《存儲器系統(tǒng) 》PPT課件.pptVIP

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,第四章 存儲器系統(tǒng),南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,存儲器的分類及分層結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體存儲器的分類、工作原理及組成 輔助存儲器的分類及工作原理 高速緩沖存儲器cache的結(jié)構(gòu)及工作原理 并行存儲系統(tǒng) 虛擬存儲器,本章學(xué)習(xí)內(nèi)容,存儲器的分類 1）按與CPU的連接和功能分類,4.1 存儲器概述,CPU,主存 內(nèi)存,輔存 外存,CPU能夠直接訪問的存儲器。 設(shè)在主機(jī)內(nèi)部，用于存放當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。,Cache,用于解決CPU與主存間速度匹配問題的高速小容量的存儲器。 用于存放CPU立即要運(yùn)行或剛使用過的程序和數(shù)據(jù)。,輔助存儲器屬于外部設(shè)備，CPU不能直接訪問。 為解決主存容量不足而設(shè)置的存儲器，用于存放當(dāng)前不參加運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。 當(dāng)需要運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)時，將它們成批調(diào)入內(nèi)存供CPU使用。,2）按存取方式分類 隨機(jī)存取存儲器（RAM） 存儲器單元的內(nèi)容可按其地址隨機(jī)讀寫。 存取時間與單元的物理位置無關(guān)。 只讀存儲器（ROM） 存儲器單元的內(nèi)容只能隨機(jī)讀取，而不能寫入。 用于存放不變的程序和數(shù)據(jù)，或用作固定存儲器（如存放微程序的控制存儲器、存放字符點(diǎn)陣圖案的字符發(fā)生器等）。,順序存取存儲器（SAM） 信息的排列、尋址和讀寫操作均是按順序進(jìn)行，信息在載體上沒有唯一對應(yīng)的地址。 存取時間與信息在存儲器中的物理位置有關(guān)。 直接存取存儲器（DAM） 半順序存儲器 存取方式介于RAM和SAM之間的存儲器，既不是完全的隨機(jī)存取，也不是完全的順序存取。 典型如磁盤。當(dāng)進(jìn)行信息存取時先進(jìn)行尋道，屬于隨機(jī)方式；然后在磁道中尋找扇區(qū)，屬于順序方式。,如：磁帶。信息以文件或數(shù)據(jù)塊形式按順序存放，按順序存放或讀取。,3）按存儲介質(zhì)分類 磁存儲器采用磁性材料制成存儲器 磁存儲器是利用磁性材料的的兩個不同剩磁狀態(tài)存放二進(jìn)制代碼“0”和“1”。早期有磁芯存儲器。現(xiàn)多為磁表面存儲器，如磁盤、磁帶等。 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體器件組成的存儲器 根據(jù)工藝不同，可分為雙極型和MOS型 雙極型速度快，MOS型集成度高，成本低，功耗小 光存儲器利用光學(xué)原理制成的存儲器 通過能量高度集中的激光束照在基體表面引起物理的或化學(xué)的變化，記憶二進(jìn)制信息。如光盤存儲器。,4）按信息的可保存性分類 易失性存儲器 電源掉電后信息自動丟失，如半導(dǎo)體RAM。 非易失性存儲器 電源掉電后信息仍能繼續(xù)保存，如ROM、磁盤、光盤等。,1）基本概念 存儲元件（存儲元/存儲位）最小的存儲單位 存儲一位二進(jìn)制信息的物理器件。 存儲元件的條件 有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，可以存儲“0”、“1” 。 在外界的激勵下，能夠可以寫入“0”、“1”。 能夠識別器件當(dāng)前的狀態(tài)，可以讀出所存的“0”、“1”。,2. 主存的組成和基本操作,如：一個CMOS晶體管等。,存儲單元 可以同時進(jìn)行讀寫操作的一組存儲元件的集合。 存儲體（存儲陣列） 把大量存儲單元電路按一定形式排列起來，一般排列成陣列形式，即構(gòu)成存儲體，又稱存儲陣列。 存儲單元的地址/地址碼 存儲體中每個存儲單元被賦予的一個唯一的編號以區(qū)別不同的存儲單元。 要對某一存儲單元進(jìn)行存取操作，必須首先給出被訪問的存儲單元的地址。,存儲單元的編址單位可尋址的最小單位 按字節(jié)編址：相鄰的兩個單元是兩個字節(jié)。 按字編址：相鄰的兩個單元是兩個字。,字長16位,字長32位,設(shè)地址線 24 根,按 字節(jié) 尋址,按 字 尋址,若字長為 16 位,若字長為 32 位,224 = 16 M,按 字 尋址,8 M,4 M,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,2）主存的最基本組成,時序控制電路,數(shù)據(jù)寄存器,地址寄存器,存 儲 體 / 陣 列,存放要訪問的存儲單元的地址,地址總線,地址譯碼與驅(qū)動電路,根據(jù)CPU發(fā)出的讀寫控制命令，控制對存儲單元的讀寫,讀寫電路,用于對地址寄存器中的地址進(jìn)行譯碼 通過對應(yīng)的地址選擇線到存儲陣列中找到所要訪問的存儲單元 提供驅(qū)動信號驅(qū)動其完成指定的存取操作,用于暫存從存儲器讀出(輸出)或向存儲器中寫入(輸入)的信息,R/W 存儲器操作完成信號 MFC,讀主存： 寫主存： 1）被讀單元的地址MAR 1）被寫單元的地址MAR 2）發(fā)讀命令 2）要寫入的數(shù)據(jù)MDR 3）讀出的數(shù)據(jù)MDR 3）發(fā)寫命令,3）主存與CPU的連接及主存的操作,CPU,數(shù)據(jù)總線,地址總線,1）存儲容量：存儲器所能存儲的二進(jìn)制信息總量。 存儲容量的表示MN M表示存儲單元個數(shù)，N表示每個存儲單元可以存放的二進(jìn)制位數(shù)。 在以字節(jié)為編址單位的機(jī)器中常用字節(jié)表示存儲容量。,3. 主存的主要技術(shù)指標(biāo),如：512k16，表示主存有512k個單元，每個單元可以存放 16個二進(jìn)制位。,如：512k16 = 512k16/8=1KB。,存儲容量的主要計量單位： 1K= 210 = 1024 1M= 220= 1024K = 1048576 1G = 230= 1024M= 1073741824 存儲器容量與地址線的關(guān)系 1K= 210 需要10根地址線 1M= 220 需要20根地址線 256M=228 需要28根地址線,2）速度 訪問時間 TA（讀寫時間 / 取數(shù)時間） 一次存儲器存取的啟動完成所需的全部時間,即：從接到CPU發(fā)出的地址信號和讀寫命令開始 數(shù)據(jù)讀入MDR / 從MDR寫入主存結(jié)束,存取周期TM （存儲周期 / 讀寫周期） 相鄰兩次存取操作所需的最小時間間隔 由于半導(dǎo)體存儲器一次存取操作后需要有一定的恢復(fù)時間， 即TM =TA + T恢復(fù)，所以存儲周期TM大于取數(shù)時間TA,如： MOS型存儲器的TM約100ns 雙極型TTL存儲器的TM約10ns,3）帶寬（存儲器數(shù)據(jù)傳輸率、頻寬Bm） 存儲器單位時間所存取的二進(jìn)制信息的位數(shù)。 