計算機組成原理(第三版)第6章課件

計算機組成原理與匯編語言程序設(shè)計（第2版）徐潔俸遠楨主編第6章2/3/20231第3篇存儲系統(tǒng)與 輸入/輸出系統(tǒng)硬件組成角度： 了解存儲器及各種I/O設(shè)備的組成原理，以及連接整機的方法。控制I/O傳送的角度： 3種控制方式，以及控制方式對接口和I/O程序的影響。軟件組成角度： 3個層次：用戶程序?qū)/O設(shè)備的調(diào)用，OS中的驅(qū)動程序，I/O設(shè)備控制器中的控制程序。2/3/20232第6章存儲系統(tǒng)本章主要內(nèi)容：存儲器的分類、技術(shù)指標各類存儲原理主存儲器的組織高速緩沖存儲器外部存儲器物理存儲系統(tǒng)的組織虛擬存儲系統(tǒng)的組織2/3/20233第1節(jié)概述6.1.1存儲器的分類1.按存儲器在系統(tǒng)中的作用分類（1）內(nèi)部存儲器主要存放CPU當前使用的程序和數(shù)據(jù)。速度快容量有限（內(nèi)存、主存）（2）外部存儲器存放大量的后備程序和數(shù)據(jù)。速度較慢容量大（輔存、外存）（3）高速緩沖存儲器存放CPU在當前一小段時間內(nèi)多次使用的程序和數(shù)據(jù)。速度很快容量小2/3/202342.按存取方式分類隨機存取：可按地址對任一存儲單元進行讀寫，（1）隨機存取存儲器（RAM）訪問時間與單元地址無關(guān)。（2）只讀存儲器（ROM）隨機存取存儲器的特例，只能讀不能寫。（3）順序存取存儲器（SAM）訪問時，讀/寫部件按順序查找目標地址，訪問時間與數(shù)據(jù)位置有關(guān)。（4）直接存取存儲器（DAM）訪問時,讀/寫部件先直接指向一個小區(qū)域，再在該區(qū)域內(nèi)順序查找。訪問時間與數(shù)據(jù)位置有關(guān)。2/3/202353.按存儲介質(zhì)分類（1）磁芯存儲器利用不同的剩磁狀態(tài)存儲信息，容量小、速度慢、體積大、可靠性低。已淘汰（2）半導(dǎo)體存儲器MOS型雙極型集成度高、功耗低，作主存集成度低、功耗大，速度快，作Cache容量大，長期保存信息，利用磁層上不同方向的磁化區(qū)域表示信息。非破壞性讀出，作外存。（3）磁表面存儲器速度慢。2/3/20236（4）光盤存儲器速度慢。激光控制，利用光斑的有無表示信息。容量很大，非破壞性讀出，長期保存信息，作外存。4.按信息的可保存性分類斷電后信息消失易失性（揮發(fā)性）存儲器斷電后信息仍然保存永久性存儲器6.1.2主存的主要技術(shù)指標1.存儲容量主存所能容納的二進制信息總量。2/3/202372.存取速度存取時間存取周期訪問時間、讀寫時間讀寫周期3.可靠性規(guī)定時間內(nèi)存儲器無故障讀寫的概率。用平均無故障時間來衡量。4.存取寬度一次可以存取的數(shù)據(jù)位數(shù)或字節(jié)數(shù)。常用容量單位：Byte、KB、MB、GB、TB2/3/20238第2節(jié)存儲原理6.2.1半導(dǎo)體存儲器的存儲原理MOS型電路結(jié)構(gòu)PMOSNMOSCMOS工作方式靜態(tài)MOS動態(tài)MOS存儲信息原理靜態(tài)存儲器SRAM動態(tài)存儲器DRAM依靠雙穩(wěn)態(tài)電路內(nèi)部交叉反饋的機制存儲信息。功耗較小,容量大,速度較快,作主存。功耗較大,速度快,作Cache。制造工藝雙極型依靠電容存儲電荷的原理存儲信息。2/3/202391.半導(dǎo)體靜態(tài)存儲器的存儲原理（1）組成6管單元T1、T3：MOS反相器Vcc觸發(fā)器T3T1T4T2T2、T4：MOS反相器T5T6T5、T6：控制門管(行)ZZ：字線，選擇存儲單元WW（2）定義存“0”：T1導(dǎo)通，T2截止；存“1”：T1截止，T2導(dǎo)通。W、W：位線，完成讀/寫操作AB2/3/202310（3）工作T5、T6導(dǎo)通，選中該單元。Z：加高電平，（4）保持VccWT3T1T4T2T5T6ZW讀出：根據(jù)W、W上有無電流，讀1/0。Z:加低電平，T5、T6截止，位線與雙穩(wěn)態(tài)電路分離，保持原有狀態(tài)不變。寫入：W低、W高電平，寫0W高、W低電平，寫1靜態(tài)單元是非破壞性讀出，讀后不需重寫。