位，可选用 EPROM 芯片：2K8/片。随机读/写区为3K8，可选SRAM 芯片：2K4/片和1K4/片。地址总线为A15A0，双向数据总线为D7D0，控制读写。请设计并画

15、出该存储器逻辑图，并注明地址分配与片选逻辑式及片选信号极性。解：（）设置存储空间分配图，确定芯片数量。EPROM 2KB EPROM 2KBSRAM 2K4 SRAM 2K4SRAM 1K4 SRAM 1K4EPROM0EPROM1SRAM0SRAM1固化区（4K8）随机读写区（3K8）（）地址分配与片选信号如下：0 0 0 0 0：0 0 1 1.10 1 0 0 0：0 1 1 1.11 0 0 0 0：1 0 1 1.11 1 0 0 0：1 1 0 1.1A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A0不用2K EPROM02K EPROM12K SRAM01K SRAM13

16、.4 高速缓冲存储器高速缓冲存储器 Cache 介于CPU 和内存之间，主要是为了弥补主存速度的不足。Cache 的容量一般在几KB到几百KB 之间。由于编程时指令地址的分布基本上连续，在一个较短的时间间隔内，对存储器的访问大部分将集中在一个局部区域，这种现象称为程序的局部性。将这个局部区域的内容从主存复制到Cache 中，使CPU 高速地从Cache 中读取程序和数据，其速度可比主存高5 10 倍，这一过程由硬件实现。主存内容放到Cache 中什么地方？怎么放？这些称为地址映像方法。一、地址映像将主存与 Cache 的存储空间划分为若干大小相同的块。例：某机主存容量为1MB，Cache 为4

17、KB，按256 字节大小划分为一块，则主存划分为220/28=212=4096 块，即主存块地址长12 位。Cache 划分为212/28=24=16 块，即Cache 块地址长4 位。直接映像一个主存块只能映像到Cache 中的唯一一个指定块。各自分块Cache 主存块块块块块4095块4K/256B1M/256BCache 不变，主存按 Cache 容量来分区。220/212=28=256 区主存0 块1 块15 块0 块1 块15 块0 块1 块15 块0 区1 区255 区每一区和Cache 之间是一一对应的，即0 块0块，15 块15 块。主存0 块1 块15 块0 块1 块15 块

18、0 块1 块15 块0 区1 区255 区Cache 0 块1 块15 块图617 地址变换方法 图616 Cache 的直接映象优点：比较容易实现，20 位地址中能直接提取 Cache 的12 位地址。缺点：不够灵活，有可能使Cache 的存储空间得不到充分利用。因为每一块只能对应到Cache的某一块中，例如需将主存第区第块和第区第块同时复制到Cache 中，就不可能，即使其它Cache 块空闲。应用场合：用于Cache 容量较大的场合。例设一个Cache 中有8 个块，访问主存进行连续读操作的块地址序列为1110110、1111010、1110110、1111010、1110000、110

19、0100、1110000、1110010。求每次访问主存后Cache 块表的变换情况，设初始Cache 为空。解：块地址中低三位为Cache 块号，高四位为主存区号。例：设有一个Cache 的容量为8K 字，每个块为32 字，求 1.该Cache 可容纳多少个块？2.如果主存的容量是128K 字，则有多少个块？3.主存的地址有多少位？Cache 地址有多少位？4.进行直接映象时，存储器的地址分成哪几段？各段分别有多少位？解：1.Cache 的容量8K 字，每块为32 字，则Cache 中有 23210/25=28=256 块。2.主存中有27210/25=212=4096 块。3.主存地址按字

20、计算有17 位，Cache 地址有13 位。4.存储器的地址分成三段：区号、块号、块内字地址。区号的长度为主存地址长度与Cache 地址长度之差，即1713=4 位，这4 位作为区号放在块表中（调入时）。块号的长度为Cache 的块个数，需用8 位表示。块内字地址长度为5 位，因为块大小为32 字。2.全相联映像内存中的每一块可以映像到 Cache 中的任何块。图619 全相联映象 图620 全相联映象的地址变换方法优点：较直接映像方式灵活，块冲突概率低，Cache 的利用率较高。缺点：块表位数增加，并且必须采用价格昂贵的相联存储器，成本增加。需要一个复杂硬件实现替换策略。速度比较慢。应用场合

