存儲(chǔ)系統(tǒng)基礎(chǔ)講座.ppt

1、第4章 存儲(chǔ)系統(tǒng), 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，用它來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。, 存儲(chǔ)系統(tǒng)由存放程序和數(shù)據(jù)的各類存儲(chǔ)設(shè)備及有關(guān)的軟件所構(gòu)成。, 有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)就具有記憶能力，因而能自動(dòng)地進(jìn)行操作。,4.1 存儲(chǔ)器概述 4.1.1 存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo), 評(píng)價(jià)存儲(chǔ)器特性的主要標(biāo)準(zhǔn)是大容量、高速度和低價(jià)格。, 存儲(chǔ)器的容量指它能存放的二進(jìn)制位數(shù)或字（字節(jié)）數(shù)；, 存儲(chǔ)器的速度可用訪問(wèn)時(shí)間、存儲(chǔ)周期或頻寬來(lái)描述。, TW是將一個(gè)字寫入存儲(chǔ)器所需的時(shí)間。, 訪問(wèn)時(shí)間一般用讀出時(shí)間TA及寫入時(shí)間TW 來(lái)描述。, TA是從存儲(chǔ)器接到讀命令以后至信息被送到 數(shù)據(jù)總線上所需的時(shí)間。, 存取周期是存儲(chǔ)器進(jìn)行一

2、次完整的讀寫操作所需要的全部時(shí)間； 存儲(chǔ)器進(jìn)行連續(xù)讀寫操作所允許的最短間隔時(shí)間。, 存取周期用TM表示，它直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。 一般有 TM TA 、 TM TW ，TM的單位常采用微秒或毫微秒。, 存儲(chǔ)器的頻寬B表示存儲(chǔ)器被連續(xù)訪問(wèn)時(shí)， 可以提供的數(shù)據(jù)傳送速率； 常用每秒鐘傳送信息的位數(shù)（或字節(jié)數(shù)） 來(lái)衡量。, 存儲(chǔ)器的價(jià)格可用總價(jià)格C或每位價(jià)格c來(lái)表示，若存儲(chǔ)器按位計(jì)算的容量為S； 則:c=C/S,4.1.2 存儲(chǔ)器分類,1. 按存儲(chǔ)元件分類, 存儲(chǔ)元件必須具有兩個(gè)截然不同的物理狀態(tài)， 才能被用來(lái)表示二進(jìn)制代碼“0和1”。, 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器, 磁性材料存儲(chǔ)器, 光介質(zhì)存儲(chǔ)器,2. 按

3、存取方式分類,(1) 順序存取存儲(chǔ)器（SAM） 這類存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是信息順序存放或讀出，其存取時(shí)間取決于信息存放位置。, 它不按字單元編址，而以記錄塊為單位編址。, 磁帶存儲(chǔ)器就是一種順序存儲(chǔ)器，它的最大優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，缺點(diǎn)則是存取速度慢。,(2) 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM） 這類存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是CPU或I/O設(shè)備在任一 時(shí)刻都可按地址訪問(wèn)其任一個(gè)存儲(chǔ)單元， 而且訪問(wèn)時(shí)間與地址無(wú)關(guān)，都是一個(gè)存取周期。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器一般屬于這類存儲(chǔ)器。,(3) 直接存取存儲(chǔ)器（DAM） 此類存儲(chǔ)器的存取方式介于RAM和SAM之間，先選取需要存取信息所在的區(qū)域，然后用順序方式存取。 磁盤就是先尋找信息所在的扇區(qū)，然后

4、再順序存取信息，此類存儲(chǔ)器的容量也比較大，速度則介于SAM和RAM之中，主要用作輔存。,(4) 只讀存儲(chǔ)器（ROM） 在正常讀寫操作下，這類存儲(chǔ)器的內(nèi)容 只能讀出而不能寫入。, 有的ROM位于主存中特定區(qū)域（如IBM-PC機(jī)中ROM BIOS）其訪問(wèn)方式和RAM一樣按地址訪問(wèn)；, 也有的ROM用作輔存，采用順序訪問(wèn)方式，例如CDROM。,3. 按存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)中的功能分類,(1) 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） 目前由雙極型半導(dǎo)體組成，構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)高速小容量存儲(chǔ)器。 其存取速度能接近CPU的工作速度，用來(lái)臨時(shí)存放指令和數(shù)據(jù)。,(2) 主存儲(chǔ)器 主存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要部件，用來(lái)存放

5、計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的大量程序和數(shù)據(jù)，主存儲(chǔ)器目前一般用MOS半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成。,(3) 輔助存儲(chǔ)器 輔助存儲(chǔ)器又稱外存儲(chǔ)器。, CPU能夠直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器稱內(nèi)存儲(chǔ)器， 高速緩存和主存都是內(nèi)存儲(chǔ)器。, 外存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是容量大，所以可存放大量的程序和數(shù)據(jù)。, 外存儲(chǔ)器的內(nèi)容需要調(diào)入主存后才能被CPU訪問(wèn)。, 外存儲(chǔ)器主要由磁表面存儲(chǔ)器組成，光存儲(chǔ)器應(yīng)用已很廣泛，漸漸成為一種重要的輔助存儲(chǔ)器。,4.1.3 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),1. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu), 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)就是把各種不同容量和不同存取速度的存儲(chǔ)器按一定的結(jié)構(gòu)有機(jī)地組織在一起； 程序和數(shù)據(jù)按不同的層次存放在各級(jí)存儲(chǔ)器中，而整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)具有較好的速度、

6、容量和價(jià)格等方面的綜合性能指標(biāo)。, 由二類存儲(chǔ)器構(gòu)成的存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu),(1) “高速緩存主存”層次, 這個(gè)層次主要解決存儲(chǔ)器的速度問(wèn)題。, 在CPU與主存之間再增設(shè)一級(jí)存儲(chǔ)器， 稱高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）。, CPU訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，將地址碼同時(shí)送到Cache和主存，若在Cache中找到相應(yīng)內(nèi)容，稱訪問(wèn)“命中”，信息就從Cache中讀??； 否則CPU就以較慢的速度從主存中讀?。ǚQ訪問(wèn)“不命中”）。此時(shí)一般要進(jìn)行Cache和主存的信息交換。, Cache是一種采用和CPU工藝相類似的半導(dǎo)體器件構(gòu)成的存儲(chǔ)裝置，其速度可與CPU相匹配，但容量較小，只能存放一小段程序和數(shù)據(jù)。,(2) “主存輔存”層次

7、, 這個(gè)層次主要解決存儲(chǔ)器的容量問(wèn)題。, 具有“主存輔存”層次的存儲(chǔ)系統(tǒng)是一個(gè)既具有主存的存取速度又具有輔存的大容量低成本特點(diǎn)的一個(gè)存儲(chǔ)器總體。, 把正在被CPU使用的“活動(dòng)”的程序和數(shù)據(jù)放在主存中，其余信息則存放在容量大、但速度較慢的輔存中。,2. 多體交叉存取, 把主存分為若干容量相同、能獨(dú)立地由CPU進(jìn)行存取的存儲(chǔ)體。, 在不提高各存儲(chǔ)體存取速度的前提下，通過(guò)CPU與各存儲(chǔ)體的并行交叉存取操作，提高整個(gè)主存儲(chǔ)器的頻寬。, 設(shè)有m個(gè)體，地址為 0，m， km 的存儲(chǔ)單元位于0號(hào)存儲(chǔ)體中；地址為 1，m+1， km+1 的存儲(chǔ)單元位于1號(hào)存儲(chǔ)體中；地址為m-1，2m-1， (k+1)m-1

