程序員考證之存儲器.ppt

1、存儲系統(tǒng),康菁發(fā),內(nèi)容,層次化存儲系統(tǒng)構(gòu)成 存儲器的分類 存儲器結(jié)構(gòu) Cache存儲器 虛擬存儲技術(shù),層次化存儲系統(tǒng)構(gòu)成,層次越高，離CPU越近，速度越快，容量越小，成本越高。 層次越低，離CPU越遠(yuǎn)，速度越慢，容量越大，成本越低。,存儲器的性能指標(biāo),存儲器的性能指標(biāo) 存取時(shí)間又稱存儲器訪問時(shí)間。就是指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。具體來說，從一次操作命令發(fā)出到該操作的完成，將數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)緩存沖寄存器所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為存儲器存取時(shí)間。 存儲周期是指存儲器連續(xù)兩次訪問的最小時(shí)間間隔。通常，存儲周期略大于存取時(shí)間。 存儲器帶寬指存儲器的數(shù)據(jù)傳送速率，即每秒傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。,存儲器分

2、類,考核知識,存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的記憶設(shè)備 存儲容量 主要單位(bit)b;字節(jié)(bytes)B;字（word)W 1B=8b;1w=32b=4B 1KB=1024B=210,1MB=1024KB=220; 1GB=230B,存儲器的分類按位置分,內(nèi)存：也稱為主存，用于存放程序和數(shù)據(jù)以及中間結(jié)果，速度快容量小。 外存：也稱為輔存，如磁盤、磁帶、光盤等，速度慢容量大，主要用于存放程序運(yùn)行中暫時(shí)不需要的信息。,存儲器的分類按材料分,磁存儲器：用磁性介質(zhì)做成，如磁帶、磁盤、磁鼓等。 半導(dǎo)體存儲器：如SRAM、DRAM。 光存儲器：如光盤存儲器。,存儲器的分類按讀寫特性分,RAM：又分為SRAM和DR

3、AM兩種。 DRAM：需動態(tài)刷新。 SRAM：速度快，容量小，成本高，無需動態(tài)刷新。 ROM：一般只能讀不能寫。 PROM：可編程，只能寫入一次。 EPROM：可擦除PROM，需使用紫外線。 EEPROM：用電擦除的方法做數(shù)據(jù)改寫。 Flash ROM：類似于EEPROM，可用電信號進(jìn)行刪除，只是速度遠(yuǎn)快于EEPROM。,存儲器信息的訪問方式,順序存?。捍鎯ζ鞯臄?shù)據(jù)以記錄的形式進(jìn)行組織，對數(shù)據(jù)的訪問必須按特定的線性順序進(jìn)行。如磁帶。 隨機(jī)存?。好總€可尋址單元都有唯一一個地址標(biāo)識，系統(tǒng)可以在相同的時(shí)間內(nèi)對任意一個單元進(jìn)行訪問，而與位置無關(guān)。如主存。 直接存取：介于二者之間的方式，如磁盤，對磁道的

4、尋址是隨機(jī)的，而在一個磁道內(nèi)，則是順序?qū)ぶ贰?主存的組成,地址寄存器（MAR）,用于存放由地址總線提供的將要訪問的存儲單元的地址碼。 MAR的位數(shù)N決定了其可尋址的存儲單元的個數(shù)M，即： M2N 地址總線：MAR的位數(shù)相同。,數(shù)據(jù)寄存器（MDR）,用于存放要寫入存儲體的數(shù)據(jù)或從存儲體中讀取的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)線：與存儲單元的位數(shù)相同，存儲芯片是多少位，就有多少根數(shù)據(jù)引腳。,存儲體,存儲體：用于存放程序或數(shù)據(jù)的存儲空間。 控制線路：控制讀寫，可以根據(jù)讀寫命令控制主存儲器的各部分協(xié)作完成相應(yīng)的操作。,讀操作,讀出時(shí)，CPU把要讀取的存儲單元的地址送入MAR，經(jīng)地址譯碼電路分析后選中主存的某一存儲單元，在

