計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)(雷建軍)5)

1、計(jì)算機(jī)組成原理第五章第五章 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器重慶郵電大學(xué)15.1 概述5.1.15.1.1存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類1按存儲(chǔ)介質(zhì)分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(主存)磁表面存儲(chǔ)器（機(jī)內(nèi)輔存）光存儲(chǔ)器（機(jī)外輔存）2按信息的保存時(shí)間分類易失性存儲(chǔ)器非易失性存儲(chǔ)器3按存取方式分類隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM ROM)順序存取存儲(chǔ)器(磁帶、光盤)直接存取存儲(chǔ)器（磁盤）聯(lián)想存取存儲(chǔ)器（按內(nèi)容訪問，CACHE）4按在計(jì)算機(jī)中的作用分類寄存器Cache（高速緩沖存儲(chǔ)器）主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器2 5.1.2 5.1.2 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)速度、容量和價(jià)格速度、容量和價(jià)格3 1.主輔存兩級(jí)層次2. Cache 主存兩級(jí)層次4 3

2、. Cache、 主存和輔存三級(jí)層次55.2 主存儲(chǔ)器5.2.15.2.1主存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)1 1、存儲(chǔ)器的基本組成、存儲(chǔ)器的基本組成6 （1）存儲(chǔ)矩陣位元：構(gòu)成存儲(chǔ)器的基本單位，它能存放一位二進(jìn)制信息。存儲(chǔ)元：一個(gè)存儲(chǔ)元包含1位、4位或者8位的位元。存儲(chǔ)單元：由若干個(gè)存儲(chǔ)元組成一個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)體：由許多存儲(chǔ)單元組成一個(gè)存儲(chǔ)體。存儲(chǔ)元通常排列成矩陣形式，如3232，由行選、列選線選中所需的單元。（2）地址譯碼驅(qū)動(dòng)線路 作用就是將地址總線送來的地址碼送至地址寄存器，然后由譯碼驅(qū)動(dòng)線路翻譯成對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以便從存儲(chǔ)體中選中指定的存儲(chǔ)單元。（3）讀寫控制存儲(chǔ)器有自己的工

3、作時(shí)序，但必須在CPU的控制下進(jìn)行；控制線路接收來自CPU的啟動(dòng)、讀、寫等命令，經(jīng)過處理與加工產(chǎn)生一組時(shí)序信號(hào)來控制存儲(chǔ)器各部分進(jìn)行讀寫操作。7 2 2、存儲(chǔ)器的基本操作、存儲(chǔ)器的基本操作8 讀操作：是將CPU送來的地址送地址寄存器（MAR），通過譯碼，選擇存儲(chǔ)體中與地址相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元，從中讀出信息，放大后送數(shù)據(jù)寄存器(MBR)，然后根據(jù)需要經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到存儲(chǔ)器以外的其它部件去，而存儲(chǔ)單元的內(nèi)容不能被破壞。具體操作過程如下：1）MAR EA；2）MBR (MAR) ；3）R MBR。9 寫操作：它與讀操作相反，是將需要存儲(chǔ)的信息送到數(shù)據(jù)寄存器，然后將它寫入根據(jù)地址譯碼選中的存儲(chǔ)單元。具體操作

4、過程如下：1）MAR EA；2）MBR R；3） (MAR) MBR 。 10 5.2.25.2.2主存的技術(shù)指標(biāo)主存的技術(shù)指標(biāo) （1） 存儲(chǔ)容量 字節(jié)：為了存儲(chǔ)ASCII碼，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中通常把8位二級(jí)制定義為一個(gè)字節(jié)。字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)一次可以處理的二級(jí)制位數(shù)，通常為8的倍數(shù)，（數(shù)據(jù)總線的寬度）存儲(chǔ)空間： 計(jì)算機(jī)可以尋址的空間大小，由CPU的地址總線寬度決定。存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量：系統(tǒng)中實(shí)際包含的以字節(jié)為單位的主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的總數(shù)。11 （2）存儲(chǔ)速度存取時(shí)間(訪問時(shí)間 Memory Access Time）：指啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所需的全部時(shí)間。讀出時(shí)間：存儲(chǔ)器收到有效地址到產(chǎn)生有效的數(shù)

5、據(jù)輸出所需時(shí)間。寫入時(shí)間：存儲(chǔ)器收到有效地址到數(shù)據(jù)寫入被選單元所需時(shí)間。存取周期：進(jìn)行連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作所需的最小間隔時(shí)間。(大于存取時(shí)間)存儲(chǔ)器帶寬：每秒從存儲(chǔ)器進(jìn)出信息的最大數(shù)量，決定了以存儲(chǔ)器為中心的機(jī)器可以獲得的最大信息傳輸速率。提高存儲(chǔ)器的帶寬所可以采用的措施有： 縮短存取周期； 增加存儲(chǔ)字長(zhǎng)，使每個(gè)周期訪問更多的二進(jìn)制位； 增加存儲(chǔ)體，使多個(gè)存儲(chǔ)體并行工作。 12 5.2.3 5.2.3 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器接口的基本技術(shù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器接口的基本技術(shù)1 1、半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片封裝、半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片封裝存儲(chǔ)體、地址譯碼、讀寫和內(nèi)部時(shí)序電路存儲(chǔ)體、地址譯碼、讀寫和內(nèi)部時(shí)序電路2K2K* *8 S