帶寬Bm= W/TM （KB/S、MB/S） W存儲器總線的寬度，對于單體存儲器，W就是數(shù)據(jù)總線的根數(shù)。 提高存儲器速度的途徑 提高總線寬度W，如采用多體交叉存儲方式。 減少TM，如引入Cache。,如W=16位，TM=500ns，則Bm=32Mbit/s=4MB/s,4）價格用每位的價格來衡量 設(shè)存儲器容量為S位，總價格為C總，每位價格c c = C總 / S C總不僅包含存儲器組件本身的價格，也包括為該存儲器操作服務(wù)的外圍電路的價格。 存儲器總價與存儲容量成正比，與存儲周期成反比。 影響存儲器性能的還有功耗、可靠性等因素。,4. 存儲器層次結(jié)構(gòu),高,小,快,1）存儲器三個主要特性的關(guān)系,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,虛擬存儲器,虛地址,邏輯地址,實地址,物理地址,主存儲器,（速度）,（容量）,2）緩存-主存層次和主存-輔存層次,4.2 半導(dǎo)體存儲器,SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器）,DRAM（動態(tài)隨機(jī)存取存儲器）,固定掩膜ROM,可編程ROM（PROM）,可擦除可編程ROM（EPROM）,電可擦除可編程ROM（EEPROM）,閃爍存儲器（閃存，F(xiàn)lash Memory）,RAM,ROM,半導(dǎo)體存儲器的分類,非易失性RAM路由器中可使用,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,1. 靜態(tài)RAM工作原理及其芯片結(jié)構(gòu),1）6管靜態(tài)基本MOS存儲單元電路1位,讀：W=高電平，T5、T6導(dǎo)通，數(shù)據(jù)通過位線D讀出。 寫：W=高電平，T5、T6導(dǎo)通，數(shù)據(jù)通過位線D寫入。 若寫0，D加低電平；若寫1，D加高電平。 保持： W=低電平，T5、T6截止，Q的狀態(tài)不變。,一個MN的芯片 字線地址選擇線（地址譯碼輸出） 位線數(shù)據(jù)線（實際輸出一條位線D）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,2）靜態(tài)RAM芯片的結(jié)構(gòu) 存儲器芯片把存儲體及其外圍電路（包括地址譯碼與驅(qū)動電路、讀寫放大電路及時序控制電路等）集成在一塊硅片上，經(jīng)過封裝，引出地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、電源、地線等。 存儲器芯片一般做成雙列直插形式。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 半導(dǎo)體存儲芯片的基本結(jié)構(gòu),片選線,讀/寫控制線,（低電平寫 高電平讀）,（允許讀）,（允許寫）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,半導(dǎo)體存儲器芯片一般有兩種結(jié)構(gòu) 字片式結(jié)構(gòu)（線選式/一維/單譯碼） 一根字線控制一個存儲單元 對一個存儲單元的所有位同時讀寫 位片式結(jié)構(gòu)（重合式/二維/雙譯碼） 一根行選擇線和一根列選擇線控制一個存儲單元 可對一根行選擇線控制的一組存儲單元同時進(jìn)行讀寫,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,同一存儲單元的不同位，字線相同 不同存儲單元的相同位，位線相同 M個存儲單元就有M個字線，每個存儲單元的N個二進(jìn)制位都具有2條位線,字片式結(jié)構(gòu)下靜態(tài)RAM的矩陣特點(diǎn),W1,W2,D1 D0,字片式結(jié)構(gòu)的存儲器芯片(168位),南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,字片式結(jié)構(gòu)的存儲器芯片(648位),1,1,1,1,1,1,0,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,字片式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),單譯碼的方案使得，有多少個存儲單元就有多少個譯碼驅(qū)動電路，所需的譯碼驅(qū)動電路較多,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 位片式結(jié)構(gòu)下靜態(tài)RAM基本電路,列地址選擇,行地址選擇,位片式結(jié)構(gòu)的存儲器芯片(1K1位),0,0,位片式結(jié)構(gòu)的存儲器芯片(4K1位),1 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0,0,1,0,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,譯碼驅(qū)動電路對比,3）靜態(tài)RAM舉例 Intel 2114(1K*4位),雙列直插式，18個引腳,10根地址線，用于尋址1024個存儲單元,4根雙向數(shù)據(jù)線,讀/寫控制線,片選信號線,讀寫電路, 2114的內(nèi)部矩陣結(jié)構(gòu),0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,64*64矩陣（1K*4=210*4=26*24*4=64 * 16 *4） 64行64根行選擇線，一次選中64個存儲單元 64列 分成4組每組1個讀寫電路，1位輸出 每組16列16根列選擇線，一次選中每組的1列，共選中4列,1）單管動態(tài)MOS存儲電路,CS有電荷信息= 1 CS無電荷信息=0,無電流,有電流,2. 動態(tài)RAM工作原理及其芯片結(jié)構(gòu),讀：W=高電平，T導(dǎo)通。 若D線有電流，則為1，否則為0； 寫：W=高電平，T導(dǎo)通。若D線加高電平，對CS充電，則為寫1；若D線加低電平，使CS經(jīng)T放電，則為寫0 。 保持：W=低電平，T截止，CS上的電荷不變。,讀出信息的過程是CS的放電過程，讀操作結(jié)束時，CS放電完畢，所以是破壞性讀出 CS上不可避免會有漏電流，故電荷只能維持12ms 需要對存儲單元恢復(fù)狀態(tài)，稱為再生（刷新）,2）動態(tài)RAM舉例4116 (16K*1位),時序與控制,64*128 存儲單元陣列,基準(zhǔn)單元,行 譯 碼,列譯碼器,128個 讀出再生放大器,列譯碼器,讀 出 放 大,基準(zhǔn)單元,64*128 存儲單元陣列,行 譯 碼,I/O,緩存器,數(shù)據(jù)輸出,驅(qū)動,數(shù)據(jù)輸入,寄存器,DIN,DOUT,行地址 緩存器,列地址 緩存器, TMS4116引腳,讀出再生放大器,讀出再生放大器,讀出再生放大器,一行為128個存儲元件,128列地址選擇,64行地址選擇,64行地址選擇,因為電容電荷的泄放會引起信息的丟失，因此動態(tài)MOS存儲器每隔一定時間需進(jìn)行一次刷新操作。 