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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
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