6、RAM8 SRAM13 2 2、存儲(chǔ)器與、存儲(chǔ)器與CPUCPU的連接的連接存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器與CPUCPU的連接包括的連接包括地址線地址線、數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線和和控制線控制線的連的連接。接。（1 1） 地址線的連接地址線的連接低位地址線相連，高位地址用作存儲(chǔ)器擴(kuò)展低位地址線相連，高位地址用作存儲(chǔ)器擴(kuò)展（2 2） 數(shù)據(jù)線的連接數(shù)據(jù)線的連接數(shù)據(jù)線的數(shù)量和存儲(chǔ)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)系（數(shù)據(jù)線的數(shù)量和存儲(chǔ)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)系（4K 4K * * 1 1位）位）（3 3） 讀讀/ /寫命令線的連接寫命令線的連接讀寫命令線直接和讀寫命令線直接和CPUCPU讀寫命令相連讀寫命令相連（4 4） 片選信號(hào)線的連接片選信號(hào)線的

7、連接一般通過一般通過譯碼電路譯碼電路來完成連接（完全譯碼和部分譯碼）來完成連接（完全譯碼和部分譯碼）（5 5）合理的芯片選擇）合理的芯片選擇和和RAMRAM的配合及其選擇的配合及其選擇14 3 3、存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展、存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展1 1）位擴(kuò)展：）位擴(kuò)展：芯片的容量與主存的容量相同，而位數(shù)不足時(shí)，就要對(duì)芯片的容量與主存的容量相同，而位數(shù)不足時(shí)，就要對(duì)位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。 例例1 1 假定使用假定使用1K1K4 4位位21142114存儲(chǔ)芯片，組成一個(gè)存儲(chǔ)芯片，組成一個(gè)1K1K8 8位的存儲(chǔ)器。位的存儲(chǔ)器。15 （2）字?jǐn)U展芯片字長(zhǎng)與系統(tǒng)字長(zhǎng)相同而容量不足時(shí)。例2 假設(shè)使用1K8位的芯片，

8、組成一個(gè)8K8位的存儲(chǔ)器。16 （3）字、位同時(shí)擴(kuò)展存儲(chǔ)器芯片規(guī)格m*n,組成容量為M，字長(zhǎng)為N的存儲(chǔ)器，則需要芯片總數(shù)為(M/m)*(N/n)個(gè)芯片。例3用1K4的2114芯片組成2K8的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。17 18 5.2.4 5.2.4 高級(jí)高級(jí)DRAMDRAM技術(shù)技術(shù)EDRAM (Enhanced DRAM)EDRAM (Enhanced DRAM)：集成高速Cache SDRAM (SDRAM (Synchronous DRAM)：CPU 和DRAM通過一個(gè)相同的時(shí)鐘鎖在一起采用新的雙存儲(chǔ)體結(jié)構(gòu)支持猝發(fā)模式（x-y-y-y，尋址1個(gè)地址，同時(shí)訪問后3個(gè)地址,如5-1-1-1） DDR SD

9、RAMDDR SDRAM（Double Data Rate SDRAMDouble Data Rate SDRAM）： 使用了更先進(jìn)的同步電路在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)（上升沿和下降沿）2007年開始，DDR3傳輸速率2.1Gb/s，和DDR2不兼容RDRAMRDRAM（Rambus DRAMRambus DRAM）： 采用串行數(shù)據(jù)傳輸模式；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位寬16位（DDR64位）頻率卻能很高，達(dá)到400Mhz甚至更高（帶寬1.6GB/s）Intel的大力支持，但始終沒有成為主流產(chǎn)品。195.3 輔助存儲(chǔ)器5.3.1 5.3.1 輔助存儲(chǔ)器的種類與技術(shù)指標(biāo)輔助存儲(chǔ)器的種類與技術(shù)指標(biāo)輔助存儲(chǔ)器主要有

10、磁表面存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器兩大類。磁表面存儲(chǔ)器是將磁性材料沉積在盤片(或帶)的基體上形成記錄介質(zhì)，并以繞有線圈的磁頭與記錄介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來寫入或讀出信息。數(shù)字式：硬盤、軟盤和磁帶模擬式：錄音盒、錄像設(shè)備光存儲(chǔ)器利用激光束在具有感光特性的表面上存儲(chǔ)信息。20 輔助存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)是存儲(chǔ)密度、存儲(chǔ)容量和尋址時(shí)間等。（1） 存儲(chǔ)密度單位長(zhǎng)度或者單位面積磁表面所存儲(chǔ)的二級(jí)制信息量磁盤：道密度和位密度（面密度）磁帶：位密度（2）存儲(chǔ)容量磁表面存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二級(jí)制信息總量（字節(jié)）格式化容量是按照某種特定的記錄格式所能存儲(chǔ)信息的總量。非格式化容量是磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。（3）尋址時(shí)間尋道時(shí)間T