BA2/3/2023112.半導(dǎo)體動態(tài)存儲器的存儲原理（1）4管單元（a）組成T1、T2：記憶管C1、C2：柵極電容T3、T4：控制門管Z：字線W、W：位線（b）定義“0”：T1導(dǎo)通，T2截止“1”：T1截止，T2導(dǎo)通T1T2T3T4ZWWC1C2（C1有電荷，C2無電荷）；（C1無電荷，C2有電荷）。（c）工作Z加高電平，T3、T4導(dǎo)通，選中該單元。2/3/202312（d）保持寫入：在W、W上分別加高、低電平，寫1/0。讀出：W、W先預(yù)充電至高電平，斷開充電回路，再根據(jù)W、W上有無電流，讀1/0。Z加低電平，T3、T4截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。需定期向電容補充電荷(動態(tài)刷新)，所以稱動態(tài)。四管單元是非破壞性讀出，讀出過程即實現(xiàn)刷新。T1T2T3T4ZWWC1C22/3/202313（2）單管單元組成C：記憶單元CWZTT：控制門管Z：字線W：位線定義保持寫入：Z加高電平，T導(dǎo)通，在W上加高/低電平，寫1/0。讀出：W先預(yù)充電，斷開充電回路；Z：加低電平，T截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。單管單元是破壞性讀出，讀出后需重寫?！?”：C無電荷，電平V0（低）“1”：C有電荷，電平V1（高）工作Z加高電平，T導(dǎo)通；根據(jù)W線電位的變化，讀1/0。2/3/2023146.2.2磁表面存儲器的存儲原理1.記錄介質(zhì)與磁頭介質(zhì)：磁層（矩磁薄膜），依附在基體上磁頭：讀寫部件2.讀寫原理（1）寫入磁頭線圈中加入磁化電流（寫電流），并使磁層移動，在磁層上形成連續(xù)的小段磁化區(qū)域（位單元）。（2）讀出磁頭線圈中不加電流，磁層移動。當位單元的轉(zhuǎn)變區(qū)經(jīng)過磁頭下方時，在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢。2/3/2023153.磁記錄編碼方式寫電流波形的組成方式。提高可靠性提高記錄密度減少轉(zhuǎn)變區(qū)數(shù)目具有自同步能力（1）歸零制（RZ）I0t001101每一位有兩個轉(zhuǎn)變區(qū)，記錄密度低。（2）不歸零制（NRZ）001101I0t轉(zhuǎn)變區(qū)少，無自同步能力。2/3/202316（3）不歸零-1制（NRZ1）寫1時電流極性變，寫0時電流極性不變。001101I0t轉(zhuǎn)變區(qū)少，無自同步能力。用于早期低速磁帶機。（4）調(diào)相制（PM）I0t001101轉(zhuǎn)變區(qū)多，有自同步能力。I0t001101轉(zhuǎn)變區(qū)多，有自同步能力。用于早期磁盤。用于快速啟停磁帶機。（5）調(diào)頻制（FM）也叫相位編碼制PE每個單元都有極性轉(zhuǎn)變2/3/202317寫1時位單元中間電流變，相鄰的0交界處電流變。轉(zhuǎn)變區(qū)少，有自同步能力。用于磁盤。（6）改進型調(diào)頻制（MFM）I0t001101可壓縮位單元長度：I0t001101（7）群碼制（GCR）記錄碼中連續(xù)的0不超過2個；按NRZ1方式寫入。轉(zhuǎn)變區(qū)少，有自同步能力。用于數(shù)據(jù)流磁帶機。2/3/2023186.2.3光存儲器的存儲原理1.形變型光盤（1）定義有孔為1，無孔為0（2）寫入寫1，高功率激光照射介質(zhì)，形成凹坑；寫0，不發(fā)射激光束，介質(zhì)不變。（3）讀出低功率激光掃描光道，根據(jù)反射光強弱判斷是1或0。形變不可逆，不可改寫2.相變型光盤寫入寫1，高功率激光照射介質(zhì)，晶粒直徑變大；寫0，不發(fā)射激光束，晶粒不變。讀出低功率激光掃描光道，根據(jù)反射率的差別判斷是1或0。相變可逆，可改寫2/3/2023193.磁光型光盤可改寫寫入前：外加磁場，使介質(zhì)呈某種磁化方向讀出熱磁效應(yīng)寫，磁光效應(yīng)讀寫1，激光照射并外加磁場改變磁化方向；寫0，未被照射區(qū)域，磁化方向不變。低功率激光掃描光道，根據(jù)反射光的偏轉(zhuǎn)角度判斷是1或0。第3節(jié)主存儲器的組織6.3.1主存儲器的邏輯設(shè)計需解決：芯片的選用、地址分配與片選邏輯、信號線的連接。寫入2/3/202320例：某半導(dǎo)體存儲器，總?cè)萘?KB。其中固化區(qū)2KB，選用EPROM芯片2716（2Kx8/片）；工作區(qū)2KB，選用SRAM芯片2114（1Kx4/片）。地址總線A15～A0（低），雙向數(shù)據(jù)總線D7～D0。給出地址分配和片選邏輯，并畫出邏輯框圖。（1）計算芯片數(shù)ROM區(qū)：2Kx81片2716