8、的存儲(chǔ)單元位于m-1號(hào)存儲(chǔ)體中。, CPU訪問(wèn)M0 M3的時(shí)間安排, 盡管每個(gè)存儲(chǔ)體的存儲(chǔ)周期為TM，但CPU每隔1/4TM就可以讀出或?qū)懭胍粋€(gè)數(shù)據(jù)。,.2 半導(dǎo)體讀寫存儲(chǔ)器, 半導(dǎo)體RAM,雙極型RAM,MOS型RAM,靜態(tài)RAM,動(dòng)態(tài)RAM,4.2.2 半導(dǎo)體RAM芯片,1. 靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器芯片, 存儲(chǔ)體, 讀寫電路, 地址譯碼, 控制電路,(1)芯片組成：, 存儲(chǔ)體（存儲(chǔ)矩陣） 存儲(chǔ)體是存儲(chǔ)單元的集合。在容量較大的 存儲(chǔ)器中往往把各個(gè)字的同一位組織在一 個(gè)集成片中；, 4096個(gè)存儲(chǔ)單元排成64*64的矩陣。由X選擇線（行選擇線）和Y選擇線（列選擇線）來(lái)選擇所需用的單元。, 圖4.8中

9、的芯片是4096*1位，由這樣的8個(gè)芯片可組成4096字節(jié)的存儲(chǔ)器。, 兩種地址譯碼方式： 一種是單譯碼方式，適用于小容量存儲(chǔ)器；, 地址譯碼器 地址譯碼器把用二進(jìn)制表示的地址轉(zhuǎn)換 為譯碼輸入線上的高電位，以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng) 的讀寫電路。,地址譯碼器只有一個(gè)，其輸出叫字選線，選擇某個(gè)字的所有位。,地址輸入線n=4，經(jīng)地址譯碼器譯碼后，產(chǎn)生16個(gè)字選線，分別對(duì)應(yīng)16個(gè)地址。, 另一種是雙譯碼方式，適用于容量較大 的存儲(chǔ)器。,地址譯碼器分為X和Y兩個(gè)譯碼器。每一 個(gè)譯碼器有n/2個(gè)輸入端，可以譯出2 n/2個(gè) 狀態(tài)，兩譯碼器交叉譯碼的結(jié)果，可產(chǎn)生 2 n/2 2 n/2 個(gè)輸出狀態(tài)。,圖4.9是采用雙譯

10、碼結(jié)構(gòu)的40961的存儲(chǔ)單元矩陣；對(duì)4096個(gè)單元選址，需要12根地址線：A0A11。, 驅(qū)動(dòng)器 一條X方向的選擇線要控制在其上的各個(gè)存儲(chǔ)單元的字選線，負(fù)載較大，要在譯碼器輸出后加驅(qū)動(dòng)器。, I/O控制 它處于數(shù)據(jù)總線和被選用的單元之間，用以控制被選中的單元讀出或?qū)懭?，并具有放大信息的作用? 片選控制 將一定數(shù)量的芯片按一定方式連接成一個(gè)完整的存儲(chǔ)器；芯片外的地址譯碼器產(chǎn)生片選控制信號(hào)，選中要訪問(wèn)的存儲(chǔ)字所在的芯片。, 讀/寫控制 根據(jù)CPU給出的信號(hào)是讀命令還是寫命令，控制被選中存儲(chǔ)單元的讀寫。,(2) 靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器芯片實(shí)例(62256 SRAM), 62256 SRAM芯片引腳, 地

11、址引腳：A0A14 數(shù)據(jù)引腳：I/O0I/O7 片選：CE低有效, 該芯片容量為32K8, 讀/寫控制：WE，低電平時(shí)為寫入控制；高電平時(shí)為讀出控制。, 位擴(kuò)展 用若干片位數(shù)較少的存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成具有給定字長(zhǎng)的存儲(chǔ)器，而存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)與芯片上的字?jǐn)?shù)相同。,(3) 存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展, 用8片 40961位的芯片構(gòu)成4K字節(jié)的存儲(chǔ)器；如圖4.11所示。, 字?jǐn)U展 字?jǐn)U展是容量的擴(kuò)充，位數(shù)不變。, 用4組 16K8的存儲(chǔ)器構(gòu)成 64K8的存儲(chǔ)器(圖4.12)。,(4) 靜態(tài)RAM芯片與CPU連接, 要考慮和解決的幾個(gè)問(wèn)題：, CPU的負(fù)載能力： 當(dāng)存儲(chǔ)芯片較多時(shí)，在CPU與存儲(chǔ)芯片之間，要增加必要的緩沖和

12、驅(qū)動(dòng)電路。, 速度匹配問(wèn)題： 存儲(chǔ)器與CPU的速度相比，還是有很大差距；, 多片存儲(chǔ)芯片的選通： 增加外部譯碼電路，產(chǎn)生片選信號(hào)；, 讀/寫控制信號(hào)： CPU的讀/寫控制信號(hào)不一定與存儲(chǔ)芯片 引腳定義的控制信號(hào)相符，所以有時(shí)要 增加某些附加線路來(lái)實(shí)現(xiàn)正確的控制。,(5) 靜態(tài)存儲(chǔ)芯片的讀/寫周期, 要保證正確地讀/寫，必須注意CPU時(shí)序與存儲(chǔ)器讀/寫周期的配合。,2. 動(dòng)態(tài)RAM芯片,(1) 芯片舉例(圖4.14) 絕大多數(shù)產(chǎn)品都采用一位輸入輸出，如：256K1、1M1、4M1等。, 而且它的行地址和列地址通過(guò)相同的管腳分先后兩次輸入，這樣地址引腳數(shù)可減少一半。, 當(dāng)RAS低電平時(shí)輸入行地址，

13、CAS低電平時(shí)輸入列地址。,(2) 動(dòng)態(tài)RAM芯片的讀寫和再生(刷新)時(shí)序, 讀周期： 實(shí)現(xiàn)讀操作，各信號(hào)的時(shí)間關(guān)系應(yīng)符合下面的要求。, 行地址必須在RAS信號(hào)有效之前送到芯片的地址輸入端。, CAS信號(hào)應(yīng)滯后RAS一段時(shí)間，并滯后于列地址送到芯片地址輸入端的時(shí)間。, RAS、CAS應(yīng)有足夠的寬度。, WE信號(hào)為高，并在CAS有效之前建立。, 寫周期: RAS與CAS之間的關(guān)系，以及它們與地址 信息之間的關(guān)系和讀周期相同。, WE信號(hào)為低，并在CAS信號(hào)有效之前建立。, 寫數(shù)據(jù)必須在CAS有效之前出現(xiàn)在Din端。, 刷新： 動(dòng)態(tài)RAM的存儲(chǔ)陣列中所有的存儲(chǔ)電容必須周期地重新充電，這一過(guò)程稱“刷

14、新”。, “刷新”可以采用“讀出”的方法進(jìn)行。, 只送RAS信號(hào)的一種“刷新”方法, 芯片中一行的所有元素被選中并進(jìn)行“讀出”操作。根據(jù)讀出內(nèi)容對(duì)各單元進(jìn)行“重寫”；即完成補(bǔ)充充電。, 由于沒(méi)有列地址和CAS信號(hào)，各單元的數(shù)據(jù)讀寫彼此隔離，并且不會(huì)送到讀出電路。, 對(duì)256*256的存儲(chǔ)體，256次刷新操作可刷新整個(gè)存儲(chǔ)體。也可分為4個(gè)128*128并行連接，只需128次刷新。, DRAM控制電路還向所有芯片提供刷新時(shí)的行地址。每產(chǎn)生一行，這個(gè)地址自動(dòng)加一，如此周而復(fù)始。,(3) 刷新方式, 一次刷新的時(shí)間間隔稱刷新周期，一般為2ms；, 常用的刷新方式有四種： 集中式刷新、分散式刷新、異步刷

15、新和透明刷新。, 集中式刷新(圖4.16 (a) 整個(gè)刷新間隔內(nèi)，前一段時(shí)間用于正常的讀/寫操作。而在后一段時(shí)間停止讀/寫操作，逐行進(jìn)行刷新。, 將128128存儲(chǔ)器刷新一遍，設(shè)讀寫周期為0.5s，刷新間隔為2ms；前3072個(gè)讀寫周期用來(lái)進(jìn)行正常的讀/寫操作， 而后128個(gè)讀寫周期用來(lái)進(jìn)行刷新操作。, 該方式會(huì)出現(xiàn)讀/寫操作死區(qū), 分散式刷新(圖4.16 (b), 一個(gè)存儲(chǔ)周期的時(shí)間分為兩段，前一段時(shí)間tM用于正常的讀/寫操作，后一段時(shí)間tR用于刷新操作。, 假定讀/寫操作和刷新操作的時(shí)間都為0.5s，則一個(gè)存儲(chǔ)周期為1s。在2ms時(shí)間內(nèi)進(jìn)行2000次刷新操作，只能進(jìn)行2000次讀/寫操作。