11、s：尋找目標(biāo)磁道所需的時(shí)間等待時(shí)間Tw：磁頭等待所需要讀寫的區(qū)段旋轉(zhuǎn)到它的下方所需的時(shí)間平均尋址時(shí)間 Ta=Tsa+Twa=(Tsa_max+ Tsa_min)/2+ (Twa_max+ Twa_min)/2（4）數(shù)據(jù)傳輸率存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)Dr=n*N (B/s) （磁盤旋轉(zhuǎn)速度n轉(zhuǎn)/秒，磁道容量N字節(jié)）或 Dr=D*v (B/s) （D：位密度，v：磁盤旋轉(zhuǎn)線速度）（5）誤碼率磁表面存儲(chǔ)器出錯(cuò)的概率（6）價(jià)格位價(jià)格：設(shè)備價(jià)格除以容量21 5.3.2 5.3.2 硬磁盤存儲(chǔ)器硬磁盤存儲(chǔ)器記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓形盤片的磁表面存儲(chǔ)器1 1、硬磁盤機(jī)的分類、硬磁盤機(jī)的分類（1 1）

12、可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤機(jī)）可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤機(jī)：特點(diǎn)是一片或一組盤片固定在主軸上，盤片不可更換。盤片每面只有一個(gè)磁頭，存取數(shù)據(jù)時(shí)磁頭沿盤面徑向移動(dòng)。（2 2）固定磁頭磁盤機(jī)：）固定磁頭磁盤機(jī)：特點(diǎn)是磁頭位置固定，磁盤的每一個(gè)磁道需要一個(gè)磁頭，盤片不可更換。優(yōu)點(diǎn)是存取速度快，省去磁頭尋道時(shí)間，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（3 3）可移動(dòng)磁頭可換盤片的磁盤機(jī)：）可移動(dòng)磁頭可換盤片的磁盤機(jī)：盤片可以更換，磁頭可沿盤面徑向移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是盤片可以脫機(jī)保存，同種型號(hào)的盤片具有互換性。（4 4）溫徹斯特磁盤機(jī)（）溫徹斯特磁盤機(jī)（IBM 1973IBM 1973）：可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤存儲(chǔ)器 ，磁頭、盤片和電機(jī)

13、密封成一個(gè)整體更高的數(shù)據(jù)密度防塵性好，可靠性高22 23 2 2、硬磁盤存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)、硬磁盤存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)盤片：存儲(chǔ)介質(zhì) 磁盤驅(qū)動(dòng)器(hard disk drive，簡(jiǎn)稱HDD) ：定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)磁盤控制器(hard disk controller，簡(jiǎn)稱HDC)：接收主機(jī)發(fā)送的命令或數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)器的控制命令和驅(qū)動(dòng)器可以接收的數(shù)據(jù)格式，以控制驅(qū)動(dòng)器的讀寫操作。24 3 3、硬磁盤的磁道記錄格式、硬磁盤的磁道記錄格式在硬盤中信息分布呈以下層次：記錄面：每個(gè)盤片有2個(gè)記錄面（記錄面號(hào)就是磁頭號(hào)）磁道：記錄面上一條條磁道形成的同心圓（0-n）。圓柱面：所有記錄面上相同的磁道號(hào)形

14、成一個(gè)圓柱面扇區(qū)：每條磁道劃分為若干個(gè)段（512B）(1-n)25 磁盤尋址：驅(qū)動(dòng)器號(hào)、圓柱面號(hào)（磁道）、記錄面號(hào)（磁頭）、扇區(qū)號(hào)。信息按照扇區(qū)存放，要進(jìn)行文件的讀寫操作，需要給出文件起始位置所在的驅(qū)動(dòng)器號(hào)、圓柱面號(hào)、記錄面號(hào)、扇區(qū)號(hào)，并給出扇區(qū)數(shù)。扇區(qū)定位和記錄格式每個(gè)扇區(qū)開始時(shí)由磁盤控制器產(chǎn)生一個(gè)扇標(biāo)脈沖。扇標(biāo)脈沖的出現(xiàn)即標(biāo)志一個(gè)扇區(qū)的開始。兩個(gè)扇標(biāo)脈沖之間的一段磁道區(qū)域即為一個(gè)扇區(qū)。每個(gè)記錄塊由頭部空白段、序標(biāo)段、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)字段及尾部空白段組成?？瞻锥斡脕砹舫鲆欢ǖ臅r(shí)間作為磁盤控制器的讀寫準(zhǔn)備時(shí)間；序標(biāo)被用來作為磁盤控制器的同步定時(shí)信號(hào)；序標(biāo)之后即為本扇區(qū)所記錄的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)之后是校驗(yàn)字，

15、它用來校驗(yàn)磁盤讀出的數(shù)據(jù)是否正確。 26 例4磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上最下兩個(gè)面不用，存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分。問：（1）共有多少個(gè)柱面？（2）盤組總存儲(chǔ)容量是多少？（3）數(shù)據(jù)傳輸率是多少？（4）如果某文件長(zhǎng)度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)存儲(chǔ)面上，還是記錄在同一個(gè)柱面上？27 1) 有效存儲(chǔ)區(qū)域=16.5-11=5.5(cm) 道密度=40道/cm 40*5.5=220道，即220個(gè)柱面.2) 內(nèi)層磁道周長(zhǎng)= 2*3.14*11=69.08(cm) 每道信息量=400位/cm*69.08=2