21、：全相联方式一般用于容量比较小的Cache 中。各自分块Cache 主存块块块块块4095块4K/256B1M/256BCache 不变，主存按 Cache 容量来分区。220/212=28=256 区主存0 块1 块15 块0 块1 块15 块0 块1 块15 块0 区1 区255 区3.组相联映像将存储空间分成若干组，一组内再分成若干块，组与组之间采用直接映像，组内块与块之间采用全相联映像，它是前两种方式的融合。Cache、主存再分组组与组之间直接映像，组内块与块之间是全相联。图622 组相联映象的地址变换方法在组相联方式中，如果每组只有一块，将成为直接映象方式；如果总共只有一组，将成为全

22、相联方式。总结：小容量Cache 采用全相联映像，提高 Cache利用率。大容量Cache 采用直接映像，提高转换速度，减少硬件开销，另外Cache 块可以大一些，提高命中率。中容量Cache 采用组相联映像，介于两者之间。Cache 的结构原理图二、替换算法当Cache 已装满，而执行的程序不在Cache 中，又要把一块内存调入Cache 里，此时就产生淘汰Cache 中的哪一块问题。在直接映象方式下，直接淘汰对应块，无须算法决定，因为它们是一一对应的。在全相联和组相联方式下，主存中的块可写入Cache 中若干位置，这就需要一个算法来确定替换掉Cache 中哪一块。常用替换算法有：（1）先进

23、先出算法FIFO（First In First Out），这种算法是对进入Cache 的块按先后顺序排队，需要替换时，先淘汰最早进入的块。（2）最近最少使用算法LRU（Least Recently Used），为Cache 的各块建立一个LRU 目录，按某种方法记录它们的调用情况，当需要替换时，将最近一段时间内使用最少的块内容予以替换。较FIFO算法复杂一些，系统开销稍大。三、Cache 的读、写过程读操作访存时，一方面将主存地址送往主存，启动读主存。另一方面将主存地址送往Cache，读Cache，比较Cache 块表中的信息，如果“访问命中”，即将读出的Cache 内容送往CPU，终止主存读

24、操作。如果“访问失败”，继续进行主存读操作，并考虑替换策略。写操作（1）写直达法（Write through）。即写Cache 时，同时也写主存。这种方法使得写访问的时间为主存的访问时间，影响CPU 速度。但在块替换时，可直接扔掉，因Cache 与主存块始终保持内容一致。（2）写回法（write back）。即写Cache 时不写主存，而当Cache 数据被替换出去时才写回主存。这种方式不在快速写入Cache 中插入慢速的写主存操作，可以保持程序运行的快速性。例设主存容量为MB，有16KB 直接映像的Cache，Cache 的块大小为32B，解答下列问题：（）写出Cache 地址格式；（）写出

25、主存地址格式；（）块表的容量为多大？（）画出直接方式地址映像及变换图；（）主存地址为1DE8F0 H 的单元在Cache 中的什么位置？解（）Cache 的容量为16KB，16KB=214，Cache 的地址段为14位。Cache 的块大小为32B，32B=25，块内地址为5 位。块地址14 5 9 位，Cache 地址格式：9 位5 位块地址块内地址(2)主存容量为2MB，2MB=221，主存的地址段为21 位。块大小为32B，块内地址为5 位;2MB/16KB=221/214=27区，区号为7 位。主存地址格式：区号区内块号块内地址7 位9 位5 位(3)Cache 一共有29=512 块

26、，块表有512 行，（每块占一行）块表中存放的是主存的区号，一共7 位，块表的容量：5127 位297 位。区号区内块号块内地址7 位9 位5 位主存地址Cache 地址：区号012511块表比较命中Cache 0 块1 块块主存0 块1 块511 块0 块1 块511 块0 块1 块511 块0 区1 区127 区（）（）1DE8F0H=0001 1101 1110 1000 1111 00007 位9 位5 位在Cache 中的地址：10 1000 1111 0000 块号：28+26+22+21+20=327 块，单元号：24=16 号单元例4 有一主存Cache 层次的存储器，其主存容

27、量1MB，Cache 容量64KB，每块8KB，若采用直接映像方式，求：（1）主存的地址格式？（2）主存地址为25301H，问它在主存的哪一块？解：(1)主存容量为1MB，1MB=220，主存的地址段为20 位。块大小为8KB，块内地址为13 位;1MB/64KB=220/216=24区，区号为4 位。主存地址格式：区号 区内块号 块内地址4 位3 位 13 位（2）主存地址 为25301H 0010 0101 0011 0000 0001主存区号0010 2 区，主存块号010 2 块即：25301H 的主存地址为主存中第2 区的 第2 块，也即第18 块。6 14 一台计算机的主存容量为1