刷新的間隔時間主要根據(jù)電容電荷泄放速度決定。 設(shè)存儲電容為C，其兩端電壓為u，電荷Q=Cu， 則泄漏電流為,3）動態(tài)RAM的刷新,動態(tài)MOS元件每隔2ms必須刷新一次！,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,刷新方法 按行刷新。每次由刷新地址計數(shù)器給出刷新的行地址，每刷新一行，刷新地址計數(shù)器加1。 刷新方式 集中式刷新 分散式刷新 異步式刷新 透明式刷新,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,按照存儲器芯片容量的大小集中安排刷新時間，對所有存儲電路進(jìn)行刷新。在刷新時間內(nèi)，存儲器停止讀/寫操作（不允許CPU訪問）。 CPU的“死區(qū)”存儲器刷新時間。 優(yōu)點(diǎn) 系統(tǒng)的存取周期不受刷新工作的影響，讀寫操作和刷新工作在最大刷新周期內(nèi)分開進(jìn)行，控制簡單。 缺點(diǎn) 在“死區(qū)”內(nèi)CPU必須停止訪存操作，CPU利用率低。,集中式刷新,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,以4116芯片為例，其存儲矩陣為128128（128行），每個存儲單元電路都刷新一次需128個周期，故在刷新最大周期內(nèi)留出128個周期專用于刷新。,刷新最大周期=2ms，存儲器的存取周期為500ns， 則刷新時間=128*500ns=64000ns=64s，專用于刷新， 其余1936 s為讀寫時間。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,將系統(tǒng)的存取周期變成2倍的存取周期 第一個存取周期為正常的存儲器存取操作周期 第二個存取周期為刷新周期，每次刷新一行。 優(yōu)點(diǎn) 沒有“死區(qū)”，每一系統(tǒng)周期都可進(jìn)行讀/寫操作。 缺點(diǎn) 沒有充分利用所允許的最大刷新間隔(2ms)，且刷新過于頻繁，降低了系統(tǒng)的速度。,分散式刷新,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,以4116芯片為例，其存儲矩陣為128128（128行），每個存儲單元電路都刷新一次需128個周期，故將128個刷新周期分散到128個存取周期中。,存取周期為500ns，刷新時間為500ns 加入刷新周期的存取周期=500ns*2=1000ns =1s,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,前兩種刷新方式的折中，每隔一段時間刷新一行。,異步式刷新,2ms內(nèi)刷新128行一行刷新周期=2ms/128=15.6s 存取周期=500ns，15.6s/500ns =31，15.5s刷新一行。前15s即30個存取周期用于讀/寫操作，后0.5s用于刷新。,以4116芯片為例，其存儲矩陣為128128（128行），每個存儲單元電路都刷新一次需128個周期。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,透明式刷新,利用主存的空閑時間進(jìn)行刷新。這是一種理想的刷新方式，但由于控制復(fù)雜，所以目前應(yīng)用不多。 目前應(yīng)用較多的是分散式和異步式刷新。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM的位片式結(jié)構(gòu),靜態(tài)RAM的位片式，雖然存儲矩陣有行列地址，但行列地址是一起傳送的，芯片實現(xiàn)時沒有RAS和CAS引腳 芯片的地址引腳和理論地址位數(shù)相同,動態(tài)RAM的位片式，存儲矩陣有行列地址，而且行列地址分時傳送，有RAS和CAS引腳 芯片的地址引腳=理論地址位數(shù)/2,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,4）標(biāo)準(zhǔn)模式下動態(tài)RAM典型時序,數(shù)據(jù),地址 RAS CAS 數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),行地址有效信號先于列地址有效信號 讀時：行讀列數(shù)據(jù)行撤消列撤消讀撤消(數(shù)據(jù)撤消) 寫時：行寫數(shù)據(jù)列數(shù)據(jù)撤消寫撤消(列撤消)行撤消,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,快速頁式DRAM（FPM DRAM） 當(dāng)連續(xù)訪問同一行的所有列時，可一次性送行地址并使RAS有效，然后只需送列地址即可訪問不同的存儲單元，從而減少了送行地址的時間，提高了存儲器的訪問速度。 擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出DRAM（EDO DRAM） 在存儲器輸出端設(shè)置鎖存器暫存讀出的數(shù)據(jù)，從而使一個讀寫周期結(jié)束之前即可啟動下一個讀寫周期的操作，從而使速度提高1/3左右。,5）幾種常用的DRAM芯片技術(shù),南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,同步DRAM（SDRAM） DRAM與CPU共享一個系統(tǒng)時鐘，以相同的節(jié)奏同步工作。每個時鐘上升沿開始傳遞數(shù)據(jù)，使CPU不需等待了，速度比EDO提高了50%。 DDR SDRAM（雙數(shù)據(jù)率SDRAM） 是在SDRAM基礎(chǔ)上發(fā)展而來，仍然沿用SDRAM生產(chǎn)體系。DDR內(nèi)存可以在一個時鐘周期內(nèi)，在時鐘的上升沿和下降沿各傳輸一次數(shù)據(jù)。 DDR2/3 DDR2/3也采用了在時鐘的上升沿和下降沿同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉绞?，但DDR2/3擁有2/4倍于DDR的預(yù)讀取系統(tǒng)命令數(shù)據(jù)的能力，即可一次預(yù)取4/8位。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM的對比,有部分用于刷新,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,只讀存儲器的用途 1）存放固定程序，如操作系統(tǒng)的核心部分。 2）作控制存儲器，存放微程序。 3）用作函數(shù)發(fā)生器。 4）存放固定數(shù)據(jù)，如漢字庫，字符發(fā)生器。 只讀存儲器的主要類型 1）固定掩膜ROM 2）PROM 3）EPROM 4）EEPROM(E2PROM) 5）Flash ROM（閃爍存儲器）,3. 