16、7632bit=3454Bytes 每面信息量=3454B*220=759880Bytes 盤組總?cè)萘?759880*10=7598800Bytes3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr=rN=2400/60*3454=13816B/s4) 應(yīng)該記錄在同一個(gè)柱面上。285.3.4 5.3.4 固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制成的硬盤；由控制單元和存儲(chǔ)單元（DRAM或FLASH芯片）兩部分組成。存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；控制單元負(fù)責(zé)讀取、寫入數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：速度快：SSD不需要機(jī)械結(jié)構(gòu)，完全的半導(dǎo)體化，不存在數(shù)據(jù)查找時(shí)間、延遲時(shí)間和磁盤尋道時(shí)間，數(shù)據(jù)存取速度快；耐用防震：SSD全部采用閃存芯片，經(jīng)久耐用，防震抗

17、摔，即使發(fā)生與硬物碰撞，數(shù)據(jù)丟失的可能性較??；無噪音：無機(jī)械部件，使用FLASH閃存芯片，沒有任何噪音，功耗低；重量輕：完全半導(dǎo)體化，無結(jié)構(gòu)限制。使得便攜設(shè)備搭載多塊SSD成為可能。缺點(diǎn)：價(jià)格較為昂貴，存儲(chǔ)容量較小,擦寫次數(shù)受限（Flash 3000次）。29 5.3.5 5.3.5 磁盤陣列存儲(chǔ)器磁盤陣列存儲(chǔ)器(Redundant Array of (Redundant Array of Independent Disk)Independent Disk)RAIDRAID：多個(gè)磁盤上交錯(cuò)存放數(shù)據(jù)，可以并行存取。：多個(gè)磁盤上交錯(cuò)存放數(shù)據(jù)，可以并行存取。特點(diǎn)：（1）RAID是一組物理磁盤驅(qū)動(dòng)器，

18、在操作系統(tǒng)下被視為一個(gè)單一的邏輯驅(qū)動(dòng)器；（2）數(shù)據(jù)分布在一組物理磁盤上，可以并行存取。（3）冗余的磁盤容量用于存儲(chǔ)校驗(yàn)信息，保證磁盤損壞時(shí)能恢復(fù)數(shù)據(jù)。優(yōu)勢(shì)：容量大、速度快、可靠性高、造價(jià)低30 31 (1) RAID0RAID 0 具有最高的存儲(chǔ)性能把連續(xù)的數(shù)據(jù)分散到多個(gè)磁盤上存?。幌到y(tǒng)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求就可以被多個(gè)磁盤并行的執(zhí)行，每個(gè)磁盤執(zhí)行分配給它的那部分?jǐn)?shù)據(jù)請(qǐng)求。這種數(shù)據(jù)上的并行操作可以充分利用總線的帶寬，顯著提高磁盤整體存取性能。 32 (2) RAID1RAID1又稱為Mirror，它的宗旨是最大限度的保證用戶數(shù)據(jù)的可用性和可修復(fù)性。 RAID1的操作方式是把用戶寫入硬盤的數(shù)據(jù)百分之百地自動(dòng)

19、復(fù)制到另外一個(gè)硬盤上，亦稱鏡像盤。33 (3) RAID2 RAID2 同RAID0一樣，將數(shù)據(jù)條塊化分布于不同的硬盤上，條塊單位為位或字節(jié)。RAID2采用海明校驗(yàn)的方式保證數(shù)據(jù)能從錯(cuò)誤中恢復(fù)。 34 (4) RAID3 RAID3的工作原理和RAID2很類似，所不同的是，RAID3采用奇偶校驗(yàn)，只能查錯(cuò)不能糾錯(cuò)。數(shù)據(jù)仍以位或字節(jié)為單位均勻的分布于各盤，奇偶校驗(yàn)信息則單獨(dú)存儲(chǔ)在一臺(tái)專用盤上。如果一塊磁盤失效，奇偶盤及其他數(shù)據(jù)盤可以重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)。 35 (5) RAID4 也稱專用奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取盤陣列。即數(shù)據(jù)以塊（塊大小可變）交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗(yàn)信息存在一臺(tái)專用盤上。RAID4和

20、RAID3很類似，不同的是，它的條帶化的單位是數(shù)據(jù)塊，而RAID3是位或字節(jié)。36 (6) RAID5 也稱塊交叉分布式奇偶校驗(yàn)盤陣列，即數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，但無專用的校驗(yàn)盤。它是把冗余的奇偶校驗(yàn)信息均勻地分布在所有磁盤上，這是RAID5與RAID4最大的區(qū)別。這樣帶來的好處是，多個(gè)對(duì)磁盤的訪問可以并行執(zhí)行，能提高訪問速度。37 (7) RAID6RAID6是對(duì)RAID5的擴(kuò)展，比RAID5 有更好的糾錯(cuò)能力。和RAID 5一樣，數(shù)據(jù)以塊為單位，條帶化的分布于各盤，冗余的檢、糾錯(cuò)信息均勻地分布在所有磁盤上。所不同的是，它的校驗(yàn)信息包含兩種，除了對(duì)每個(gè)字節(jié)的奇偶校驗(yàn)信息外，還有對(duì)每個(gè)塊的