RAM區(qū)：位擴展2片1Kx4

1Kx8

2組1Kx8

2KB

4片2114字擴展（2）地址分配與片選邏輯存儲器尋址邏輯芯片內(nèi)的尋址芯片外的地址分配與片選邏輯1.存儲器邏輯設(shè)計2/3/202321大容量芯片在地址低端,小容量芯片在地址高端。存儲空間分配：A15A14A13A12A11A10A9…A0000……0101……1100……04KB需12位地址尋址：ROMA11～A064KB2KB1Kx4RAM1Kx41Kx41Kx4111……1110……0011……1低位地址分配給芯片，高位地址形成片選邏輯。芯片芯片地址片選信號片選邏輯2K1K1KA10～A0A9～A0A9～A0CS0CS1CS2A11A11A10A11A102/3/202322（3）連接方式擴展位數(shù)27164A10~A0D7~D4D3~D044R/WA11A10CS0A11A11A10擴展單元數(shù)連接控制線CS1CS22114211444A9~A02114211444A9~A04形成片選邏輯電路地址數(shù)據(jù)2/3/2023232.動態(tài)存儲器的刷新單管存儲單元：定期向電容補充電荷最大刷新周期：2ms刷新方法：各芯片同時，片內(nèi)按行刷新一行所用時間刷新周期：對主存的訪問由CPU提供行、列地址，隨機訪問。讀/寫/保持：動態(tài)刷新：由刷新地址計數(shù)器提供行地址，定時刷新。2ms內(nèi)集中安排所有刷新周期死區(qū)用在實時要求不高的場合（1）集中刷新R/W刷新R/W刷新2ms50ns2/3/202324（2）分散刷新各刷新周期分散安排在存取周期中。R/W刷新R/W刷新100ns用在低速系統(tǒng)中2ms例.各刷新周期分散安排在2ms內(nèi)。用在大多數(shù)計算機中128行≈15.6微秒每隔15.6微秒提一次刷新請求，刷新一行；2毫秒內(nèi)刷新完所有行。R/W刷新R/W刷新R/WR/WR/W15.6微秒15.6微秒15.6微秒刷新請求（DMA請求）（3）異步刷新刷新請求（DMA請求）2/3/2023256.3.2主存儲器與CPU的連接（2）較大系統(tǒng)模式CPU存儲器地址數(shù)據(jù)R/W（1）最小系統(tǒng)模式CPU存儲器地址地址鎖存器收發(fā)緩沖器總線控制器數(shù)據(jù)控制1.系統(tǒng)模式（3）專用存儲總線模式2.速度匹配與時序控制總線周期時鐘周期異步控制同步控制擴展同步控制CPU與主存間建立專用高速存儲總線CPU內(nèi)部操作訪存操作2/3/2023263.數(shù)據(jù)通路匹配解決主存與數(shù)據(jù)總線之間的寬度匹配8086存儲器匹配方式如下：D7~D0奇地址（高字節(jié)）存儲體512K8A18~A0D15~D8D7~D0A0A19~A1D7~D0偶地址（低字節(jié)）存儲體512K8A18~A04.主存的控制信號讀寫命令、存儲器選擇命令等2/3/2023276.3.3PentiumCPU與存儲器組織1.主存連接與讀寫組織通過系統(tǒng)控制器連接CPU與主存儲器2/3/2023282.讀寫時序（1）非流水線周期基本存儲周期包括2個時鐘周期非流水線的讀周期時序2/3/202329（2）插入等待狀態(tài)周期在T2之后插入等待狀態(tài)，直到有效插入4個等待狀態(tài)的讀周期時序2/3/202330（3）猝發(fā)周期在一個猝發(fā)周期的5個時鐘周期內(nèi)，可以傳送4個64位的數(shù)據(jù)。2/3/2023316.3.4高級DRAM1.增強型DRAM改進CMOS制造工藝，集成小容量SRAMCache2.