16、, 異步刷新 上述兩種方式結(jié)合起來(lái)構(gòu)成異步刷新。, 以128行為例，在2ms時(shí)間內(nèi)必須輪流對(duì) 每一行刷新一次，即每隔15.5s刷新一行。, 前15s可以進(jìn)行CPU的讀/寫操作，而最后0.5s完成刷新操作。目前用得較多。, 有單獨(dú)的刷新控制器，刷新由單獨(dú)的時(shí)鐘、行計(jì)數(shù)與譯碼獨(dú)立完成；高檔微機(jī)中大部分采用這種方式。, 透明刷新（或稱穩(wěn)含式刷新） CPU在取指周期后的譯碼時(shí)間內(nèi)，插入刷新操作。,(4) DRAM控制器,(5) 新型DRAM芯片, DRAM具有存儲(chǔ)密度大、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于它需要定時(shí)刷新，對(duì)其工作速度有較大影響。, EDRAM（Enhanced DRAM)(圖4.18) EDR

17、AM 在動(dòng)態(tài)芯片上集成了一個(gè)小容量SRAM緩沖器，可以存放前一次讀出的一整行元素內(nèi)容，共2048位（512個(gè)4位組）。, 刷新可以和讀寫并行操作，使芯片不能讀寫的時(shí)間減至最低程度。此外，從SRAM緩沖器讀出數(shù)據(jù)的通路與寫入數(shù)據(jù)的通路各自獨(dú)立。, SDRAM（Syncnronous DRAM） 傳統(tǒng)DRAM與處理機(jī)之間采用異步方式交換數(shù)據(jù)。, SDRAM的讀寫和處理機(jī)一樣受系統(tǒng)時(shí)鐘控制，將處理機(jī)或其它主設(shè)備發(fā)出的地址和控制信息鎖存起來(lái)，經(jīng)一定數(shù)量的時(shí)鐘周期后，給出響應(yīng)。, SDRAM采用成組傳送的工作方式，對(duì)順序訪問(wèn)那些與第一次訪問(wèn)的信息在同一行（ROW）的數(shù)據(jù)時(shí)特別有用。, SDRAM內(nèi)部采用

18、雙存儲(chǔ)體結(jié)構(gòu)，極大地改善了片內(nèi)存取的并行性； 設(shè)有SDRAM的工作方式寄存器。,. 3 半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器, 根據(jù)只讀存儲(chǔ)器的工藝，可分為： ROM PROM EPROM EEPROM（E2PROM）,4.3.1 掩膜只讀存儲(chǔ)器（masked ROM）, 掩膜ROM存儲(chǔ)的信息由生產(chǎn)廠家在掩膜 工藝過(guò)程中“寫入”，用戶不能修改。, 掩膜ROM也有雙極型和MOS型兩種, 雙極型ROM(圖4.20), 譯碼器向某字選線送出“選中”（高）電位時(shí)，被選中的字的各位同時(shí)向各自的位線送“讀出”結(jié)果。, 結(jié)果為“0”或“1”，取決于該位的三極管發(fā)射極是否與相應(yīng)的位線連通，連通則讀出“1”，反之讀出“0”。, M

19、OS型 ROM (圖4.21), 存儲(chǔ)矩陣可采用單譯碼結(jié)構(gòu)，也可采用雙譯碼結(jié)構(gòu)。, 工作原理與雙極型相仿。,4.3.2 可編程ROM（PROM）, 這類ROM允許用戶用特定的編程器 向ROM中寫入數(shù)據(jù)，寫入后，不能修改。, 有P-N結(jié)破壞型和熔絲燒斷型兩種, 寫入時(shí)，字線加電壓E。若寫“1”，則位線D加負(fù)壓，將反向偏置的二極管擊穿；若寫“0”，位線上不加負(fù)壓，PN結(jié)不燒穿。,1. PN結(jié)破壞型PROM(圖4.22), 寫入時(shí)，在字線和位線向加高電壓，使熔絲燒斷，燒斷存0，不燒斷存1。,2. 熔絲燒斷型(圖4.23),4.3.3 可擦除和編程的ROM（EPROM）, 采用浮柵雪崩注入MOS存儲(chǔ)器

20、FAMOS（floating gate avalanche injection mos）。,1. FAMOS EPROM的寫入, 漏極上加正高壓（2030V），浮動(dòng)?xùn)派蠋в凶銐蚨嗟恼姾?，電位可達(dá)+10V左右，好象浮動(dòng)?xùn)派辖佑?0V電源一樣，使FAMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)。, 寫入完畢后，撤消D極上的高壓，由于Sio2層的絕緣性很好（10141015 ），注入浮柵的電荷無(wú)瀉放回路而保留在浮柵上。,2FAMOS型EPROM的讀出, 若TD（FAMOS）管柵極帶有正電荷，讀出“0”。 若TD柵極不帶電荷，讀出“1”。,3. FAMOS芯片中信息的抹除, 用紫外線或X射線照射，使能量大的光子與浮柵上的電

21、荷發(fā)生能量交換和轉(zhuǎn)移，使空穴獲得足夠大的能量，通過(guò)Sio2層返回襯底，浮柵不再帶電。, 把EPROM芯片上的石英窗口對(duì)著紫外線燈，距離3cm遠(yuǎn)，照射820分鐘，可抹除芯片上全部信息。, EPROM芯片27256（32K8）,4.3.4 電擦除電改寫只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）, 電擦除電改寫只讀存儲(chǔ)器又叫EEPROM或E2PROM（Electrically Erasable and Programmable Rom）。, 在讀數(shù)據(jù)的方式上與EPROM完全一樣，優(yōu)點(diǎn)是可以用電來(lái)擦除和重編程。, E2PROM在每次寫入操作時(shí)執(zhí)行一個(gè)自動(dòng)擦除，因此比RAM的寫操作慢的多。E2ROM可進(jìn)行10000次擦

22、除，在不受干擾時(shí)，存放的數(shù)據(jù)至少可維持10年。,東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育,計(jì)算機(jī)組成原理,第 二十一 講,主講教師： 王健,4.4 高速緩沖存儲(chǔ)器 4.4.1 工作原理, 設(shè)置高速緩存(Cache)是為了解決CPU 和主存之間的速度匹配問(wèn)題, 高檔微機(jī)中為獲得更高的效率，不僅設(shè)置了獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache，還設(shè)置二級(jí)或三級(jí) Cache 。, 高速緩存通常由雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器或SRAM組成。, 地址映象以及和主存數(shù)據(jù)交換機(jī)構(gòu)全由硬件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)程序員透明。, 訪問(wèn)Cache的時(shí)間一般為訪問(wèn)主存時(shí)間的1/41/10；Cache存儲(chǔ)器已在大、中、小及微型機(jī)上普通采用。, 主存和Cache均是模塊化

23、的（以頁(yè)為單位）， 并且兩者之間交換數(shù)據(jù)以頁(yè)為單位進(jìn)行。, Cache的基本結(jié)構(gòu)和工作原理(圖4.27), CPU訪存地址送到Cache，經(jīng)相聯(lián)存儲(chǔ)映象表的地址映射變換，要訪問(wèn)的內(nèi)容在Cache中，則稱為“命中”，CPU要訪問(wèn)的內(nèi)容不在Cache中，“不命中”或稱“失靶”，則CPU送來(lái)地址直接到主存中讀取數(shù)據(jù)。, 訪存地址是同時(shí)送到Cache和主存中的。如果訪問(wèn)“未命中”，除了本次訪問(wèn)對(duì)主存進(jìn)行存取外，主存和Cache之間還要通過(guò)多字寬通路交換數(shù)據(jù)。, 主存內(nèi)容在寫入Cache過(guò)程中，如果Cache已滿，要按某種替換策略將Cache中一頁(yè)調(diào)出寫回主存。這種替換算法可以是最近最少使用算法（LRU