21、奇偶校驗(yàn)信息。38 (8) RAID7 是采用Cache和異步技術(shù)的RAID6，使響應(yīng)速度和傳輸速率有了較大提高。RAID7所有的I/O傳送均是同步進(jìn)行的，可以分別控制，提高了系統(tǒng)的并行性；每個(gè)磁盤都帶有高速緩沖存儲(chǔ)器，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；可以對(duì)校驗(yàn)區(qū)指定獨(dú)立的傳送信道以提高效率。RAID7 缺點(diǎn)系統(tǒng)斷電，在高速緩沖存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)就會(huì)全部丟失，因此需要和UPS一起工作。39 5.3.4 5.3.4 光盤存儲(chǔ)器光盤存儲(chǔ)器光盤(optical disk)指的是利用光學(xué)方式進(jìn)行讀寫信息的圓盤。采用非磁性介質(zhì)進(jìn)行光存儲(chǔ)的技術(shù)稱為第一代光存儲(chǔ)技術(shù)，其缺點(diǎn)是不能擦寫。磁光存儲(chǔ)技術(shù)是在光存儲(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起

22、來的，稱為第二代光存儲(chǔ)技術(shù)，其主要特點(diǎn)是可擦寫。40 1.CD-ROM光盤只讀型光盤，又稱固定型光盤。由生產(chǎn)廠家預(yù)先寫入數(shù)據(jù)和程序，使用時(shí)用戶只能讀出，不能修改或?qū)懭胄聝?nèi)容。光盤上有一條從內(nèi)向外連續(xù)的螺旋形路徑，稱為光道。（恒定的線速度讀取數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜）數(shù)據(jù)和程序都是以刻痕的形式保存在由凹痕和平坦表面相互交替而組成的光道上。當(dāng)一束激光照射在盤面上，根據(jù)盤面上不同表面的不同反射率來讀出程序和數(shù)據(jù)。 41 2.CD-R光盤采用WORM（Write-Only-Read-More）標(biāo)準(zhǔn)，光盤可由用戶寫入信息，寫入后可以多次讀出；但只能寫入一次，所以稱為只寫一次型光盤。寫入是利用聚焦成1m左右的激光束

23、的熱能，使記錄介質(zhì)表面的形狀發(fā)生永久性變化而完成的，所以之后不能抹除和改寫。 42 3.CD-RW光盤可以寫入、擦除和重寫的可逆性記錄系統(tǒng)。這種光盤類似于磁盤，可重復(fù)讀寫。利用激光照射引起記錄介質(zhì)的可逆性物理變化來進(jìn)行讀寫的，光盤上有一個(gè)能夠變換相位的可刻錄層，CD-RW光盤又稱為相變光盤。 43 4.DVD-ROM光盤DVD代表通用數(shù)字光盤，簡(jiǎn)稱高容量CD。單面盤容量可達(dá)4.7GB（單層）到8.5GB（雙層）任何DVD-ROM光驅(qū)都是CD-ROM光驅(qū)，即這類光驅(qū)既能讀取CD光盤，也能讀取DVD光盤。DVD除了密度較高以外（采用波長(zhǎng)更短的激光束讀取數(shù)據(jù)），其他技術(shù)與CD-ROM完全相同。445

24、.藍(lán)光光盤由索尼及松下電器等企業(yè)組成的藍(lán)光光盤聯(lián)盟（Blu-ray Disc Association）策劃的光盤規(guī)格，于2006年開始全面推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品。藍(lán)光光盤采用波長(zhǎng)405納米的藍(lán)色激光光束來進(jìn)行讀寫操作（DVD650納米- 紅色，CD780納米-紅外)單面盤容量可達(dá)25GB（單層）到50GB（雙層）單倍速率為4.5MB/s，支持1X-12X的記錄速度容量大的原因：藍(lán)色激光可以讀寫一個(gè)只有200nm的點(diǎn)，紅色激光只能讀寫350nm的點(diǎn)；光道間距減小至0.32m，僅僅是當(dāng)前紅光DVD盤片的一半；凹痕的最小直徑是0.15m，也遠(yuǎn)比紅光DVD盤片的0.4m小得多。45 5.3.6 5.3.6 磁帶

25、存儲(chǔ)器磁帶存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)中多采用1/2英寸和 1/4英寸標(biāo)準(zhǔn)磁帶。按帶面并行記錄的磁道數(shù)分有9道和16道1/4英寸盒式磁帶的記錄格式 其中9道磁帶記錄格式包括前同步、數(shù)據(jù)塊標(biāo)志(1B)、用戶數(shù)據(jù)(512B)、地址號(hào)(4B)、CRC校驗(yàn)碼(2B)和后同步。465.4 Cache5.4.1 Cache5.4.1 Cache的工作原理的工作原理47 Cache 存儲(chǔ)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 48 49 5.4.2 5.4.2 地址映射地址映射地址映射：為了把信息從主存調(diào)入地址映射：為了把信息從主存調(diào)入CacheCache，必須有，必須有用某種函數(shù)把用某種函數(shù)把主存塊主存塊映射到映射到Cache Cache 塊塊。