5、控制線路的作用下，將被選存儲單元的內(nèi)容讀取到MDR中，讀操作完成。,寫操作,寫入時(shí)，CPU把要寫入的存儲單元的地址送入MAR，經(jīng)地址譯碼電路分析后，選中主存的某一存儲單元，在控制線路的作用下，將MDR的內(nèi)容寫入MAR指定的存儲單元，寫操作完成。,反映主存性能的主要術(shù)語,存儲周期（Memory Cycle TimeMCT）：指的是連續(xù)兩次訪問存儲器的最小時(shí)間間隔，記作Tm。 帶寬（BandWidth）：指存儲器的數(shù)據(jù)傳送速率，即每秒傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。記作Bm。假設(shè)存儲器傳送的數(shù)據(jù)寬度為W位（即一個存儲周期中讀取或?qū)懭氲奈粩?shù)），那么BmW/Tm（b/s）,有關(guān)存儲器擴(kuò)展的計(jì)算,比如：在給定存儲器芯片

6、的條件下，要給CPU外擴(kuò)一定容量的存儲器，計(jì)算需要多少塊這樣的存儲器芯片。 是需要位擴(kuò)充還是地址擴(kuò)充，抑或二者都需要。,實(shí)例,內(nèi)存地址從4000H43FFH,共有（1）內(nèi)存單元。若該內(nèi)存每個存儲單元可以存儲16個二進(jìn)制位，并用4片存儲器芯片構(gòu)成，則芯片的容量是（2）。 （1）A. 256 B. 512 C. 1024 D. 2048 （2）A. 51216bitB. 2568bit C. 256 16bitD. 1024 8bit,兩種主存材料,DRAM SRAM,DRAM,DRAM使用晶體管和小電容組成的存儲單元構(gòu)成的陣列來存儲信息，通過電容的充電與放電來存放0和1。由于存放在電容中的電荷會

7、泄漏，DRAM的每一位都需要每隔幾個毫秒刷新一次，以防止數(shù)據(jù)丟失。 所以DRAM需要額外設(shè)計(jì)動態(tài)刷新電路。,SRAM,SRAM使用觸發(fā)器存放0或1，只要不對它斷電，數(shù)據(jù)就不會丟失，速度快，訪問時(shí)間短。但因?yàn)橹谱鞒杀靖撸室话闳萘枯^小。 Cache即使用SRAM制作。,各種外存,磁帶存儲器 磁盤存儲器 光盤存儲器,磁帶存儲器,一種順序存儲設(shè)備，存取時(shí)間長，但容量大，便于攜帶，價(jià)格便宜，是一種主要的輔助存儲器。 磁帶的內(nèi)容需要使用磁帶機(jī)來進(jìn)行讀取，最便宜也最慢。,磁盤存儲器,磁盤存儲器由盤片、驅(qū)動器、控制器和接口電路組成。 磁盤可以分為軟盤和硬盤。 以下磁盤存儲器的講解以硬盤為例。,磁盤存儲器,磁

8、盤中可記錄信息的磁介質(zhì)表面稱為記錄面，一個磁盤可能有多個盤片，組成盤片組，每個盤片提供兩個記錄面。 每個記錄面上都分部著若干個同心的閉合圓環(huán)，稱為磁道，數(shù)據(jù)就記錄在磁道上。 使用時(shí)要對磁道進(jìn)行編號，按照半徑縮小的方向進(jìn)行編號，最外一圈稱為0道，向內(nèi)磁道號依次增加。 為了便于記錄信息，每個磁道又被分為若干段，每一個段稱為一個扇區(qū)。磁盤上的數(shù)據(jù)以扇區(qū)為單位進(jìn)行傳送。,磁盤存儲器,所有記錄面上相同序號的磁道構(gòu)成一個圓柱面，其編號和磁道編號一樣。 硬盤會為每個記錄面提供一個獨(dú)立的磁頭。文件存儲在磁盤上時(shí)，會盡量放在同一圓柱面或相鄰圓柱面上，這樣可以減少磁頭的移動，從而縮短尋道時(shí)間。,立體結(jié)構(gòu),平面結(jié)構(gòu)