24、）或其它算法，這由相應(yīng)的管理邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。, 地址變換、替換等步驟必須全部由硬件來(lái)完成。,4.4.2 映射方式, 假定主存空間被分為2m個(gè)頁(yè) （頁(yè)號(hào)為0、1、2.2m-1）,每頁(yè)大小為2b個(gè)字節(jié)。, Cache空間的分配以及數(shù)據(jù)交換都以頁(yè) 為單位進(jìn)行。, Cache存儲(chǔ)空間分為2c頁(yè)，每頁(yè)也是2b個(gè)字 （當(dāng)然mc）。, 映象函數(shù), 為了便于根據(jù)CPU送來(lái)的地址信息到Cache中去讀取數(shù)據(jù)，必須有某種函數(shù)把主存地址映象成Cache地址。實(shí)現(xiàn)這種映象的函數(shù)叫映象函數(shù)。, 選取何種映象方法，取決于在給定地址映象和變換的硬件條件下，能否達(dá)到高速度，以及能否使塊沖突的概率小。, 常用的地址映象方式, 有直

25、接映象、全相聯(lián)映象和組相聯(lián)映象。, 塊沖突：要調(diào)一個(gè)主存塊到Cache中，而該主存塊要進(jìn)入的Cache塊已被其它主存塊占據(jù)。,1. 直接映象法, 主存和Cache頁(yè)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖4.28), 主存的頁(yè)以2c為模映象到Cache的固定位置上。由映象函數(shù)還可以看出，主存頁(yè)號(hào)的低C位（即jmod 2c）正好是它要裝入的Cache的頁(yè)號(hào)。, 直接映象函數(shù)為i=jmod 2c ，其中i是Cache頁(yè)號(hào)，j是主存頁(yè)號(hào)。, T位標(biāo)志用來(lái)區(qū)別記入的是主存中的哪一頁(yè)，在一個(gè)新頁(yè)送入Cache時(shí)，把主存地址的高t位存入Cache的標(biāo)志字段中。, 否則“不命中”（或失靶），CPU直接從主存讀出。, 直接映象的優(yōu)點(diǎn)

26、是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是不夠靈活。, 主存和Cache的讀出, CPU訪問(wèn)時(shí)，首先根據(jù)訪存地址中 的C位(頁(yè)號(hào))，直接查出該主存對(duì)應(yīng)的Cache頁(yè)號(hào)。, 找到對(duì)應(yīng)的Cache頁(yè)后，檢查它的標(biāo)記和主存的高t位是否一致。若一致，訪問(wèn)“命中”，再根據(jù)頁(yè)內(nèi)地址(b位)，從Cache中讀數(shù)據(jù)。, 出現(xiàn)Cache中還有很多空頁(yè)，也必須對(duì)指定的Cache頁(yè)進(jìn)行替換。,2. 全相聯(lián)映象法, 對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖4.30） 主存中任一頁(yè)可裝入Cache內(nèi)任一頁(yè)的位置。, 采用存放于相聯(lián)存儲(chǔ)器中的目錄表來(lái)實(shí)現(xiàn)地址映象；以加快“主存Cache”地址變換速度。, 相聯(lián)表中無(wú)相同的頁(yè)號(hào)，表示主存頁(yè)未裝入Cache，失靶，去主存讀。

27、, 主存Cache地址變換過(guò)程（圖4.31）, 讓主存頁(yè)號(hào)與目錄表中各項(xiàng)的頁(yè)號(hào)作相聯(lián)比較；如有相同的，則將對(duì)應(yīng)行的Cache頁(yè)號(hào)取出，拼接上頁(yè)內(nèi)地址就形成了Cache地址。, 優(yōu)點(diǎn)是塊沖突概率最低；但查表速度難以提高。幾乎沒(méi)有單純采用全相聯(lián)映象法。,3. 組相聯(lián)映象法, 組相聯(lián)映象法的映象規(guī)則 將Cache空間分成組，每組2s頁(yè)（稱為2s路相聯(lián)），Cache有2q組。, 全相聯(lián)映象法和直接映象法結(jié)合起來(lái)，就產(chǎn)生了組相聯(lián)映象法。, 主存分成2m個(gè)區(qū)，每區(qū)共有2q頁(yè)。主存某區(qū)的頁(yè)允許映射到固定組內(nèi)的任意頁(yè)。, 主存地址構(gòu)成（圖4.32 ）：, 圖中，q=7，則Cache有128組；s=1，每組2頁(yè)

28、(稱為2路相聯(lián))，每頁(yè)32字節(jié)，Cache容量共為8KB。, 主存地址32位，m=20，最大可分成220個(gè)區(qū)；每區(qū)128(2q)頁(yè)，每頁(yè)32個(gè)字節(jié)。, 主存Cache地址變換過(guò)程 訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，根據(jù)CPU給出地址的中間7位去Cache中選擇某一組。拿組中每一頁(yè)的標(biāo)記逐一與CPU給出地址中的標(biāo)記(20位)送比較器進(jìn)行比較。, 若有一致者，則“命中”，再根據(jù)字地址從Cache 中讀出內(nèi)容；若無(wú)一致者，則“失靶”，則根據(jù)CPU 地址去主存中讀出。, 在組相聯(lián)映象法中，某區(qū)的第i頁(yè)可以調(diào)入i組中的任意一頁(yè)。比直接映象法靈活。, 組相聯(lián)映象法在各組間用直接映象，組內(nèi)各頁(yè)則是全相聯(lián)映象。, S的選取決定了

29、頁(yè)沖突的概率和地址映象的復(fù)雜性。S字段越大，則Cache頁(yè)沖突越低，而相聯(lián)映象表也越大。,4.4.3 替換算法, 常用的方法有FIFO，及LRU法，且常用命中率 （Hit Ratio）來(lái)衡量Cache存儲(chǔ)器的效果指標(biāo)。, 訪存時(shí)出現(xiàn)Cache頁(yè)失靶，需要將主存頁(yè)按所采用的映象規(guī)則裝入Cache。, 如果此時(shí)出現(xiàn)頁(yè)沖突，就必須按某種策略將Cache頁(yè)替換出來(lái)。, Cache頁(yè)失靶處理, 替換策略的選取, 替換策略的選取要根據(jù)實(shí)現(xiàn)的難易，以及是否能獲得高的命中率兩方面因素來(lái)決定。,1. 先進(jìn)先出法（FIFO）, 選擇最早裝入的Cache頁(yè)為被替換的頁(yè)， 采用這種算法，有可能產(chǎn)生較大的頁(yè)失效率。,2

30、“近期最少使用”算法（LRU）, 選擇近期最少使用訪問(wèn)的Cache頁(yè)為調(diào)出頁(yè)，這種算法能比較正確地反映程序的局部性；, 具體實(shí)現(xiàn)比FIFO算法要復(fù)雜一些，替換算法只能全部用硬件方法實(shí)現(xiàn)。, LRU算法的平均命中率比FIFO算法高，而且隨著分組容量的加大，LRU算法命中率必定提高。, 說(shuō)明兩種替換算法的工作原理和命中率(圖4.33), 也不是分組容量越大越好，因?yàn)榻M內(nèi)采用全相聯(lián)映象法，隨著組內(nèi)容量的增大，其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性也增加。,4.4.4 Cache主存內(nèi)容的一致性問(wèn)題, CPU執(zhí)行寫操作時(shí)，要寫的內(nèi)容恰在Cache中，則Cache內(nèi)容被更改，但該單元對(duì)應(yīng)的主存內(nèi)容尚沒(méi)有改變，這就產(chǎn)生了Cach

31、e和主存內(nèi)容不一致的情況。, 解決問(wèn)題的關(guān)鍵是選擇更新主存內(nèi)容的算法；采 用兩種算法。, 寫回法（Write back） 處理機(jī)執(zhí)行寫操作時(shí)，信息只寫入Cache，當(dāng)Cache頁(yè)被替換時(shí)，將該頁(yè)內(nèi)容寫回主存后，再調(diào)入新頁(yè)。, 處理機(jī)進(jìn)行寫操作時(shí)，利用“Cache主存”層次 中存在于處理機(jī)和主存之間的通路將信息也寫回主存。, 寫直達(dá)則在每次寫入時(shí)，都要附加一個(gè)比寫Cache長(zhǎng)得多的寫主存時(shí)間；寫直達(dá)法的開銷大一些，但其一致性保持要好一些。, 寫直達(dá)法又稱存直達(dá)法，, 在頁(yè)替換時(shí)，就不必將被替換的Cache頁(yè)內(nèi)容寫回，可以直接調(diào)入新頁(yè)。, 采用兩種算法比較, 寫回法的開銷是在頁(yè)替換時(shí)的回寫時(shí)間；,