帶Cache的DRAM集成SRAM存儲矩陣3.同步DRAM(SDRAM)兩個交互工作的存儲陣列與CPU同步工作4.DDRSDRAM更先進的同步電路，DLL技術(shù)5.RambusDRAM主要解決存儲器帶寬問題6.RamLink主要對處理器與存儲器的接口進行改革2/3/202332第4節(jié)高速緩沖存儲器Cache6.4.1Cache的工作原理原理：基于程序和數(shù)據(jù)訪問的局部性目的：減少訪存次數(shù)，加快運行速度方法：在CPU和主存之間設(shè)置小容量的高速存儲器。Cache與CPU及主存的關(guān)系2/3/2023336.4.2Cache的組織1.地址映像（1）直接映像主存的頁只能復(fù)制到某一固定的Cache頁。容易實現(xiàn)，但缺乏靈活性Cache與主存空間劃分成相同大小的頁（塊）2/3/202334（2）全相連映像主存的每一頁可映像到Cache的任一頁。映像關(guān)系靈活，但速度慢。2/3/202335（3）組相連映像主存與Cache都分組比直接映像靈活，比全相聯(lián)映像速度快。主存頁與Cache組號固定映像Cache組內(nèi)自由映像2/3/2023362.替換算法（1）先進先出算法FIFO（2）最近最少使用算法LRU按頁面調(diào)入Cache的先后順序決定調(diào)出順序近期使用最少的頁面先調(diào)出3.Cache的讀/寫過程讀將主存地址同時送往主存和CacheCache命中Cache失敗從主存讀寫寫回法寫直達法同時寫Cache和主存將數(shù)據(jù)送訪存源Cache頁被替換時，才寫入主存2/3/2023374.多層次Cache存儲器片內(nèi)Cache（L1）片外Cache（L2）集成在CPU芯片內(nèi)統(tǒng)一Cache安裝在主板上分離Cache指令和數(shù)據(jù)在同一個Cache中,在取指令和取數(shù)的負載之間自動平衡。指令和數(shù)據(jù)分別在不同的Cache中，避免了Cache在指令預(yù)取器和執(zhí)行單元之間的競爭。L16.4.3PentiumIICPU的Cache組織L1(32K)分離CacheL2（512KB）16K數(shù)據(jù)+16K指令四路組相聯(lián)2/3/202338雙重獨立總線為解決數(shù)據(jù)Cache的一致性，支持MESI協(xié)議CPU到L2CPU到主存第5節(jié)外部存儲器主要技術(shù)指標存儲密度單位長度內(nèi)存儲的二進制位數(shù)存儲容量：一臺外部存儲器所能存儲的二進制信息總量主要特點：大容量、永久存儲位密度面密度單位面積內(nèi)存儲的二進制位數(shù)作用：存訪暫不運行的程序和數(shù)據(jù)2/3/202339速度指標平均尋址時間數(shù)據(jù)傳輸率平均尋道時間平均旋轉(zhuǎn)延遲Kb/s、KB/s誤碼率：讀出時出錯的概率6.5.1硬磁盤存儲器1.硬盤的基本結(jié)構(gòu)與分類適用于調(diào)用較頻繁的場合，常作主存的直接后援。硬盤硬盤驅(qū)動器硬盤適配器硬盤控制邏輯及接口盤片、磁頭定位系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)組成2/3/202340按盤片是否可換分類可換盤片式固定盤片式按盤片尺寸分類14、8英寸5.25、3.5、2.5英寸1.8、1.3英寸2.信息分布盤組：多個盤片，雙面記錄。各記錄面上相同序號的磁道構(gòu)成一個圓柱面。圓柱面：扇區(qū)（定長記錄格式）數(shù)據(jù)塊記錄塊（不定長記錄格式）無扇區(qū)化分磁道：盤片旋轉(zhuǎn)一周，磁化區(qū)構(gòu)成的閉合圓環(huán)2/3/202341存儲密度道密度位密度單位長度內(nèi)的磁道數(shù)磁道上單位長度內(nèi)的二進制位數(shù)各道容量相同,各道位密度不同,內(nèi)圈位密度最高。非格式化容量=內(nèi)圈位密度×內(nèi)圈周長×總磁道數(shù)格式化容量=扇區(qū)容量×每道扇區(qū)數(shù)×總磁道數(shù)3.磁頭定位系統(tǒng)驅(qū)動磁頭尋道并精確定位（1）步進電機定位機構(gòu)（2）音圈電機定位機構(gòu)用于小容量硬盤用于較大容量硬盤2/3/2023424.