9、,硬盤的主要技術(shù)指標(biāo),道密度 位密度 存儲容量 非格式化容量 格式化容量 平均存取時(shí)間,道密度,磁道之間要保持一定的距離。沿著磁盤半徑方向，單位長度內(nèi)磁道的條數(shù)稱為道密度。 單位是道/毫米。,位密度,沿著磁道圓周方向，單位長度內(nèi)所存儲的二進(jìn)制位數(shù)。 單位是：位/毫米。 為簡化電路設(shè)計(jì)，規(guī)定每個磁道上的記錄的位數(shù)是相同的，由于各磁道的圓周長度不一，因此不同磁道上的位密度是不一樣的，越靠近盤心的磁道位密度就越高。,存儲容量,指的是整個磁盤所能存儲的二進(jìn)制位信息的總量。 磁盤的存儲容量分為非格式化容量和格式化容量兩種。,非格式化容量,公式： 記錄面數(shù)每個記錄面上的磁道數(shù)內(nèi)圈磁道周長位密度。 注意：在

10、非格式化狀態(tài)下，磁道是存在的，但是沒有扇區(qū)。,格式化容量,公式： 記錄面數(shù)每個盤面的磁道數(shù)每個磁道的扇區(qū)數(shù)每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù) 一般所說的磁盤容量指的是格式化容量。,磁盤平均存取時(shí)間,指從發(fā)出讀寫命令開始，磁頭從某一位置移動到指定位置并開始讀寫數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。 它包括尋道時(shí)間和等待時(shí)間，是二者之和。 磁盤平均存取時(shí)間尋道時(shí)間等待時(shí)間,磁盤平均存取時(shí)間,尋道時(shí)間：磁頭移動到目標(biāo)磁道所需要的時(shí)間。 等待時(shí)間：待讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時(shí)間。一般用磁道旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間一半作為平均等待時(shí)間。 可見，提高轉(zhuǎn)速可以縮短磁盤存取時(shí)間。,數(shù)據(jù)傳輸速率,指磁頭找到數(shù)據(jù)的地址后，單位時(shí)間內(nèi)寫入或讀出的字節(jié)數(shù)。

11、 數(shù)據(jù)傳輸率每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù)每道扇區(qū)數(shù)磁盤的轉(zhuǎn)速。,實(shí)例（2002年軟考）,某硬盤中共有9個盤片，16個記錄面，每個記錄面上由2100個磁道，每個磁道分為64個扇區(qū)，每個扇區(qū)為512字節(jié)，則該硬盤的存儲容量為（1）。磁盤的位密度隨著磁道從內(nèi)到外而（2）。 （1） A. 590.6MB B. 9225MB C.1050MB D.1101MB （2） A. 減少 B. 不變 C.增加 D.視磁盤而定,理由：每個磁道上的位數(shù)相同，而從內(nèi)到外磁道周長增大，故位密度降低。,光盤存儲器,包括CD、CDROM、DVI、WORM（只寫一次型光盤）、EOD等。 光盤利用激光束在記錄表明存儲信息，又根據(jù)激光束的反

12、射光束來讀出信息。 保存信息長，制造成本低，但存取時(shí)間較長。,光盤存儲器VS磁盤存儲器,光盤采用非接觸式方法讀/寫信息，光頭距光盤通常為2mm，比磁盤的頭盤距離大1萬倍左右，所以光盤的耐用性高，使用壽命長。 光盤可靠性高，對使用環(huán)境要求低，機(jī)械震動上的問題較少，不需要特殊的防塵設(shè)備。 光盤容易更換，可以做成自動換盤裝置。,光盤的三種讀取方式,恒定角速度 恒定線速度 部分恒定角速度,方式1恒定角速度,光驅(qū)主軸轉(zhuǎn)速保持恒定，因而光盤的內(nèi)外圈的線速度不一樣，為了保持其讀盤率一致，需要改變內(nèi)外圈的記錄密度。 因主軸轉(zhuǎn)速恒定，故可以直接尋址，存取時(shí)間較短。 不足之處在于浪費(fèi)了存儲空間，所以很少在CDRO