28、MB，字长为32 位，直接映像的Cache 容量为512 字。计算主存地址格式中，区号、块号和块内地址字段的位数。（1）Cache 块长为2 字；（2）Cache 块长为8 字。解：（1）主存容量为1MB 主存的地址位数为18 位。主存地址格式：区号区内块号块内地址9 位8 位1 位（2）Cache 块长为8 字主存地址格式：区号区内块号块内地址9 位6 位3 位6 15 一个组相联映像的Cache 有16 个组，每组4 块存储块，主存包含4096 个存储块。块大小为128 字，访存地址为字地址。（1）求一个主存地址有多少位？一个Cache 地址有多少位？（2）计算主存地址格式中，区号、组号、

29、块号和块内地址字段的位数。解：（1）（2）区 号区内组号 组内块号块 内 地 址 6 位 4 位 2 位 7 位 课堂作业：一台计算机主存容量16MB，直接映像的Cache 的容量为8KB。Cache 块长为64 字节。计算主存地址格式中，区号、区内块号和块内地址字段的位数。3.5 虚拟存储器 虚拟存储器主要用来解决计算机中主存储器的容量不足的问题。例在微机中，Windows 2000 操作系统本身有200 多兆，而主存只有256M，当内存全部装入OS 后，就无法再装入如 Word、Photoshop 等应用软件，解决的办法就是虚拟存储器，它把整个硬盘全部当成内存使用，通过操作系统来管理存储。

30、虚拟地址（逻辑地址）实地址（物理地址）根据虚、实地址变换方式不同，可分为页式、段式、段页式虚拟存储器三种。一、页式虚拟存储器将虚拟空间与主存空间都划分为若干大小相同的页，虚存的页称为虚页，主存的页称为实页，常见页的大小为1K、2K、4K 到64K 等等。主存页页虚存页页虚地址虚页号 页内地址实地址实页号 页内地址页表行行主存页号装入位访问方式虚页号页表基址寄存器页表起始地址主存页号虚页号 页内地址 虚地址实地址 页内地址 实页号页表若该虚页尚未调入主存，则产生缺页中断，以中断方式将所需页内容调入主存。如果主存空间已满，则需在中断处理程序中执行替换算法，将可替换的主存内容写入辅存，再将所需页调入

31、主存。替换算法类似于 Cache 存储管理，有先进先出算法FIFO，近期最少使用算法LRU 等。例一个有32 位程序地址空间、页面容量为2KB、主存容量为8MB 的存储系统，问：（）虚页号字段有多少位？页表将有多少行？（）页表的每一行有多少位？页表的容量有多少字节？解：（）2kB=211 字节，页内地址为11 位。虚页号字段为32 11=21 位，页表的长度为：221=2M 行。（）8MB=223字节，主存页号23 11=12 位，再加上装入位、访问方式等，每一行至少16 位，页表的容量2M16 位4MB。二、段式虚拟存储器将用户程序按其逻辑结构分为若干段，各段大小可变。相应地虚拟存储器也需动

32、态地分段，且将段的起始地址与段的长度写入段表之中。虚地址分为两部分：高位是段号，低位是段内地址。段表示例行行：主存起始地址 装入位 段长 访问方式虚段号地址变换：段表基址寄存器段表起始地址 段号 段内地址虚地址主存地址实地址实存起始地址段表三、段页式虚拟存储器程序按其逻辑结构分段，每段再分为若干大小相同的页，主存空间也划分为若干同样大小的页，相应地建立段表和页表，分两级查表实现虚实地址的转换。虚地址段号段内页号页内地址段表基址寄存器段表起始地址实页号 页内地址 实地址：段表页表起始地址：页表m实页号总结：段、页、段页式比较划分单位 优点 缺点 地址结构段式页式段页式按照程序的逻辑结构划分；段的

33、大小不定。段为单位主存、虚存都划分为固定长度的页。页为单位程序按模块分段，段内再分页，用段表和页表进行两级定位管理。页为单位逻辑独立性，易于编译、管理、修改和保护，也便于共享。面向内存的物理结构，虚、实页面大小都相等，便于主存与外存间的调进调出。比段式空间浪费小。具有以上两者的优点。访存交换以页为单位，共享和保护以段为单位。段的长度各不相同，给主存分配带来麻烦；而且容易在段间留下零碎的空间，造成浪费。页表本身占空间太大；难以实现存储保护和共享。需要多次查表，即多次读内存，降低了地址变换的速度。段号段内地址页号页内地址段号页号页内地址例（书上6 18）主存容量4MB，虚存容量1GB，问实地址与虚