32、4.4.5 Cache 結(jié)構(gòu)舉例,1Pentium Cache 結(jié)構(gòu), Pentium微處理器在芯片內(nèi)集成了一個(gè)代碼Cache 和一個(gè)數(shù)據(jù)Cache（圖4.34）,2Power PC Cache 結(jié)構(gòu), 3個(gè)可以并行工作的整數(shù)ALU，和一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算部件，該浮點(diǎn)運(yùn)算部件有自己的寄存器、乘法、加法和除法運(yùn)算部件。,4.5 虛擬存儲(chǔ)器 4.5.1 虛擬存儲(chǔ)器的功能, 問(wèn)題的提出： 系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序要求主存容量越來(lái)越大，, 地址字能直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間，比主存的實(shí)際存儲(chǔ)空間大得多。程序員用這種較長(zhǎng)的地址字編程序，會(huì)感到主存容量不夠用。, 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)： 將一部分（或全部）輔存和主存結(jié)合，把兩者的地址空

33、間統(tǒng)一編址，形成比實(shí)際主存空間大得多的邏輯地址空間。, 訪存時(shí)，用軟、硬件結(jié)合的方法，將邏輯地址（虛地址）轉(zhuǎn)化為物理地址（實(shí)地址）。, Cache的替換算法和地址映象方式完全由硬件實(shí)現(xiàn)，在虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，用軟、硬件結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。, 虛擬存儲(chǔ)器的功能, 虛擬存儲(chǔ)器是一種解決存儲(chǔ)容量和存取速度 矛盾的一種有效措施，是管理存儲(chǔ)設(shè)備的有效方法。, 采用虛擬存儲(chǔ)器，用戶編制程序時(shí)就無(wú)需考慮所編程序在主存中是否放得下以及放在什么位置等問(wèn)題。給軟件編程提供了極大的方便。, 虛擬存儲(chǔ)器使計(jì)算機(jī)具有輔存的容量，接近于主存的速度和輔存的位成本。, “主存輔存”層次和“Cache主存”層次采用的地址變換及映象方

34、法和替換策略，在原理上是類似的。,4.5.2 虛擬存儲(chǔ)器的基本管理方法, 虛擬存儲(chǔ)器的管理方式有段式、頁(yè)式或段頁(yè)式三種。, 段是利用系統(tǒng)的模塊化性質(zhì)，按照程序的邏輯結(jié)構(gòu)劃分成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立部分(過(guò)程、子程序、數(shù)據(jù)表、陣列)；把主存按段分配的存儲(chǔ)管理方式稱為段式管理。, 可以把段作為基本信息單位在主存輔存之間傳送和定位。, 用段表來(lái)指明各段在主存中的位置；每段都有它的名稱（用戶名或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)名或段號(hào)）、段起點(diǎn)、段長(zhǎng)等。, 由于段的長(zhǎng)度各不相同，段的起點(diǎn)和終點(diǎn)不定，給主存空間分配帶來(lái)麻煩，且容易在實(shí)存中留下許多空白的零碎存儲(chǔ)空間不好利用，造成浪費(fèi)。, 段式管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和不足, 段的分界與程序的自然分

35、界相對(duì)應(yīng)；段的邏輯獨(dú)立性使它易于編譯、管理、修改和保護(hù)，也便于多道程序共享；, 某些類型的段（堆棧、隊(duì)列）具有動(dòng)態(tài)可變長(zhǎng)度，允許自由調(diào)度以便有效利用主存空間。, 比段式管理系統(tǒng)中段外空間的浪費(fèi)要小的多。, 頁(yè)式管理系統(tǒng)的基本信息傳送單位是定長(zhǎng)的頁(yè)， 主存的物理空間也被劃分為等長(zhǎng)的固定區(qū)域(其 容量要比段小得多)，稱為頁(yè)面。, 可采用分段和分頁(yè)結(jié)合的段頁(yè)式存儲(chǔ)管理系統(tǒng) 程序按模塊分段，段內(nèi)再分頁(yè)，進(jìn)入主存仍以頁(yè)為基本信息傳送單位；, 由于頁(yè)不是邏輯上獨(dú)立的實(shí)體，所以處理、保護(hù)和共享都不及段式來(lái)得方便。, 用段表和頁(yè)表（每段一個(gè)頁(yè)表）進(jìn)行兩級(jí)定位管理。,1. 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器, 虛存地址分為兩個(gè)字段

36、：高位字段為邏輯頁(yè)號(hào)，低位字段為頁(yè)內(nèi)地址。, 在頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，把虛擬空間分成頁(yè)，稱為邏輯頁(yè)；主存空間也分成同樣大小的頁(yè)，稱為物理頁(yè)。, 實(shí)存地址也分兩個(gè)字段：高位字段為物理頁(yè)號(hào)，低位字段為頁(yè)內(nèi)地址。, 兩者的頁(yè)面大小一樣，頁(yè)內(nèi)地址是相等的。, 頁(yè)式管理的地址變換(圖4.37), 一個(gè)虛存邏輯頁(yè)號(hào)有一個(gè)表項(xiàng)，表項(xiàng)內(nèi)容包含該邏輯頁(yè)所在的主存頁(yè)面地址（物理頁(yè)號(hào)）、裝入位、替換控制位及其它保護(hù)位等；, 虛存地址到主存實(shí)地址的變換是由放在 主存中的頁(yè)表來(lái)實(shí)現(xiàn)。, 用主存頁(yè)面地址作為實(shí)（主）存地址的高字段，與虛存地址的頁(yè)內(nèi)地址字段相拼接，就產(chǎn)生了完整的實(shí)存地址，用來(lái)訪問(wèn)主存。, 裝入位為“1”，表

37、示該邏輯頁(yè)已從外存調(diào)入內(nèi)存；反之， 則表示對(duì)應(yīng)的邏輯頁(yè)未調(diào)入內(nèi)存。從輔存中讀出新的頁(yè)到主存中來(lái)。, 經(jīng)快表與慢表實(shí)現(xiàn)地址變換的方式（圖4.38）, 快表由硬件組成，它比頁(yè)表小得多；, 由邏輯頁(yè)號(hào)同時(shí)去查快表和慢表，當(dāng)在快表中有此邏輯頁(yè)號(hào)時(shí)，能很快地找到對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)送入實(shí)存地址寄存器，并使慢表的查找作廢；, 如果在快表中查不到，要花費(fèi)一個(gè)訪主存時(shí)間查慢表，從中查到物理頁(yè)號(hào)送入實(shí)存地址寄存器，并將此邏輯頁(yè)號(hào)和對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)送入快表，替換快表中應(yīng)該移掉的內(nèi)容。,2. 段式虛擬存儲(chǔ)器, 虛擬地址由段號(hào)和段內(nèi)地址組成。, 通過(guò)段表把虛擬地址變換成實(shí)存地址, 段表格式(圖4.39),3. 段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)

38、器, 段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器是段式虛擬存儲(chǔ)器和頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器的結(jié)合。, 把程序按邏輯單位分段以后，再把每段分成固定大小的頁(yè)。程序?qū)χ鞔娴恼{(diào)入調(diào)出是按頁(yè)面進(jìn)行的，按段實(shí)現(xiàn)共享和保護(hù)。, 它兼有頁(yè)式和段式的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是在地址映象過(guò)程中需要多次查表。, 虛擬地址向?qū)嵈娴刂返淖儞Q過(guò)程(圖4.40), 在訪問(wèn)某段時(shí)，如果段內(nèi)地址值超過(guò)段的 長(zhǎng)度，則發(fā)生地址越界中斷。, 段表中的每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)段，每個(gè)表項(xiàng)有一個(gè)指向該段的頁(yè)表起始地址的指針和該段的控制保護(hù)信息。, 每道程序是通過(guò)一個(gè)段表和一組頁(yè)表來(lái)進(jìn)行 定位。, 目前，大、中型機(jī)一般都采用這種段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式。, 頁(yè)表指明該段各頁(yè)在主存中的位置以及是否已裝入