26、地址變換：當(dāng)信息按照映射關(guān)系轉(zhuǎn)入地址變換：當(dāng)信息按照映射關(guān)系轉(zhuǎn)入CacheCache后，系后，系統(tǒng)在執(zhí)行程序時(shí)，應(yīng)將統(tǒng)在執(zhí)行程序時(shí)，應(yīng)將主存地址變換為主存地址變換為CacheCache地址地址，這種變換過程叫地址變換。這種變換過程叫地址變換。CacheCache中一個(gè)存儲(chǔ)塊要與主存中若干存儲(chǔ)塊相對(duì)應(yīng)，中一個(gè)存儲(chǔ)塊要與主存中若干存儲(chǔ)塊相對(duì)應(yīng)，即即若干主存塊要映射到同一個(gè)若干主存塊要映射到同一個(gè)CacheCache塊塊。50 1 1、直接映射、直接映射每個(gè)主存塊只能映射到每個(gè)主存塊只能映射到CacheCache中的一個(gè)指定位置。中的一個(gè)指定位置。j= i mod 2j= i mod 2N N (j

27、 Cache(j Cache中的塊號(hào)，中的塊號(hào)，i i是主存中的塊號(hào)是主存中的塊號(hào)) )51 首先根據(jù)主存C（N）找到Cache對(duì)應(yīng)的塊。然后，將待比較的存儲(chǔ)器地址的高M(jìn)-N 位與Cache 標(biāo)記進(jìn)行比較，可確定是否命中。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：不夠靈活，當(dāng)程序往返訪問兩個(gè)映射到同一個(gè)Cache塊的主存時(shí)，抖動(dòng)現(xiàn)象特別明顯，命中率急劇下降。52 2 2、全相聯(lián)映射、全相聯(lián)映射主存中的每一個(gè)字塊可以映射到Cache 存儲(chǔ)器的任何一個(gè)字塊位置上。允許從已被占滿的Cache 存儲(chǔ)器中替換出任何一個(gè)舊字塊。53 需要將存儲(chǔ)器的高M(jìn) 位（除掉塊內(nèi)地址部分）與Cache 中的所有塊地址標(biāo)記進(jìn)行比較，以確定是否

28、命中。需要一個(gè)比較復(fù)雜的替換策略問題，即決定將數(shù)據(jù)塊調(diào)入Cache 中什么位置，將Cache 中哪一塊數(shù)據(jù)調(diào)出到主存。優(yōu)點(diǎn)：塊沖突的概率低，Cache 的利用率高。缺點(diǎn)：Cache 中塊表查找的速度慢，控制復(fù)雜（Cache 的速度要求高，全部比較和替換策略都要用硬件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)起來也比較困難）。54 3 3、組相聯(lián)映射、組相聯(lián)映射是全相聯(lián)映射和直接映射的一種折衷方案。將存儲(chǔ)空間分成若干組，各組之間是直接映射，而組內(nèi)各塊之間則是全相聯(lián)映射。判斷塊命中和替換算法比全相聯(lián)映射方法簡(jiǎn)單，塊沖突的概率比直接映射方法的低，命中率介于直接映射和全相聯(lián)映射方法之間。55Cache分成2R組，每組2k塊 例如，設(shè)

29、R=3，k1，考慮主存字塊15可映射到Cache的哪一些字塊中。根據(jù)公式，可得： (7mod 23)21+p 14+p 又：0p2k-121-11 (每組中的塊) 即： p0或1代入后得j14（p0）或15（p1）。所以主存模塊15可映射到Cache字塊14或15，在第7組。同樣可計(jì)算出主存字塊17可映射到Cache的第0塊或第1塊。 5657 5.4.3 5.4.3 替換策略替換策略替換策略：Cache 中的一個(gè)存儲(chǔ)塊要與主存中的若干個(gè)存儲(chǔ)塊相對(duì)應(yīng)，若在調(diào)入主存中一個(gè)存儲(chǔ)塊時(shí)，Cache 中相應(yīng)的位置已被其它存儲(chǔ)塊占有，則必須去掉個(gè)舊的字塊，讓位于一個(gè)新的字塊。先進(jìn)先出(FIFO) 策略和近

30、期最少使用(LRU) 策略1先進(jìn)先出(FIFO) 策略FIFO（First In First Out）策略：把一組中最先調(diào)入Cache存儲(chǔ)器的字塊替換出去。好處：不需要隨時(shí)記錄各個(gè)字塊的使用情況，所以實(shí)現(xiàn)容易，開銷小。58 2近期最少使用(LRU) 策略LRU(Least Recently Used) 策略：把一組中近期最少使用的字塊替換出去。要求：需隨時(shí)記錄Cache存儲(chǔ)器中各個(gè)字塊的使用情況，以便確定哪個(gè)字塊是近期最少使用的字塊。好處：LRU替換策略的平均命中率比FIFO要高，且當(dāng)分組容量增大時(shí)，能提高該替換策略的命中率。59 5.4.4 Cache5.4.4 Cache寫策略寫策略Cac