半導(dǎo)體只讀存儲器,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,掩膜ROM,每個存儲單元由單管構(gòu)成 用是否將MOS管接入電路表示信息 在行列交叉處接入MOS管的位為1 未接入MOS管的位為0 制作時即存入所需信息,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,PROM (一次性編程),南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,EPROM (多次編程 ),可以根據(jù)需要寫入或擦去原信息，再寫入新信息。 頂部的石英窗口透過紫外線擦除原有信息 未編程前每個存儲單元的信息都是1，編程就是使用專門的編程器（燒寫器）將某些單元寫入0,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,EEPROM,無需專門的編程器，用加電方法直接在電路中擦除 有字節(jié)擦寫、塊擦寫和整片擦寫方法 擦除電壓略高,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,FLASH ROM,屬于EEPROM，性能優(yōu)于普通EEPROM，可以用較快的速度和較低的電壓對信息反復(fù)擦寫。 BIOS用Flash ROM存放，因此現(xiàn)在稱BIOS為Flash BIOS。,4. 半導(dǎo)體存儲器的組成,由于一塊存儲器芯片的容量總是有限的，因此一個存儲器總是由一定數(shù)量的存儲器芯片構(gòu)成。 要組成一個主存儲器，需要考慮的問題： 芯片選擇速度、容量、電壓、功耗、成本等 芯片數(shù)量 芯片連接,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,芯片數(shù)量,芯片容量M1*N1，要求主存容量M2*N2 芯片數(shù)量=M2*N2/M1*N1 例：用64K*1的芯片組成256K*8的芯片 所需芯片總數(shù)=256K*8/64K*1=32,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,芯片連接,組成主存的芯片之間的連接（芯片擴(kuò)展） 主存和CPU的連接（涉及信號線） 主存讀寫過程 片選信號 讀/寫控制信號 數(shù)據(jù)傳輸, 位擴(kuò)展（M*N1M*N2）,芯片的容量滿足要求，但存儲位數(shù)不夠,所有芯片應(yīng)同時工作 同時被選中 同時進(jìn)行讀寫 讀寫相同的地址單元,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,位擴(kuò)展的連接,各存儲芯片的片選線并聯(lián)，接至CPU訪存信號或地址譯碼輸出 各存儲芯片的讀寫線并聯(lián)，接至CPU的讀寫控制線 各存儲芯片的片內(nèi)地址線并聯(lián)，接至CPU地址總線（從低位開始接） 各存儲芯片的數(shù)據(jù)線單獨(dú)列出，接至CPU的數(shù)據(jù)總線對應(yīng)位（從低位開始接）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,1）2114容量1K*4，存儲器要求容量1K*8 所需芯片數(shù)量=1K*8/1K*4=2 2）2片2114的片選線CS并聯(lián)接CPU的MREQ 2片2114的讀寫線WE并聯(lián)接CPU的R/W 2片2114的地址線A0A9并聯(lián)接CPU的A0A9 1片2114的數(shù)據(jù)線D0D3接CPU的D0D3，另1片接D4D7,例：用靜態(tài)RAM 2114構(gòu)成1K*8的存儲器，畫出芯片連接圖。（CPU訪問存儲器請求信號為MREQ，讀寫控制信號為R/W，數(shù)據(jù)線和地址線從低位開始分配）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,位擴(kuò)展示意圖（1K*41K*8）,A0 A9,D7D4,D3D0,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 字?jǐn)U展（M1*NM2*N）,芯片的存儲位數(shù)滿足要求，但容量不夠,所有芯片不能同時工作 不能同時被選中,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,字?jǐn)U展的連接方式,各存儲芯片的片選線接譯碼器不同輸出，譯碼器輸入接至CPU地址總線高位，訪存信號可以作為譯碼器的控制端 各存儲芯片的片內(nèi)地址線并聯(lián)，接至CPU地址總線低位 各存儲芯片的讀寫線并聯(lián)，接至CPU的讀寫控制線 各存儲芯片的數(shù)據(jù)線并聯(lián)，接至CPU的數(shù)據(jù)總線,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,1）芯片容量=16K*8，存儲器要求容量64K*8 所需芯片數(shù)量=64K*8/16K*8=4 2）4片芯片的讀寫線WE并聯(lián)接CPU的R/W 4片芯片的數(shù)據(jù)線D0D7并聯(lián)接CPU的D0D7 存儲器總地址線=16，片內(nèi)地址線=14，2根地址線譯碼 4片芯片的片內(nèi)地址線A0A13并聯(lián)接CPU的A0A13 A14A15作為譯碼輸入，4個輸出分別接4片芯片的片選端CS，譯碼器的低電平控制端接CPU的MREQ,例：用16K*8的靜態(tài)RAM的芯片構(gòu)成64K*8的存儲器，畫出芯片連接圖。（CPU訪問存儲器請求信號為MREQ，讀寫控制信號為R/W，數(shù)據(jù)線和地址線從低位開始分配，芯片的片選和讀寫控制信號同2114）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,字?jǐn)U展示意圖（16K*864K*8）,A0 A13,D7 D0,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,對存儲器從0開始進(jìn)行連續(xù)編址 片內(nèi)地址14位，即說明每個芯片內(nèi)部地址偏移量從0000H3FFFH,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 字和位同時擴(kuò)展（M1*N1M2*N2）,芯片的存儲位數(shù)和容量均不滿足存儲器的要求 字和位同時擴(kuò)展的連接方式 所有芯片的片內(nèi)地址線并聯(lián)、讀/寫控制線并聯(lián)，連接到CPU地址低位和讀寫控制線。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,同一地址區(qū)域內(nèi)（位擴(kuò)展）的芯片，片選信號并聯(lián)，接譯碼器的同一輸出端；不同地址區(qū)域內(nèi)（字?jǐn)U展）的芯片，片選信號分別接到譯碼器的不同輸出端。 同一地址區(qū)域內(nèi)（位擴(kuò)展）的芯片，數(shù)據(jù)線單獨(dú)列出，接數(shù)據(jù)總線的對應(yīng)位；不同地址區(qū)域內(nèi)（字?jǐn)U展）的芯片，數(shù)據(jù)線并接，接數(shù)據(jù)總線。