39、、修改等狀態(tài)信息。, 多道程序虛擬地址, 用基號(hào)（用戶標(biāo)志號(hào)）指明該道程序的段表 起始地址（存放在基址寄存器中）。, 多道程序虛擬地址格式：, 例：有三道程序（用戶標(biāo)志號(hào)為P1，P2，P3），其基址寄存器內(nèi)容分別為B1，B2，B3，, 邏輯地址到物理地址的變換（圖4.41）, 若只有一個(gè)基址寄存器，基號(hào)可以不要，在多道程序切換時(shí)，由操作系統(tǒng)修改基址寄存器的內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)。, 上述每一張表的每一行都要設(shè)置一個(gè)有效位；若有效位均為“0”，訪問(wèn)失敗，則發(fā)中斷請(qǐng)求操作系統(tǒng)建表。,4. 替換算法, 頁(yè)式管理中，產(chǎn)生頁(yè)面失效時(shí)，要從外存 調(diào)進(jìn)包含有這條指令或數(shù)據(jù)的頁(yè)面。, 主存中的內(nèi)容與外存保持一致 頁(yè)表的每

40、一行設(shè)置一修改位，當(dāng)該頁(yè)剛調(diào)入主存時(shí)，此位為“0”，當(dāng)對(duì)該頁(yè)內(nèi)任一地址進(jìn)行寫入時(shí)，就把該位修改為“1”。, 在頁(yè)被替換時(shí)，檢查其修改位，如為“1”，先將該頁(yè)內(nèi)容從主存寫入外存，然后再?gòu)耐獯娼邮招碌囊豁?yè)。, 假如主存頁(yè)面已全部被占滿，通常采用LRU算法，把“近期最少使用的頁(yè)”替換出去。,4.6 輔助存儲(chǔ)器 4.6.1 磁表面存儲(chǔ)器, 磁表面存儲(chǔ)器包括磁鼓、磁帶、磁盤和磁卡片等。目前，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以磁盤和磁帶為主。, 本節(jié)主要介紹磁表面存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理、數(shù)據(jù)的記錄方式以及磁盤和磁帶的結(jié)構(gòu)及尋址方式。, 磁表面存儲(chǔ)器主要用作輔存，可存儲(chǔ)大量的程序和數(shù)據(jù)，需要時(shí)，調(diào)入主存供CPU訪問(wèn)。屬I/O設(shè)備。

41、,1. 磁表面存儲(chǔ)原理,(1)磁層和磁頭 磁層是存放信息的介質(zhì)，由非矩形剩磁特性的導(dǎo)磁材料（氧化鐵、鎳鈷合金等）構(gòu)成。, 將用這種材料制成的磁膠涂敷或鍍?cè)谳d磁體上，其厚度通常為0.15m，以記錄信息。, 磁層材料的剩磁（BR）要大（讀出信息大），矯頑力HC要合適（較小的寫電流）；磁層厚度要?。ㄌ岣哂涗浢芏龋?；生成磁層的工藝、機(jī)械性能好。, 磁頭是實(shí)現(xiàn)“磁電”和“電磁”轉(zhuǎn)換的元件, 磁頭由高導(dǎo)磁率的軟磁性材料（如坡莫合金 和高頻鐵氧體）做成鐵芯，在鐵芯上開有縫隙并繞有線圈。, 用磁頭對(duì)磁層進(jìn)行信息讀寫的原理, 磁頭中的縫隙形狀和尺寸將直接影響記錄密度和讀出幅度。, 磁頭分讀磁頭、寫磁頭和讀/ 寫

42、磁頭，其鐵芯上的線圈分別稱為讀線圈、寫線圈和讀/寫線圈。,(2) 磁表面存儲(chǔ)器的讀寫過(guò)程 磁頭固定，磁層作高速回轉(zhuǎn)或勻速直線運(yùn)動(dòng)； 在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，通過(guò)磁頭縫隙對(duì)磁層進(jìn)行信息存取。, 信息寫入過(guò)程 寫線圈中通以寫電流脈沖，磁頭縫隙處的磁場(chǎng)穿過(guò)磁層中一微小區(qū)域，使該區(qū)域磁層以一定方向磁化，且保持該方向的剩磁（+BR或-BR）。, 信息讀出過(guò)程 磁頭與磁層作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)磁層中記錄單元運(yùn)動(dòng)到磁頭縫隙下面時(shí)，在磁頭中產(chǎn)生較大的磁通變化，讀線圈兩端產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢(shì)E，經(jīng)讀出放大電路整形和放大后成為讀出信號(hào)。,(3) 磁表面存儲(chǔ)器的性能指標(biāo), 在磁道中，單位長(zhǎng)度內(nèi)存放的二進(jìn)制信息的數(shù)目叫位密度。位密度的單

43、位為bPI（每英寸二進(jìn)制位數(shù)）。軟盤位密度約每英寸400010000位。, 記錄密度 記錄密度可用道密度和位密度來(lái)表示。, 磁道是在磁層運(yùn)動(dòng)方向上被磁頭掃過(guò)的軌跡。一個(gè)磁表面會(huì)有許多磁道。, 在沿磁道分布方向上，單位長(zhǎng)度內(nèi)的磁道數(shù)目，叫道密度。常用的道密度單位為TPI（每英寸磁道數(shù)），目前軟磁盤的道密度約40150TPI。, 存儲(chǔ)容量 指整個(gè)存儲(chǔ)器所能存放的二進(jìn)制字?jǐn)?shù)或字節(jié)數(shù)。 它與磁表面大小和記錄密度密切相關(guān)。, 磁鼓容量最小，為幾兆字節(jié)。磁帶容量最大，為若干億字節(jié)；磁盤介于兩者之間。, 磁盤的平均尋道時(shí)間一般為1020ms；等待時(shí)間一般取磁盤旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的一半，假如磁盤轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)

44、/分，等待時(shí)間約為5ms。, 磁帶的定位時(shí)間與走帶速度和帶長(zhǎng)有關(guān)，帶愈長(zhǎng)，帶速愈慢，其平均時(shí)間愈長(zhǎng)。, 平均存取時(shí)間 存取時(shí)間應(yīng)包括定位和等待這兩部分時(shí)間。, 數(shù)據(jù)傳送速率, 由于磁表面存儲(chǔ)器和主存之間的數(shù)據(jù)交換常以批量方式進(jìn)行，故傳送速率較大。如軟磁盤傳送一個(gè)字節(jié)約為幾個(gè)微秒，而硬盤每秒可傳送幾兆字節(jié)。, 數(shù)據(jù)傳送速率是指磁表面存儲(chǔ)器完成定位和等待操作以后，單位時(shí)間內(nèi)與主機(jī)交換數(shù)據(jù)的二進(jìn)制信息量，以位/秒或字節(jié)/秒表示。,（4）數(shù)據(jù)記錄方式 記錄方式取決于寫入磁化電流波形的組合 方式。記錄方式的選取將直接影響記錄密 度、存儲(chǔ)容量、傳送速率以及讀/寫的控制邏輯。, 數(shù)據(jù)記錄方式按照寫信息所施加

45、的電流波形的極性、頻率和相位的不同，有歸零制、不歸零制、調(diào)相制和調(diào)頻制等。, 歸零制（RZ） 寫“1”用正脈沖，寫“0”用負(fù)脈沖，一位信息寫完后，電流總回歸到零。, 磁化單元的剩磁方向，在存“1”時(shí)為+Br，存“0”時(shí)為Br。, 歸零制的寫電流波形（圖4.42）, 歸零制主要特點(diǎn) 寫入前先退磁，兩個(gè)信息位之間有未磁化的間隙（B=0），記錄密度較低。,每個(gè)位單元有兩個(gè)讀出波形，具有自同步能力，即能從本磁道讀出的信息脈沖序列中提取出選通時(shí)鐘信號(hào)，而無(wú)需增加附加的同步磁道。, 不歸零-1（NRZ1）制（圖4.43） 寫電流只在寫“1”時(shí)改變方向，寫“0”時(shí)寫電流 不變，所以又稱作“見(jiàn)1就翻”不歸零制