31、he內(nèi)容是部分主存內(nèi)容的副本，應(yīng)該保持一致，而CPU 對(duì)Cache的寫入更改了Cache 內(nèi)容。寫策略：如何進(jìn)行寫操作使主存與Cache內(nèi)容保持一致。1、全寫法當(dāng)寫Cache命中時(shí)，Cache與主存同時(shí)發(fā)生寫修改，當(dāng)寫Cache未命中時(shí)，直接向主存進(jìn)行寫入。每塊無需通過設(shè)置修改位來進(jìn)行判斷，缺點(diǎn)是Cache在CPU向主存寫數(shù)據(jù)時(shí)沒有起到高速緩存的作用。2、寫回法當(dāng)對(duì)Cache寫命中時(shí)，只修改Cache的內(nèi)容，而不立即寫入主存，只當(dāng)此塊被換出時(shí)才寫回主存。寫未命中時(shí)，將此主存塊復(fù)制到Cache后，在Cache中對(duì)其修改，只當(dāng)此塊被換出時(shí)才寫回主存。好處：能顯著減少寫主存次數(shù)；壞處：存在Cache

32、/主存不一致的隱患。3、寫一次法：寫回法與全寫法的結(jié)合。寫命中與寫未命中的處理方法與寫回法基本相同，只是第一次寫命中時(shí)要同時(shí)寫入主存。其它Cache監(jiān)聽到寫信號(hào)后，可以對(duì)該塊做無效處理。這便于維護(hù)系統(tǒng)全部Cache的一致性。而后若對(duì)Cache此行的再次或多次寫命中，則按照寫回法處理。60 5.4.5 Cache5.4.5 Cache的性能分析的性能分析在一個(gè)程序執(zhí)行期間，設(shè)在一個(gè)程序執(zhí)行期間，設(shè)NcNc表示表示CacheCache完成存完成存取的總次數(shù)，取的總次數(shù)，NmNm表示主存完成存取的總次數(shù)，表示主存完成存取的總次數(shù)，則定義則定義命中率命中率h h 為：為：h=Nc/(Nc+Nm)h=N

33、c/(Nc+Nm)增加增加CacheCache的目的，希望的目的，希望 CacheCache的命中率盡量的命中率盡量接近接近1 1，這樣在性能上能使主存的平均讀出時(shí)，這樣在性能上能使主存的平均讀出時(shí)間盡可能接近間盡可能接近CacheCache的讀出時(shí)間。由于程序訪的讀出時(shí)間。由于程序訪問的問的局部性局部性，這是可能的。，這是可能的。61 訪問效率若tc表示命中時(shí)的Cache訪問時(shí)間，tm表示未命中時(shí)的主存訪問時(shí)間，h表示命中率。則Cache/主存系統(tǒng)的平均訪問時(shí)間ta為：ta=h*tc+(1-h)*tm則訪問效率e 為: e = tc/ta = tc/(h*tc+(1-h)*tm) = 1/(

34、r+(1-r)h)r=tm/tc表示主存慢于Cache的倍率h越接近1越好，r值不易太大62 5.4.6 5.4.6 改進(jìn)改進(jìn)CacheCache性能的措施性能的措施改進(jìn)Cache性能，應(yīng)該降低Cache失效率。產(chǎn)生失效的原因:(1) 強(qiáng)制性失效 （Compulsory miss）當(dāng)?shù)谝淮卧L問一個(gè)塊時(shí)，該塊不在 Cache 中，需從下一級(jí)存儲(chǔ)器中調(diào)入 Cache，這就是強(qiáng)制性失效。也稱為冷啟動(dòng)失效或首次訪問失效。(2) 容量失效 （Capacity miss）如果程序執(zhí)行時(shí)所需的塊不能全部調(diào)入 Cache 中，則當(dāng)某些塊被替換后，若又重新被訪問，就會(huì)發(fā)生容量失效。(3) 沖突失效 （Confl

35、ict miss）在組相聯(lián)或直接映射 Cache 中，若太多的塊映射到同一組（塊）中，則會(huì)出現(xiàn)該組中某個(gè)塊被替換（即使別的組或塊有空閑位置），但是此塊又被重新訪問。63 改進(jìn)措施 強(qiáng)制性失效：實(shí)驗(yàn)證明，由初始化引起的失效所占比重很小。容量失效：必須增加Cache容量。沖突失效：可以采用全相聯(lián)方式，但硬件實(shí)現(xiàn)成本高，可以使用組相聯(lián)方式進(jìn)行折中。合理設(shè)置Cache塊的大小。64Cache應(yīng)用舉例設(shè)某機(jī)主存容量為4MB，Cache容量為16KB，每塊包含8個(gè)字，每字32位，設(shè)計(jì)一個(gè)4路組相聯(lián)映射（即Cache每組內(nèi)共有4個(gè)塊）的Cache組織，要求：(1)畫出主存地址字段中各段的位數(shù)。(2)設(shè)Cac