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,例：用2114芯片組成2K8位存儲器 1）2114容量1K*4，存儲器要求容量2K*8 所需芯片數(shù)量=2K*8/1K*4=4 2）4片芯片分成2組，每組內(nèi)2片位擴(kuò)展，2組間字?jǐn)U展 2組組內(nèi)2片2114的讀寫線WE并聯(lián)接CPU的R/W、片選線CS并聯(lián)接*、片內(nèi)10根地址線并聯(lián)接CPU的A0A9、1片2114的4位輸出接CPU的D0D3，另1片接D4D7 2組組間數(shù)據(jù)線、讀寫線、片內(nèi)地址線：位擴(kuò)展時已經(jīng)接好 存儲器總地址線=11，片內(nèi)地址線=10，1根地址線譯碼（2個與非門） A10分2路，一路接與非門輸入，另一路經(jīng)非門后接另一個與非門輸入，MREQ作為2個與非門的第二個輸入，2個與非門的輸出分別接2組的片選線CS,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,A0A9,D7D4,D3D0,字位同時擴(kuò)展示意圖（1K*4 2K*8）,0,1,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,例1:用256K*1位的存儲器芯片構(gòu)成16MB的存儲器(存儲器按字節(jié)編址)，則共需選_塊芯片。在這些芯片中，其中_塊芯片的A1地址線應(yīng)對應(yīng)地接在一起；_塊芯片的讀寫控制線應(yīng)接在一起；每_塊芯片的片選信號線應(yīng)接在一起；每_塊芯片的數(shù)據(jù)輸入線DIN應(yīng)接在一起。該存儲器地址總線至少_位，其中_位用于片選尋址，_位用于片內(nèi)尋址。若存儲器按芯片容量劃分若干個地址區(qū)域且從0連續(xù)編址，則第一個地址區(qū)域的最后一個地址為_H，最后一個地址區(qū)域的第一個地址為_H。該存儲器應(yīng)選擇具有_個輸入_個輸出的譯碼器用于片選，一個輸出端控制_塊芯片的_信號。,512,512,512,8,64,24,6,18,03FFFF,FC0000,6,64,8,片選,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,例2：某微機(jī)系統(tǒng)有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，地址空間安排為：16K系統(tǒng)程序存儲區(qū)，用ROM芯片，安排在地址最低區(qū)；接著留出16K的設(shè)備地址空間；其后的32K作為用戶程序區(qū)，采用RAM芯片。給定芯片如下，請畫出連線圖，給出各存儲區(qū)的地址范圍。,ROM,D7D0,A13,A0,RAM,D7D0,A13,A0,讀引腳,讀引腳,寫引腳,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,容量及芯片數(shù)分析,ROM芯片14根地址線，8根數(shù)據(jù)線 ROM區(qū)大小16KB， RAM芯片14根地址線，8根數(shù)據(jù)線 RAM區(qū)大小32KB，, 214*8=16K*8, 214*8=16K*8,需1片16K8位ROM芯片,需2片16K8位RAM芯片,地址分配,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,ROM,A13A0,RAM,D7D0,A15,A14,RAM,G 2-4譯碼器,1,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,多種數(shù)據(jù)位輸出的組織問題,1. 多種輸出輸出8位、16位、32位等。 2. 芯片與片選控制信號的安排 CPU增加控制信號，控制不同數(shù)據(jù)的輸出,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,交叉編址內(nèi)存1M/字節(jié)編址,00000H,00001H,00002H,00003H,FFFFEH,FFFFFH,偶存儲體,奇存儲體,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,整數(shù)邊界（1）,機(jī)器字長8位,機(jī)器字長16位,機(jī)器字長16位,未遵循整數(shù)邊界的要求,整數(shù)邊界,存儲一個8位、16位、32位數(shù)據(jù)為例,信息在主存中的地址必須是信息寬度（字節(jié)）的整數(shù)倍。 8位地址=XXX，16位地址=XX0,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,整數(shù)邊界（2）,機(jī)器字長32位,未遵循整數(shù)邊界的要求,整數(shù)邊界,8位地址=XXX 16位地址=XX0 32位地址=XX00,使得大部分?jǐn)?shù)據(jù)的存取只用一個存儲周期完成，需要浪費(fèi)一定的存儲空間。（以空間換時間的措施）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,思考題,請用2K8bit的SRAM設(shè)計一個8K32bit的存儲器，并畫出存儲器與CPU的連接原理圖。 要求：當(dāng)B1B0=00時訪問32位數(shù)據(jù)； 當(dāng)B1B0=01時訪問16位數(shù)據(jù)； 當(dāng)B1B0=10時訪問8位數(shù)據(jù)。 注意整數(shù)邊界地址的安排,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,4.3 輔助存儲器,磁表面存儲器磁盤、磁帶 光存儲器光盤 磁表面存儲器的基本原理 1）記錄介質(zhì)磁層 把磁性材料涂在載體的表面，形成厚度為0.3 5m的磁層 2）基本原理電磁轉(zhuǎn)換 在不同方向的磁場作用下，磁性材料形成的兩種穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)將信息記錄在磁層上。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,3）讀寫元件磁頭 由鐵氧化體或坡莫合金等高導(dǎo)磁率的材料制成的電磁鐵，磁頭上繞有讀寫線圈，可以通過不同方向的電流。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,磁表面存儲器的讀寫過程 通過磁頭與磁層相對運(yùn)動進(jìn)行。由磁頭縫隙對準(zhǔn)運(yùn)動的磁層進(jìn)行讀/寫操作。 1）寫操作,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,寫入100100,電流,磁化位 方向,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,2）讀操作E=N /t 在磁層和磁頭的相對移動中，磁化單元經(jīng)過磁頭縫隙發(fā)生磁通變化，在讀磁頭線圈中產(chǎn)生不同方向的感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢經(jīng)讀出放大電路放大和整形，在選通脈沖的選通下，讀出原信息。,3. 