13、M上使用。,方式2恒定線速度,光驅(qū)主軸轉(zhuǎn)速隨讀取位置的不同而變化，以保證光盤的內(nèi)外圈的線速度一致。 這樣激光頭適應(yīng)性較高，讀盤率也較高。 但因?yàn)橹鬏S速率必須不停變化，故光驅(qū)轉(zhuǎn)速不能太高。,方式3部分恒定角速度,前兩種方式各有缺陷，故改進(jìn)以自適應(yīng)轉(zhuǎn)速的方式來盡可能維持最高角速度。 一旦線速度過高而無法正確讀出，就會自動降低轉(zhuǎn)速，直到從光盤反射回的信號足夠清晰。 只要可能，光驅(qū)總是以全速旋轉(zhuǎn)，這樣在大容量和高速度之間取得了折中,Cache存儲器（高速緩存）,設(shè)置Cache的目的：是提高CPU數(shù)據(jù)輸入輸出的速率，解決CPU與存儲系統(tǒng)速度不匹配問題。 用途：設(shè)置在CPU與主存之間，完成二者的信息交換，

14、盡量避免CPU不必要地多次直接訪問慢速的主存。 容量小，從幾KB到幾MB，速度一般比普通主存快5到10倍。 實(shí)現(xiàn)：用SRAM實(shí)現(xiàn)。,Cache的工作原理,使用Cache改善系統(tǒng)性能的理論依據(jù)是程序的局部性原理。 程序的局部性原理：在任意給定的時(shí)間區(qū)域內(nèi)，對不同的地址區(qū)域的訪問概率是不同的，有高有低。且指令的訪問概率隨著距離當(dāng)前執(zhí)行指令的遠(yuǎn)近而變化，距離當(dāng)前執(zhí)行指令越近，其概率越高，反之則越低。,Cache的工作原理,依據(jù)局部性原理，把主存中訪問概率高的內(nèi)容存入Cache，當(dāng)CPU需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)首先在Cache中查找，如果有則直接從Cache中讀取；如沒有再從主存中讀取，然后同時(shí)把該數(shù)據(jù)送往CP

15、U和Cache。 如果CPU要的內(nèi)容能夠在Cache中找到，則稱之為訪問命中。,例題,在主存和CPU之間設(shè)置Cache的目的是_。在CPU執(zhí)行一段程序的過程中，Cache的存取次數(shù)是3800次，由主存完成的存取次數(shù)是200次。若Cache的存取周期為5ns，主存的存取周期為25ns，則Cache的命中率為_，CPU的平均訪問時(shí)間為_ns。,分析,（1）解決CPU與主存之間的速度匹配問題。 （2）命中率為3800/(3800+200)=0.95 （3）CPU的平均訪問時(shí)間Cache的命中率Cache的訪問周期（1Cache的命中率）主存的訪問周期。,命中率,由程序的局部性原理可知，當(dāng)CPU需要主

16、存中的數(shù)據(jù)時(shí)，多數(shù)情況下可以直接從Cache中得到，盡量少去讀主存，二者之比稱為命中率。 顯然，命中率越高越好。,Cache內(nèi)容的替換,隨著程序的執(zhí)行，訪問頻繁地區(qū)將逐漸遷移，Cache中的內(nèi)容將逐漸變得陳舊，訪問命中率下降，這時(shí)候就需要進(jìn)行Cache內(nèi)容的替換。 替換算法的目標(biāo)就是使Cache獲得最高的命中率。,替換算法1隨機(jī)替換算法,從Cache的各行中隨機(jī)選取一行進(jìn)行替換。,替換算法2先進(jìn)先出算法,將最先進(jìn)入Cache的信息塊替換出去。 此算法簡單，但是最先要出去的并不意味著當(dāng)前就不需要了。,替換算法3近期最少使用算法,將近期最少使用的Cache信息塊替換出去。 該算法較FIFO算法要好

17、一些，但此法并不能保證過去不常用的將來也不常用。,替換算法4優(yōu)化替換算法,使用這種算法之前必須先執(zhí)行一次程序，統(tǒng)計(jì)Cache的替換情況。待有了這樣的先驗(yàn)信息，在第二次執(zhí)行該程序時(shí)便可以用更有效的方式來替換，以達(dá)到最有效的目的。,虛擬存儲技術(shù),指的是用磁盤的一部分存儲空間來彌補(bǔ)主存空間的不足，使得設(shè)計(jì)人員能夠使用比主存實(shí)際容量更大的存儲空間來編寫和運(yùn)行程序。 所以，數(shù)據(jù)在磁盤和主存之間按程序運(yùn)行的需要自動成批量地完成交換。,接口,:用于連接主機(jī)與IO設(shè)備的機(jī)構(gòu)稱為I/O接口 接口分類： 按數(shù)據(jù)傳送格式分：并行接口和串行接口 按主機(jī)訪問I/O設(shè)備的控制方式分：程序查詢接口、中斷接口、DMA接口、通