36、he的初態(tài)為空，CPU依次從主存第0，1，299號(hào)單元讀出100個(gè)字（主存一次讀出一個(gè)字），并重復(fù)按此次序讀8輪，問命中率是多少?(3)若Cache的速度是主存的6倍，試問有Cache和無Cache相比，速度提高多少倍?65 665.5 虛擬儲(chǔ)存器5.5.1 5.5.1 虛擬存儲(chǔ)器的基本原理虛擬存儲(chǔ)器的基本原理虛擬存儲(chǔ)器是“主存-輔存”層次進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果。它由價(jià)格較貴、速度較快、容量較小的主存儲(chǔ)器M1和一個(gè)價(jià)格低廉、速度較慢、容量很大的輔助存儲(chǔ)器M2（通常是硬盤）組成。在系統(tǒng)軟件和輔助硬件的管理下，就像一個(gè)單一的、可直接訪問的大容量主存儲(chǔ)器。應(yīng)用程序員可以對(duì)整個(gè)程序統(tǒng)一編址，就如同應(yīng)用程序員

37、具有對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間（稱為程序空間），而不必考慮實(shí)際主存空間的大小。67 虛擬存儲(chǔ)器的特點(diǎn)：多個(gè)進(jìn)程可以共享主存空間虛擬存儲(chǔ)器把主存空間劃分為較小的塊（頁面或段），并以塊為單位分配給各進(jìn)程。這樣，多個(gè)進(jìn)程就可以共享一個(gè)較小的主存空間。程序員不必做存儲(chǔ)管理工作在非虛擬存儲(chǔ)器中，當(dāng)一個(gè)程序的大小超過主存空間的大小時(shí)，程序員就必須把程序劃分為若干個(gè)能裝得進(jìn)主存的部分，并決定哪些部分在裝入主存時(shí)可以相互覆蓋。采用動(dòng)態(tài)重定位，簡(jiǎn)化了程序的裝入程序定位是指將程序空間中給出的邏輯地址映射到主存的物理地址。靜態(tài)重定位是指在程序執(zhí)行之前，在裝入或再裝入該程序的過程中，通過修改程序中的地址而完成地址空間的變換。動(dòng)態(tài)

38、重定位是指只有在程序的執(zhí)行過程中，真正訪問指令和數(shù)據(jù)時(shí)，才進(jìn)行地址變換，產(chǎn)生物理地址。68 虛擬存儲(chǔ)器可以分為三類：頁式、段式和段頁式頁式虛擬存儲(chǔ)器：把空間劃分為大小相同的塊，稱為頁面。常用頁面大小為4KB64KB。段式虛擬存儲(chǔ)器：把空間劃分為可變長(zhǎng)的塊，稱為段。段的最小長(zhǎng)度為1 個(gè)字節(jié)，最大長(zhǎng)度因機(jī)器而異，通常為216 字節(jié)232字節(jié)。頁面是對(duì)空間的機(jī)械劃分，而段則往往是按程序的邏輯意義進(jìn)行劃分。段頁式管理：將段式管理和頁式管理相結(jié)合。69 1 1、段式管理、段式管理是以程序的邏輯結(jié)構(gòu)所形成的段（如主程序、子程序、過程等）作為分配單位的虛擬存儲(chǔ)器管理方式的存儲(chǔ)器。操作系統(tǒng)為每一個(gè)運(yùn)行的用戶程

39、序分配一個(gè)或若干個(gè)段，每個(gè)程序都按各自的虛擬地址訪問存儲(chǔ)器。段表可以把程序虛地址變換成主存實(shí)地址。段表中每一行記錄了某個(gè)段對(duì)應(yīng)的若干信息，包括段號(hào)、裝入位、段起始地址和段長(zhǎng)等。段表實(shí)際上是程序的邏輯結(jié)構(gòu)段與其在主存中所存放的位置之間的關(guān)系對(duì)照表。70 段式虛存的虛實(shí)地址變換71 段式管理的優(yōu)點(diǎn)：程序的模塊化性能好；便于程序和數(shù)據(jù)的共享；便于信息保護(hù)。數(shù)據(jù)段，常數(shù)段，子程序段等程序的動(dòng)態(tài)鏈接和調(diào)度比較容易。缺點(diǎn)：從虛擬地址到物理地址的地址變換所花費(fèi)的時(shí)間比較長(zhǎng)；主存儲(chǔ)器利用率往往比較低?？梢酝ㄟ^定時(shí)運(yùn)行回收程序來合并這些空隙，但增加了系統(tǒng)的開銷72 2 2、頁式管理、頁式管理將虛存空間和主存空間都機(jī)械地分成大小固定的頁，分別稱為虛頁和實(shí)頁。程序虛地址分為兩個(gè)字段：高位字段為虛頁號(hào)，低位字段為頁內(nèi)地址。虛地址到實(shí)地址之間的變換是由頁表來實(shí)現(xiàn)的。頁表是一張存放在主存中