磁記錄方式,根據(jù)所要記錄的信息，形成不同寫入電流的方式 1） 歸零制（RZ） 寫“1”，則加正向脈沖，寫“0”，則加負(fù)向脈沖。 每寫完一位信息，電流歸零。,數(shù)據(jù)序列,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,2）非歸零制（NRZ） 寫“1”，則加正向脈沖；寫“0”，則加負(fù)向脈沖。 寫完一位信息后，電流不歸零。,數(shù)據(jù)序列,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,3）非歸零-1制（NRZ-1）見1就翻法 寫“1” ，則寫入電流改變一次方向; 寫“0” ，則寫入電流方向維持不變。,數(shù)據(jù)序列,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,4）調(diào)相制（PM） 寫“1”，則在一個寫周期中間使電流從正變負(fù)(或相反)； 寫“0”，則在一個寫周期中間使電流從負(fù)變正(或相反)。 連續(xù)寫多個“0”或多個“1”，則在兩個位周期交界處寫入電流改變一次方向。,數(shù)據(jù)序列,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,5）調(diào)頻制（FM） 寫“1”，則在寫周期中間使電流改變一次方向； 寫“0”，則寫周期中間電流方向不變。 不論寫“0”、寫 “1”，在兩個位周期交界處寫入電流總要改變一次方向。,數(shù)據(jù)序列,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,6）改進(jìn)調(diào)頻制（MFM） 寫“1”，則在寫周期中間使電流改變一次方向; 寫“0”，則寫周期中間電流方向不變。 連續(xù)寫多個“0”，則在兩個“0”的位周期交界處寫入電流改變一次方向。,數(shù)據(jù)序列,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,數(shù)據(jù)序列,結(jié)論：寫入線圈上的電流取決于磁記錄方式和所要記錄的信息。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,一個磁頭運(yùn)動尋道，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。環(huán)境要求不高。,4. 磁盤存儲器,磁頭固定，每磁道一個磁頭，環(huán)境要求高，沒有磁頭運(yùn)動，速度快。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,2）磁盤存儲器的組成及邏輯結(jié)構(gòu),主 機(jī),盤 片,磁盤控制器,磁盤驅(qū)動器,用于控制磁頭與盤片的運(yùn)動及讀寫。,接收主機(jī)發(fā)出的命令和數(shù)據(jù) ，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動器的控制命令和要求的數(shù)據(jù)格式,存儲信息的介質(zhì),南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 磁盤控制器,主機(jī)總線插槽中的一塊印刷電路板。 磁盤控制器上的接口 系統(tǒng)級接口與主機(jī)的接口，控制外存與主機(jī)總線之間交換數(shù)據(jù)。 設(shè)備級接口與設(shè)備的接口，根據(jù)主機(jī)命令控制設(shè)備的操作。 一個控制器可以控制一臺或多臺驅(qū)動器,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 磁盤驅(qū)動器,磁盤讀寫時，1）由磁頭定位部件作徑向運(yùn)動尋找磁道； 2）旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動部件使盤組旋轉(zhuǎn)尋找扇區(qū)； 3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制讀寫。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動部件 包括主軸電機(jī)和有關(guān)控制電路，其作用是安裝盤片，并驅(qū)動它們以額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。 磁頭定位部件 由驅(qū)動部件、傳動部件、運(yùn)載部件（小車）組成。驅(qū)動磁頭沿盤面徑向位置運(yùn)動尋找目標(biāo)磁道的位置。 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 包括磁頭、磁頭選擇電路、讀寫電路以及索引、區(qū)標(biāo)電路等。其作用是控制數(shù)據(jù)的寫入和讀出。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 磁盤信息記錄格式及其讀寫,活動頭磁盤結(jié)構(gòu),南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,盤片結(jié)構(gòu),0號記錄面 1號記錄面 最上和最下的記錄面不用 8號記錄面 9號記錄面,可以連續(xù)編號，也可以間隔編號,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,柱面（圓柱面） n個盤面上位于同一半徑的磁道形成的圓柱面。 磁盤組的圓柱面數(shù)等于盤面的磁道數(shù)。 在讀/寫過程中，各個盤面的磁頭總是處于同一個圓柱面上。存取信息時可按圓柱面順序地進(jìn)行操作。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,活動頭磁盤組磁盤地址,某盤片組有8個記錄面，每個盤面256條磁道，8個扇區(qū) 若主機(jī)要訪問第5個記錄面，第65條磁道，第7個扇區(qū)的信息 則主機(jī)應(yīng)向磁盤控制器提供的地址信息為：,0100000l 101 111,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,扇段的記錄格式,每個扇段記錄定長數(shù)據(jù)，讀/寫操作以扇段為單位一位一位串行進(jìn)行。每個扇段記錄一個記錄塊。 一個扇段的記錄格式,本扇區(qū)的地址，并可作為磁盤控制器的同步定時信號,一般采用循環(huán)校驗碼,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 磁盤存儲器的主要技術(shù)指標(biāo),存儲容量C 所有盤片能記錄的二進(jìn)制信息的最大數(shù)量，一般以字節(jié)為單位。 格式化容量按照特定記錄格式所存儲的可使用的信息總量。 非格式化容量記錄面可以利用的磁化單元總數(shù)。,若磁盤組有n個盤面，每面T條磁道，每條磁道S個扇段，每段B個字節(jié)，則格式化存儲容量C = nTSB,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,平均尋址時間（平均存取時間） 平均尋址時間=平均磁道定位時間+平均旋轉(zhuǎn)等待時間,由磁頭定位部件把磁頭移到相應(yīng)磁道上所需的時間。 