34、地址各为多少位？若页面大小为4KB，主存页表应有多少个表行？解：4MB 222 B 主存实地址为22 位。1GB 230 B 虚地址为30 位。4KB212 B 30 12 18 位 主存页表应有218个表行。例（书上）页大小为16 字，已知页表内容，求当CPU 程序按下列二进制虚拟访存时产生的实际地址。（1）00101101（2）10100000（3）10001000解：2416 字，页内地址4 位。实页号页内地址（）0010 1101（）1010 0000（）1000 1000 虚页号 实页号 装入位 0000 0101 1 0001 0 0010 0010 1 0011 0000 1 0

35、101 0110 0111 1000 0100 1 1001 1010 0001 1 3.6 双端口存储器与并行主存系统一、双端口存储器具有两个彼此独立的读/写口，可以并行地工作应用场合：在运算器中采用双端口存储芯片，作为通用寄存器组，能够快速提供双操作数。注意：只要对同一地址同时操作，即发生冲突。控制复杂，硬件开销大，只作成小容量。二、并行主存系统 存储器系统速度总跟不上CPU 速度，造成数据提供的瓶颈问题，提出了并行主存系统。（在大型计算机中）单体多字并行主存系统单体指只有一套地址寄存器，多字指有多个容量相同的存储模块。使传输速度提高了n 倍，适用于向量运算一类。这种形式适合要读取的数据正

36、好连续存放在M0Mn-1的相同单元里，否则就失去意义了。多体交叉存储器由多个相互独立、容量相同的存储模块构成。各存储体的编址大多采用交叉编址方式。在一个存储周期内，发四次地址，分时访问每个存储体。一段连续的程序或数据，将交叉地存放在几个存储体中。三、相联存储器按照存储项内容来访问的存储器。基本原理是把存储单元所存内容的一部分作为检索项，去检索该存储器，并将存储器中与该检索项符合的存储单元进行读出与写入。相联存储器结构一位电路结构相联存储器阵列结构 相联存储器硬件结构复杂，集成度低，主要用于块表、页表、段表等中3.7 磁盘存储设备一、磁记录原理与记录方式 目前外存储器中使用比较广泛的是磁表面存储

37、器。它是靠磁记录介质的两个剩磁状态来记录信息的。磁盘、磁带、磁卡都是常见磁表面存储器。磁表面存储器具有如下一些共同特点：1.存储密度高，记录容量大，单位价格低。2.改变写入电流即可改变剩磁状态，因而记录介质可以重复使用。3.利用剩磁来记录信息，因而无需能量维持信息，掉电后信息不丢 失，并且信息可长时间保存。4.4.利用电磁感应获得读出信号，因而属非破坏性读出，读出时不需再生。磁表面存储器的缺点是：1.只能顺序存取，不能随机存取。2.2.读写时要靠机械运动产生感应电动势，因此存取速度较低。3.3.由于靠磁头读写，它的可靠性比主存差，必须加校验码。图6 31 磁表面信息存储原理 磁表面存储器是利用

38、一层不到1 微米厚的表面磁介质作为记录信息的媒体，以磁介质的剩磁现象来存储信息的。磁表面记录和读取信息的设备是一个磁头，磁头上有一条很小的缝隙，通过在磁头线圈上通入不同形式的电流，磁头上的磁力线从缝隙处感应到磁性表面，就可在磁性表面施加不同方向的磁场，从而在磁表面写入不同的信息。对于给定的存储信息，形成不同电流波形以记录信息的方式称为记录方式。不同的电流幅度、相位、频率形成了不同的记录方式。常用的磁记录方式可分为归零制（RZ）、不归零制（NRZ）、调相制（PM）和调频制（FM）等多种类型。1.归零制 归零制方式的原理是，不论某存储单元的代码是0 还是1，在记录下一个信息之前记录电流要恢复到零电

39、流。写1 时给磁头线圈送一个正向脉冲电流，写0 时送一个负向脉冲电流。两个信息位之间，磁头线圈中电流恢复为零电流。具有自同步能力。归零制由于记录密度低，抗干扰能力差，现在已不使用。图6 32 磁盘数据记录方式2.不归零制 不归零制有两种NRZ0 和NRZ1。NRZ0 的原理是磁头线圈上始终有电流，不是正向电流就是反向电流，正向电流代表1，反向电流代表0。因此它的抗干扰能力较好，它的记录密度也不高，而且无自同步能力。NRZ1 也是磁头线圈上始终有电流，但凡是写1 时，磁头线圈中的写入电流要改变一次方向（从负变为正或从正变为负），故称见1 就翻；而记录0 时，线圈中电流保持原方向不变。NRZ1 记