46、。, 信息位間無(wú)“間隙”，記錄密度較高。, 存“1”才能讀出信號(hào)，存“0”無(wú)讀出信號(hào)，故無(wú)自同步能力。電流不回到零，功耗較大。, 調(diào)相制（PM制）（圖4.44） 利用寫電流的相位不同實(shí)現(xiàn)寫“1”和寫“0”的 一種記錄方式。若寫“0”時(shí)，寫電流先正后負(fù)； 而寫“1”時(shí)，寫電流是先負(fù)后正。, 主要特點(diǎn)：無(wú)論寫1還是寫0，在一個(gè)位信息期間，寫電流相位至少有一次改變。利用記錄信號(hào)變向，可生成讀同步脈沖。, 調(diào)頻制（FM制）（圖4.45） 寫入一個(gè)二進(jìn)制信息時(shí)，磁頭中通入的寫電流的頻率是不相同的。, 調(diào)頻制特點(diǎn)： 1) 每記錄一個(gè)代碼時(shí)，在兩個(gè)信息位的交界處，寫電流一定改變方向。,2) 寫“1”時(shí)，寫電

47、流的頻率比寫“0”時(shí)的頻率高一倍。,3) 有自同步能力。, 改進(jìn)調(diào)頻制（MFM制）（圖4.46 ） 改進(jìn)調(diào)頻制和調(diào)頻制的區(qū)別在于去掉了FM制中的冗余信息，, 其特點(diǎn)是： 1) 寫電流不是在每個(gè)位周期的起始處都翻轉(zhuǎn)，而是只有 連續(xù)記錄兩個(gè)或兩個(gè)以上0時(shí)，才在位周期的起始處翻轉(zhuǎn)一次；,2) 逢1在位中央翻轉(zhuǎn)一次。仍然保持了自同步能力，而使記錄密度提高，故又稱倍密度記錄方式，在磁盤中得到廣泛應(yīng)用。,2. 磁盤存儲(chǔ)器, 以磁盤或磁盤組作為存儲(chǔ)介質(zhì)的記錄裝置， 又叫磁盤機(jī)。具有記錄密度高、容量大、 速度快等優(yōu)點(diǎn)，普遍使用的一種輔助存儲(chǔ)器。, 根據(jù)盤片的構(gòu)成及其可更換性分類：, 硬磁盤存儲(chǔ)器的基本組成（圖

48、4.47） 主要由磁記錄介質(zhì)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁盤控制器三大部分組成。,(1) 硬磁盤存儲(chǔ)器, 溫徹斯特磁盤存儲(chǔ)器 可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤存儲(chǔ)器，用密封組合式結(jié)構(gòu)，具有防塵性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。, 溫盤的盤片直徑有14吋、8吋、5.25吋和3.5吋等幾種，用于IBM PC 系列機(jī)的溫盤一般是3.5吋的，現(xiàn)在容量可達(dá)20GB以上。, 硬盤驅(qū)動(dòng)器 硬盤驅(qū)動(dòng)器是精密的機(jī)電裝置，由定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。加工和安裝有嚴(yán)格的技術(shù)要求，在超凈環(huán)境下組裝。, 磁盤驅(qū)動(dòng)器的邏輯操作歸納為尋址、讀盤和寫盤。, 讀寫操作 判斷所找扇區(qū)已轉(zhuǎn)到磁頭下方。扇區(qū)定位成功，輸出扇區(qū)符合信號(hào)。, 尋

49、址操作 根據(jù)控制字中的盤地址（柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)）找出目標(biāo)磁道和記錄塊位置。,控制器的讀寫控制電路動(dòng)作。,寫操作：就將數(shù)據(jù)送入寫電路,寫電路根據(jù)記錄方式生成相應(yīng)的寫電流脈沖。,讀操作：根據(jù)道、扇區(qū)地址讀出內(nèi)容送盤控制器。, 磁盤控制器 磁盤控制器是主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口；與和主機(jī)之間采用成批數(shù)據(jù)交換方式。, 磁盤控制器與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間并沒(méi)有明確的界線，, 磁盤上的信息分布 磁盤表面稱為記錄面，記錄面上一系列同心圓稱為磁道（track），有雙面和單面之分。, 每個(gè)記錄面上都有一個(gè)磁頭，在尋道時(shí)同步運(yùn)動(dòng)。, 磁盤組上直徑相同的磁道構(gòu)成一個(gè)柱面(Cylinder)，柱面從外向里編址。, 定長(zhǎng)

50、記錄格式 每個(gè)記錄塊記錄的字節(jié)數(shù)固定。如IBM PC 中每記錄塊記錄128、256或512字節(jié)。,頭空：不記數(shù)據(jù)(記全1)，磁盤轉(zhuǎn)過(guò)該區(qū)域的時(shí)間是留給磁盤控制器作準(zhǔn)備用的。,定長(zhǎng)記錄格式中每個(gè)扇區(qū)記錄一個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)扇區(qū)有頭空、ID域、間隙、數(shù)據(jù)域和尾空。, 尾空：在數(shù)據(jù)塊和數(shù)據(jù)塊的CRC碼后的區(qū)域， 也記全1。,序標(biāo)：又稱同步字符，標(biāo)志扇區(qū)開始的代碼。,扇區(qū)地址：包括柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)等。,從序標(biāo)開始的CRC碼。 數(shù)據(jù)域又有同步字符、數(shù)據(jù)標(biāo)志、數(shù)據(jù)和相應(yīng)的CRC組成。, ID域：又由序標(biāo)、扇區(qū)地址和相應(yīng)CRC組成。, IBM PC機(jī)所用軟盤的記錄格式，硬盤的記錄格式與之類似(圖4.51

51、)。, 理論上的柱面數(shù)應(yīng)該等于（磁盤有效記錄區(qū)外徑-有效記錄區(qū)內(nèi)徑）2道密度。, 硬盤容量和數(shù)據(jù)傳輸率的計(jì)算,(a) 未格式化容量的計(jì)算 按道密度和位密度計(jì)算出來(lái)的容量，沒(méi)有考慮由于格式化引入的各種附加信息，稱未格式化的容量，它比格式化后的實(shí)際容量要大。, 未格式化容量=記錄面數(shù)理論柱面數(shù)內(nèi)圓周長(zhǎng)位密度（bit）, 磁道能記錄的二進(jìn)制信息位的理論值等于內(nèi)圓周長(zhǎng)位密度；內(nèi)圓的記錄密度最大。, 實(shí)際容量=記錄面數(shù)實(shí)際柱面數(shù)每道扇區(qū)數(shù) 每扇區(qū)的字節(jié)數(shù)（字節(jié)容量）,(b)格式化后容量（實(shí)際容量）的計(jì)算, 數(shù)據(jù)傳輸率等于單位時(shí)間內(nèi)磁頭劃過(guò)的磁道弧長(zhǎng)乘以位密度 數(shù)據(jù)傳輸率=（每分鐘轉(zhuǎn)速60）內(nèi)圓周長(zhǎng) 位密

52、度（bit/S）,(c)數(shù)據(jù)傳輸率, 數(shù)據(jù)傳輸率是單位時(shí)間內(nèi)磁盤與主機(jī)交換數(shù)據(jù)的二進(jìn)制信息量；,(2) 軟磁盤存儲(chǔ)器, 軟磁盤存儲(chǔ)器與硬磁盤存儲(chǔ)器的差別 1) 硬盤（溫盤）轉(zhuǎn)速高，磁頭與磁層不接觸；而軟盤轉(zhuǎn)速低，磁頭與磁層接觸。,2) 大多數(shù)硬盤采用固定盤組，軟盤單片使用。,3) 硬盤系統(tǒng)價(jià)格高，存儲(chǔ)量大，存取速度快；軟盤價(jià)廉，存儲(chǔ)量小，存取速度較慢,4) 硬盤盤片不可拆卸，一般不能互換，軟盤是可拆卸的且可互換。, 軟盤驅(qū)動(dòng)器和控制器 軟盤驅(qū)動(dòng)器主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、磁頭及定位機(jī)構(gòu)和讀寫電路組成。, 軟盤盤片 軟盤盤片由聚酯塑料制成，厚度幾十微米，上面凃有磁層，封裝在方形外殼中。, 軟盤控制器解釋來(lái)