取決于磁頭的起始位置與所要求磁道間的距離。 平均磁道定位時間為最大和最小定位時間的平均值。,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部件尋找扇區(qū)的時間，也稱旋轉(zhuǎn)延遲。 旋轉(zhuǎn)等待時間的平均值為磁盤旋轉(zhuǎn)半圈的時間。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,存儲密度 位密度線密度 沿磁道方向單位長度所能存儲的二進(jìn)制位數(shù)。單位是位/英寸(bpi)。 道密度 沿磁盤徑向單位長度所包含的磁道數(shù)，單位是道/英寸(tpi)或道/毫米(tpm)。 面密度 位密度與道密度的乘積。單位為位/平方英寸,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,數(shù)據(jù)傳輸率 Dr 單位時間內(nèi)所能傳送的數(shù)據(jù)量。單位為字節(jié)/秒(B/s) 。 設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為n轉(zhuǎn)/秒，每條磁道容量為N個字節(jié)，則 DrnN (B/秒)。 設(shè)D為位密度，v為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度，則 DrDv (B/秒) 誤碼率 出錯信息和讀出總信息位數(shù)之比。 價格 通常采用位價格來比較各種存儲器。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,5. 廉價/獨(dú)立冗余磁盤陣列（RAID）,把多塊獨(dú)立的硬盤（物理硬盤）按不同的方式組合起來形成一個硬盤組（邏輯硬盤）。 最大的優(yōu)點(diǎn)在于提高傳輸速率和容錯功能。 組成磁盤陣列的不同方式稱為RAID級別（RAID Levels）。,數(shù)據(jù)分成數(shù)據(jù)塊保存在N個不同驅(qū)動器上，所以數(shù)據(jù)吞吐率大大提高，驅(qū)動器的負(fù)載也比較平衡。容量是單個硬盤的N倍。 任一塊硬盤故障，整個系統(tǒng)都被破壞，可靠性是一塊硬盤的1/N。信息無冗余，也無校驗。,RAID0（無冗余）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,RAID1（磁盤鏡像）,運(yùn)用磁盤映射，把磁盤陣列中的硬盤分成相同的兩組，互為鏡像。 當(dāng)任一磁盤出現(xiàn)故障時，可以利用其鏡像上的數(shù)據(jù)恢復(fù)，從而提高系統(tǒng)的容錯能力。 實際容量為兩塊硬盤容量之和的一半，冗余度50%，存儲成本較為昂貴。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,RAID3（位交錯奇偶校驗）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,RAID5（塊級分布奇偶校驗）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,6. 光盤存儲器,利用光學(xué)方式讀寫信息的圓盤 光盤的優(yōu)點(diǎn) 記錄密度高 光盤的缺點(diǎn) 存取時間長，數(shù)據(jù)傳輸率低,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,1）光盤的分類,只讀型光盤（Read Only） 以高成本制作出的母盤大批重復(fù)壓制，使光盤發(fā)生永久性物理變化出來的光盤。記錄的信息只能讀出，不能被修改。 典型產(chǎn)品 影碟LD、數(shù)字唱盤CD-DA、小影碟VCD、數(shù)字視盤DVD、 CD-ROM。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,一次型光盤（CD-R） 用戶可在光盤上寫入信息，寫入信息會使介質(zhì)的物理特性發(fā)生永久性變化，只能寫一次，且信息不能再改變。寫后可以直接讀出。 典型產(chǎn)品 CD-R光盤。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,可擦寫型光盤（CD-RW/Rewriteable） 可進(jìn)行隨機(jī)寫入、擦除或重寫。介質(zhì)發(fā)生的物理特性改變都是可逆變化，因此是可重寫的。 典型產(chǎn)品 MO：磁光盤。利用熱磁效應(yīng)寫入數(shù)據(jù)（不同的磁化方向表示數(shù)字 0和1），利用磁光科爾效應(yīng)讀出數(shù)據(jù)（反射光的偏振面左旋或右旋檢測數(shù)據(jù)1和0）。 PC：相變盤。利用相變材料的晶態(tài)和非晶態(tài)來寫入數(shù)據(jù)，利用激光掃描反射光強(qiáng)弱的變化讀出數(shù)據(jù)。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,2）只讀光盤存儲器的工作原理,0001010010010101001010,利用激光在記錄介質(zhì)上形成凹坑寫入信息，利用激光照射在光盤上反射能力強(qiáng)弱讀信息。 1位信息寬度為0.3m，凹坑或凸區(qū)的長度是0.3m的整數(shù)倍。凹凸交界的正負(fù)跳變代表數(shù)字1，其他都代表數(shù)字0。0的個數(shù)是由凹/凸區(qū)的長度決定。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,3）光盤存儲器的技術(shù)指標(biāo),數(shù)據(jù)傳輸率 存儲容量 平均存取時間,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,4.4 高速緩沖存儲器(Cache),Cache是位于主存與CPU之間的用于解決CPU與主存速度不匹配的高速小容量存儲器。主要用來存放程序中當(dāng)前最活躍的程序和數(shù)據(jù)。 集成在CPU芯片中的Cache，稱為一級Cache(L1 Cache)；位于主存與CPU之間的Cache則稱為二級Cache(L2 Cache)。,CPU,主存 （動態(tài)RAM）,高速緩存 （靜態(tài)RAM）,當(dāng)CPU需要時直接從Cache中取得，從速度上看，接近Cache；從容量和價格上來，接近主存。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,1. 程序訪問的局部性原理,程序訪問的局部性原理 CPU在一定時間內(nèi)，只是對主存的局部地址區(qū)域進(jìn)行訪問。