40、录密度高，但无自同步能力，只能用在多磁道并行读写的磁带机上。返回前一页。3.调相制 调相制利用电流相位的变化进行写1 或者写0，写1 时电流在位置的中心从负变到正；写0 时电流在位置的中心从正变到负。在连续记录两个或两个以上的1 或0 时，在位周期起始处也要翻转一次。这种方式0、1 的读出信号相位不同，抗干扰能力较强，另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具有自同步的能力，磁带存储设备中普遍采用这种记录方式。返回前一页。4.调频制 磁头线圈写电流规则是无论写0 还是1，或者是连续的1 或连续的0，两个数据位交界处电流要改变方向。另外写1 时，还要在位置中心改变一次方向。因此写1 电流

41、的频率是写0 电流频率的2 倍，故又称双频制。调频制在各信息位边界上写入电流有一次变化，因而必有读出信号，该信号就可以用做同步信号，故调频制具有同步能力。早期单密度软盘采用此记录格式。返回前一页。5.改进调频制 改进调频制（MFM）在调频制基础上进行了改进，其规则是只有连续写两个0 或者两个以上0 时，才在位周期的起始位置处翻转一次。0 与1 和1 与0 的交界处不用再改变。写1 时中间处改变一次。MFM 比FM 磁化翻转少，可提高记录密度，故称为双密度。返回前一页课堂作业：画出代码11001011 在RZ、NRZ0、NRZ1、PM、FM、MFM 等记录方式下的写入电流波形，试比较它们的磁记录

42、密度，说明它们有无自同步能力。数据序列 1 1 0 0 1 0 1 1 RZNRZ0NRZ1 PM FMMFM二、磁盘存储设备的主要技术指标1.存储密度。它又分为道密度和位密度。2.道密度是指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为：道/mm或 道/英寸。3.位密度是指沿磁盘圆周方向单位长度上所能记录的二进制位数，单位为：位/mm 或 位/英寸。注意：每条不同半径的磁道，它们的圆周长是不一样的，但它们记录的信息位数是相同的，所以磁盘内圈磁 道的位密度高，最内圈的位密度才代表磁盘真正的 位密度水平。2.存储容量 存储容量是指一个磁盘装置所能存储的二进制信息总量。格式化容量：指按照某种特定的记录格

43、式所能存储的数据总量，是 用户真正使用的总量。非格式化容量：是磁盘表面可以利用的磁化单元总数。非格式化容量位密度 最内圈磁道周长 磁道总数格式化容量扇区容量 每道扇区数 磁道总数磁盘格式3.平均访问时间 从发出读/写命令开始起，磁头从某一起始位置移到指定位置，并开始读写数据的所需时间称为访问时间。它由两个因素决定：平均寻道时间和平均旋转等待时间。平均寻道时间：是将磁头定位到所要求的磁道上的所需时间，磁头定位到最外磁道和定位到最内磁道所需时 间是不一样的，通常计算一个平均时间来表示 平均寻道时间。平均旋转等待时间：是指磁头定位到磁道后，磁头等待访问 信息区（扇区）到达磁头下方所需的时 间。它与磁

44、盘转速有关，用磁盘旋转半 周所需的时间来表示。例：硬盘转速为：5400r/min，可求得平均旋转等待时间为5.6ms。7200r/min，可求得平均旋转等待时间为4.2ms。4.数据传输率：指单位时间内磁盘存储器能读、写的有效字节数。数据传输率（bps）扇区内字节数 每道扇区总数 磁盘转速8目前硬盘的数据传输率约为 几十兆字节/s 或 几百兆字节/s。例：设一个磁盘的平均寻道时间为10ms，数据读取的速度高于数据传输速率，数据传输速率是32MBps，控制器延迟是2ms（读磁盘命令到启动磁头移动的时间称为控制延迟），盘片转速为每分钟5400 转。求读写一个512 字节扇区的平均时间。解：平均旋转等待时间 0.5/5400 转/分=0.0056 秒=5.6 ms读一个扇区的传输时间 0.5 KB/32 MBps=0.5 KB/32 1000 KBps=0.015 ms平均磁盘访问时间=平均寻道时间+平均旋转时间+传输时间+控制器延迟=10+5.6+2+0.015=17.615 ms5.磁盘缓存容量 上面第四点是硬盘的内部传输速率，即磁头读写速率；磁盘还有一个外部传输率，指磁盘接口与系统总线交换数据的速度，它的速率远远高于内部传输率。所以必须在硬盘电路上设立缓存。设立缓存可有效缓解数据在内外传输率间的拥堵现象，因此极大地提高了硬盘的性能。硬盘缓存由DRAM 构成。