尋址過程與數(shù)據(jù)存取驅(qū)動器號、圓柱面號、磁頭號、扇區(qū)號（記錄號）、交換量。尋址信息尋址操作定位（尋道）：磁頭徑向移動尋找起始扇區(qū)：盤片旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳輸率外部傳輸率內(nèi)部傳輸率5.硬盤控制邏輯硬盤適配器和硬盤驅(qū)動器的功能如何劃分？（1）按ST506/412標準劃分（2）按IDE標準劃分（3）按SCSI標準劃分2/3/2023436.硬盤的軟件管理層次與調(diào)用方法軟件層次：編程界面INT13HINT21H磁盤扇區(qū)讀/寫、檢查磁盤文件操作硬盤控制功能劃分2/3/2023446.5.2軟磁盤存儲器軟盤存儲器軟盤驅(qū)動器1.組成軟盤片獨立裝置軟盤控制器主機與軟盤驅(qū)動器之間的 數(shù)據(jù)交換及控制2.信息分布與尋址信息單片，雙面記錄。依靠磁道上記錄格式分，容量1.2MB的軟盤，每面80道。盤片：扇區(qū)：磁道：存放數(shù)據(jù)塊512KB

尋址信息：臺號、磁頭號、磁道號、扇區(qū)號、交換量驅(qū)動器號記錄面號扇區(qū)數(shù)可拆2/3/2023453.磁道記錄格式例：定長記錄格式磁道時間磁道索引脈沖間隔扇區(qū)1扇區(qū)2扇區(qū)n間隔扇區(qū)i標志區(qū)：標志信息、標志區(qū)校驗碼CRC數(shù)據(jù)區(qū)：地址標志、數(shù)據(jù)字段、數(shù)據(jù)區(qū)CRC4.機械結(jié)構(gòu)（1）主軸驅(qū)動裝置（2）磁頭定位裝置（3）加載機構(gòu)直流電機帶動盤片旋轉(zhuǎn)步進電機、開環(huán)控制使磁頭位于與盤片接觸的讀/寫位置微型機中廣泛使用IBM34系列磁道格式2/3/2023466.5.3光盤存儲器1.光盤存儲器的種類（1）只讀型光盤（CD-ROM）固定型光盤（2）只寫一次型光盤（WORM）CD-R為主（3）可擦寫型光盤磁光盤（MO）相變光盤（PCD）熱-磁效應(yīng)熱-光效應(yīng)2.光盤盤片結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)3層結(jié)構(gòu)：基片、反射層、存儲介質(zhì)層，保護層3.光盤存儲器的組成盤片、驅(qū)動器和控制器如：CD-RW兩張基片粘接，記錄面朝里2/3/2023476.5.4磁帶存儲器容量大、速度慢、價格低，適用于脫機保存信息。1.快速啟停式磁帶機多道并行讀寫方式:文件之間用間隔隔開，數(shù)據(jù)塊間有間隔，允許在兩個數(shù)據(jù)塊間快速啟停。構(gòu)成：走帶機構(gòu)、磁帶緩沖結(jié)構(gòu)、帶盤驅(qū)動結(jié)構(gòu)、磁頭2.數(shù)據(jù)流式磁帶機，各道采用正反向單道串行記錄方式數(shù)據(jù)塊的間隔很短，工作時不在間隔段啟停2/3/2023483.磁帶的記錄格式?英寸標準磁帶的記錄格式?英寸開盤式?英寸盒式多用于微型機、小型機按文件存儲，文件內(nèi)分數(shù)據(jù)塊按數(shù)據(jù)塊存儲2/3/202349第6節(jié)物理存儲系統(tǒng)的組織6.6.1存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)CPUCache主存外存主存-Cache層次CPUCache主存命中不命中Cache主存-輔存層次為虛擬存儲提供條件CPU主存外存增大容量通過硬件和軟件實現(xiàn)提高速度通過硬件實現(xiàn)2/3/2023506.6.2磁盤冗余陣列（RAID）多臺磁盤存儲器組成大容量外存子系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)：數(shù)據(jù)分塊技術(shù)RAID0級：無冗余無校驗RAID1級：鏡像磁盤陣列高效、安全性低安全性高、利用率低RAID2級：數(shù)據(jù)按位交叉，海明糾錯RAID3級：數(shù)據(jù)按位交叉、奇偶校驗RAID5級：類似RAID4，RAID6級：分塊、雙磁盤容錯RAID4級：數(shù)據(jù)按扇區(qū)交叉、奇偶校驗校驗盤