,例：訪問序列為 指令1指令2數(shù)據(jù)2指令1指令3數(shù)據(jù)1,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,2. Cache的工作原理,將主存和Cache劃分成同樣大小的塊,CPU要訪問的信息已在Cache命中 CPU要訪問的信息不在Cache不命中,Cache替換,0 3,4,通過地址映射將主存塊調(diào)入Cache,通過替換策略將Cache中已有塊替換為新的數(shù)據(jù)塊,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,3. Cache的結(jié)構(gòu),1）Cache的結(jié)構(gòu) Cache存儲體調(diào)入主存塊 地址映射變換機(jī)構(gòu)地址映射 Cache替換機(jī)構(gòu)Cache替換,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,1）Cache存儲體,存放主存字地址或與主存字地址相關(guān)的某種標(biāo)記 用于判別當(dāng)前Cache是否命中,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,2）地址映射,直接映射（固定的映射） 全相聯(lián)映射（靈活性很大的映射） 組相聯(lián)映射（的折中）,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 直接映射,Cache容量=2C塊，主存為2m塊 將主存和Cache分別從0進(jìn)行編號 若主存第i 塊映射到Cache第j 塊，則 j = i mod 2C,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,直接映射下的主存地址,例：若主存地址=20位，Cache地址=12位，字塊大小為8個字 Cache塊地址= ？位 主存標(biāo)記= ？位,9 位,8 位,一個字塊包含若干字,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,直接映射的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 實現(xiàn)簡單，映射速度快 缺點(diǎn) 不靈活，塊沖突高，存儲空間得不到充分利用, 全相聯(lián)映射,0,1,2c-1,主存塊可以映射到Cache的任意一個空閑塊,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,全相聯(lián)映射下的主存地址,例：若主存地址=20位，Cache地址=12位，字塊大小為8個字 主存標(biāo)記= ？位,17 位,通常為主存字地址,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,全相聯(lián)映射的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 映射靈活，塊沖突低，存儲空間可充分利用 缺點(diǎn) 實現(xiàn)復(fù)雜，映射速度慢,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳, 組相聯(lián)映射二路組相聯(lián),組,0,1,2c-1-1,Cache,主存儲器,共 2C-1 組，每組內(nèi)兩塊,某一主存塊 i 按模 2C-1 映射到 Cache的第 j 組直接映射 中的任一塊全相聯(lián)映射,j = j mod 2C-1,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,組相聯(lián)映射下的主存地址,例：若主存地址=20位，Cache地址=12位，字塊大小為8個字，二路組相聯(lián) Cache組地址= ？位 主存標(biāo)記= ？位,8 位,9 位,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,3）替換策略,先進(jìn)先出（FIFO） 哪個主存塊先調(diào)進(jìn)來的就先調(diào)哪個出去 不考慮塊的使用，會造成替換頻繁,例：主存塊3不在Cache中，若Cache中現(xiàn)有可替換的塊有主存的塊0，1，2，且0、1、2按序先后調(diào)入，CPU剛訪問過塊0，將要訪問主存塊3和塊0。則在訪問主存塊3時，在Cache中應(yīng)替換塊 ，在訪問塊0時，又替換塊 。,0,1,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,例：主存塊3不在Cache中，若Cache中現(xiàn)有可替換的塊有主存的塊0，1，2，且0、1、2按序先后調(diào)入，CPU剛訪問過塊0，將要訪問主存塊3和塊0。則在訪問主存塊3時，在Cache中應(yīng)替換塊 ，,最近最少使用（LRU） 近期哪個主存塊用到的次數(shù)最少就調(diào)哪個出去 考慮到塊的使用，減少Cache的替換次數(shù),1,在訪問塊0時，不發(fā)生替換。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,4. Cache的讀寫,1）Cache的讀操作 如果Cache命中，就直接從Cache中讀取信息。 如果Cache不命中，則訪問主存，傳輸CPU所需數(shù)據(jù)，同時將該數(shù)據(jù)所在的主存塊調(diào)入Cache。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,2）Cache的寫操作,如果Cache不命中，就直接把信息寫入主存，而與Cache無關(guān)。 如果Cache命中，如何保持Cache與主存中的內(nèi)容一致呢？ 寫直達(dá)法：即同時寫入主存和高速存儲器。 寫回法：只寫入Cache并設(shè)修改標(biāo)記。當(dāng)該塊Cache需淘汰再將內(nèi)容寫回主存。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,Cache讀寫例題,CPU執(zhí)行一段程序時，Cache完成的存取次數(shù)為5000次，主存完成的存取次數(shù)為200次（當(dāng)Cache不命中時才啟動主存）。已知Cache的存取周期Tc=40ns，主存存取周期Tm=160ns，求Cache的命中率，平均訪問時間和系統(tǒng)訪問效率。,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,1）Cache的命中率H 2）平均訪問時間TA 3）系統(tǒng)的訪問效率E,H=Nc/（Nc+Nm）= 5000/520096.2%,TA=Tc+（1-H）*Tm = 40+（1-0.96）*160=46.4,E=Tc/TA = 40/46.4 86.2%,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,Cache的容量與命中率的關(guān)系,南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,4.5 并行存儲系統(tǒng),解決CPU和主存間速度、容量匹配問題的方法 高速緩沖存儲器 雙端口存儲器 并行主存系統(tǒng) 虛擬存儲技術(shù),南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計算機(jī)系 陳琳琳,1. 雙端口存儲器,單端口存儲器 每次接收一個地址，訪問一個編址單元，存取一個字節(jié)或一