18、道處理機(jī)和I/O處理機(jī)等 接時(shí)序控制方式分：同步接口和異步接口,I/0主要功能,完成設(shè)備間的交換數(shù)據(jù) 地址譯碼 在主機(jī)與I/O設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、控制命令及狀態(tài)信息等。 支持主機(jī)采用程序查詢、中斷、DMA等訪問方式 進(jìn)行數(shù)據(jù)的類型、格式等方向的轉(zhuǎn)換 提供主機(jī)和設(shè)備所需的緩沖、暫存、驅(qū)動能力，滿足一定的負(fù)載要求和時(shí)序,主機(jī)與外設(shè)的連接形式,總線型（互連的基本方式） 星型 通道方式 I/O處理機(jī)方式,IO接口的編址方式,與內(nèi)存統(tǒng)一編址：將內(nèi)存地址與接口地址統(tǒng)一在一個公共的地址空間里，對I0接口的訪問就如同對主存單元的訪問一樣。 IO單獨(dú)編址，通過專門的IO指令進(jìn)行訪問。,接口的控制方式：CPU通過接口

19、對外設(shè)控制的方式,程序查詢方式 中斷處理方式 DMS（直接存儲器存?。┓绞浇涌诘目刂品绞剑篊PU通過接口對外設(shè)控制的方式 通道控制方式,程序查詢方式,CPU通過I/O指令詢問外設(shè)當(dāng)前狀態(tài)，就緒 數(shù)據(jù)輸入/輸出否則CPU循環(huán)查詢等待 結(jié)構(gòu)簡單，少量硬件電路即可 CPU速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出外設(shè)，常處于等待狀態(tài)， 工作效率低 由cpu直接控制,DMA（直接存儲器存?。┓绞?采用專門控制器（硬件）控制內(nèi)存與外設(shè)間的額數(shù)據(jù)交換 無須CPU介入，提高了CPU的工作效率 DMA數(shù)據(jù)傳輸前向CPU申請總線控制權(quán)CPU交出總線 控制權(quán)傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束后將控制權(quán)交回CPU 實(shí)現(xiàn)批量傳輸數(shù)據(jù),中斷處理方式,外設(shè)準(zhǔn)備就系向CPU

20、請求服務(wù)CPU若響應(yīng) 請求則暫停當(dāng)前程序執(zhí)行執(zhí)行請求后 繼續(xù)執(zhí)行原中斷的程序 CPU不再被動等待，可以滿足外設(shè)的實(shí)時(shí)需求 需為每個I/O設(shè)備分配中斷請求信號、服務(wù)程序 和中斷控制器管理中斷請求優(yōu)先級。 不足：每傳送一個字符都要進(jìn)行中斷、啟動中斷控制器、 保留和恢復(fù)現(xiàn)場。費(fèi)時(shí)，工作量大,通道控制方式,通道是一種專用控制器.它通過執(zhí)行通道程序進(jìn)行IO操作管理，為主機(jī)與IO設(shè)備提供一種數(shù)據(jù)傳輸通道。,常見的IO接口,磁盤接口:IDE、EIDE和SCSI(總線接口）Udma-33,-66,133 串行接口和并行接口 串口：是一次發(fā)送一位信息，遠(yuǎn)短距離傳輸 并口：每次發(fā)送多位信息，由于需多條數(shù)據(jù)線，適合短距離高速連接 Pc card接口：筆記本上常見接口，網(wǎng)卡，外接存儲器，調(diào)制解調(diào)器。 USB接口：通過hub可以擴(kuò)展連接127個外設(shè)，速度快，即插即用，支持熱拔插 1394接口：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等娛樂外設(shè)，是一種串行接口 GPIB，通用接口總線，是專為儀器控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 Irda紅外線:4mbps Bluetooth:藍(lán)牙 1mbps,指令系統(tǒng),是cpu執(zhí)行指令的集合，它是計(jì)算機(jī)硬