53、自主機(jī)的命令，向軟盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，并檢測(cè)軟盤驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式向驅(qū)動(dòng)器讀寫數(shù)據(jù)。, 具體控制有：尋道操作、地址檢測(cè)、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、初始化等。,4.6.2 光盤存儲(chǔ)器,1. 光盤存儲(chǔ)器的分類, 光盤存儲(chǔ)器是一種采用聚焦激光束在盤形介質(zhì)上高密度地記錄信息的存儲(chǔ)裝置。, 只讀型光盤 只讀型光盤由生產(chǎn)廠家預(yù)先用激光在盤片上蝕刻而成，信息不能改寫。 如LV、CD、CD-ROM，已相當(dāng)普及。, 具有記錄密度高、存儲(chǔ)容量大、信息保存壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠、環(huán)境要求低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于文件、聲音和圖象等，各種數(shù)字化信息的存儲(chǔ)。, 可重寫型光盤是讀/寫型光盤，第一代是改寫型，第二代是重寫型。

54、按記錄介質(zhì)不同可分為磁光型、相變型兩大類。, 一次寫入型光盤 由用戶一次寫入、可多次讀出但不能擦除的光盤。, 要修改的數(shù)據(jù)只能追記在盤片上的空白處，用于不需要修改的應(yīng)用場(chǎng)合。, 磁光型記錄技術(shù)既有光記錄信息的高密度，又有磁記錄介質(zhì)的可擦除重寫特點(diǎn)，在可重寫型光盤中占據(jù)重要地位。,2. 光盤存儲(chǔ)器的基本工作原理,(1) 只讀型光盤的信息存儲(chǔ)機(jī)理, 所有只讀型光盤上的信息都以坑點(diǎn)形式分布，一系列的坑點(diǎn)（信息元）形成信息記錄道。, 只讀型光盤是生產(chǎn)廠家制造，為了大量復(fù)制，需要制作母盤。將存儲(chǔ)信息以表面坑點(diǎn)形式轉(zhuǎn)錄在母盤上。,(2) 一次寫入型光盤的信息存儲(chǔ)機(jī)理 記錄數(shù)據(jù)以直接可讀的方式錄刻在光盤上。

55、一旦錄制完畢，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就不能再行改寫。, 用強(qiáng)激光束照射薄膜，可在膜層上燒蝕或蒸發(fā)出凹坑點(diǎn)（信息元）。,3. 磁光盤存儲(chǔ)器, 磁光存儲(chǔ)技術(shù)采用熱磁光記錄方法來(lái)完成寫擦功能。又稱熱磁寫入。, 是光學(xué)錄制與磁性介質(zhì)可逆特性相結(jié)合的產(chǎn)物。磁光介質(zhì)由鐵磁材料薄膜組成，它在垂直于表面的方向上十分容易磁化。,第5章 指令系統(tǒng),計(jì)算機(jī)的指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令 之分。微指令是微程序級(jí)的命令，屬于硬件；宏指 令是由若干機(jī)器指令組成，屬于軟件；機(jī)器指令介 于二者之間，因而是硬件和軟件的界面。,一臺(tái)計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的機(jī)器指令全體稱為該機(jī)的指令 系統(tǒng)。它是軟件編程的出發(fā)點(diǎn)和硬件設(shè)計(jì)的依據(jù)，它 衡量機(jī)器硬件的功能，

56、反映硬件對(duì)軟件支持的程度。,5.1 指令格式,5.1.1 指令的格式,機(jī)器指令必須規(guī)定硬件要完成的操作，并指出操作數(shù)或操作數(shù)地址。指令一般的格式如下:,1. 三地址指令,執(zhí)行（D1）OP（D2） D3,2. 二地址指令,執(zhí)行（D1）OP（D2） D2,3單地址指令,執(zhí)行（D）OP （A） A,A(稱累加器）: CPU中一個(gè)專用寄存器,4零地址指令,這類指令無(wú)操作數(shù)，所以無(wú)地址碼。例如空操作、停機(jī)等不需要地址的指令 。,5.1.2 指令長(zhǎng)度,原則： 1.指令長(zhǎng)度應(yīng)為存儲(chǔ)器基本字長(zhǎng)的整數(shù)倍 。,如果指令長(zhǎng)度任意，就會(huì)產(chǎn)生指令跨存儲(chǔ)字邊界存放的情況 。,指令長(zhǎng)度有固定長(zhǎng)指令和可變長(zhǎng)指令兩類。,2.指

57、令字長(zhǎng)應(yīng)盡量短,指令短，有利于提高程序的效率，即減少所需存儲(chǔ)量和加快運(yùn)行速度。,不能為了使指令短而影響指令系統(tǒng)的完備性 和規(guī)整性。指令系統(tǒng)的完備性差，機(jī)器的功 能受影響；規(guī)整性差，分析指令的時(shí)間必然加長(zhǎng)。,5. 2 尋址方式,指令如何指定操作數(shù)或操作數(shù)地址稱為尋址方式。,希望指令內(nèi)所含地址盡可能短； 希望能訪問(wèn)盡可能大的存儲(chǔ)空間； 尋址方法盡可能簡(jiǎn)單； 在不改變指令的情況下，僅改變地址的實(shí)際值。,常用的尋址方式有以下幾類： 1. 立即尋址,指令直接給出操作數(shù)本身，這種尋址方式又稱立即數(shù) 尋址。,2直接尋址 指令直接給出操作數(shù)地址。,間接尋址 指令給出存放操作數(shù)地址的存儲(chǔ)單元地址。,4.寄存器(

58、直接)尋址,操作數(shù)在指令指定的CPU的某個(gè)寄存器中。,寄存器尋址有以下優(yōu)點(diǎn)： CPU寄存器數(shù)量遠(yuǎn)小于內(nèi)存單元，所以 寄存器號(hào)比內(nèi)存地址短，因而寄存器 尋址方式指令短； 操作數(shù)已在CPU中,不用訪存，因而指令執(zhí)行速度快。,5寄存器間接尋址,操作數(shù)地址在指令指定的CPU某個(gè)寄存器中。,如：8086指令MOV AX，BX,6寄存器變址尋址,指令指定一個(gè)CPU寄存器（稱為變址寄存器） 和一個(gè)形式地址，操作數(shù)地址是二者之和。,如：8086指令 MOV AL，SI+1000H。,7相對(duì)尋址,相對(duì)尋址是把程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容，加上 由指令給出的形式地址而形成操作數(shù)地址。,采用相對(duì)尋址便于編制可浮動(dòng)程序，這種

59、程序隨便放在內(nèi)存什么位置，都能正常運(yùn)行。,8基址尋址,基址尋址是把由指令中給出的地址(或稱位移量)與CPU 中的某個(gè)基址寄存器相加而得到實(shí)際的操作數(shù)地址。,變址尋址主要解決程序內(nèi)部的循環(huán)問(wèn)題，例如 “循環(huán)取數(shù)組中一個(gè)元素”等問(wèn)題。而基址尋址則要求基址寄存器的內(nèi)容能提供整個(gè)主存范圍的尋址能力，指令給出的位移地址實(shí)際上指出了相對(duì)于基址的位移量。,基址尋址為邏輯空間到物理空間的地址變換提供了支持，以便實(shí)現(xiàn)程序的動(dòng)態(tài)再定位。,9隱含尋址方式,指令沒(méi)有明顯地給出操作數(shù)地址，而在操作碼中隱含著操作數(shù)地址。,10其它尋址方式,有的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)中還有更復(fù)雜的尋址方式， 如基址變址尋址、位尋址、塊尋址、串尋址等等，,5.3 指令類型,設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)的功能時(shí)，以下幾個(gè)原則必須考慮：,完備性或完整性：,兼容性：,均勻性：,可擴(kuò)充性：,1按功能可將指令分為以下幾類：,(1) 算術(shù)和邏