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，速度越慢，容量越大，成本越低。,存儲器的性能指標,存儲器的性能指標 存取時間又稱存儲器訪問時間。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)歷的時間，稱為存儲器存取時間。 存儲周期是指存儲器連續(xù)兩次訪問的最小時間間隔。通常，存儲周期略大于存取時間。 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,存儲器是計算機系統(tǒng)的記憶設備 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行中暫時不需要的信息。,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，可用電信號進行刪除，只是速度遠快于EEPROM。,存儲器信息的訪問方式,順序存取：存儲器的數(shù)據(jù)以記錄的形式進行組織，對數(shù)據(jù)的訪問必須按特定的線性順序進行。如磁帶。 隨機存?。好總€可尋址單元都有唯一一個地址標識，系統(tǒng)可以在相同的時間內(nèi)對任意一個單元進行訪問，而與位置無關。如主存。 直接存?。航橛诙咧g的方式，如磁盤，對磁道的

4、尋址是隨機的，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)作完成相應的操作。,讀操作,讀出時，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，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）,有關存儲器擴展的計算,比如：在給定存儲器芯片

6、的條件下，要給CPU外擴一定容量的存儲器，計算需要多少塊這樣的存儲器芯片。 是需要位擴充還是地址擴充，抑或二者都需要。,實例,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需要額外設計動態(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，訪問時間短。但因為制作成本高，故一般容量較小。 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,一種順序存儲設備，存取時間長，但容量大，便于攜帶，價格便宜，是一種主要的輔助存儲器。 磁帶的內(nèi)容需要使用磁帶機來進行讀取，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。 使用時要對磁道進行編號，按照半徑縮小的方向進行編號，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立的磁頭。文件存儲在磁盤上時，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，從而縮短尋道時間。,立體結(jié)構(gòu),平面結(jié)構(gòu)

9、,硬盤的主要技術(shù)指標,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)所存儲的二進制位數(shù)。 單位是：位/毫米。 為簡化電路設計，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)所需要的時間。 它包括尋道時間和等待時間，是二者之和。 磁盤平均存取時間尋道時間等待時間,磁盤平均存取時間,尋道時間：磁頭移動到目標磁道所需要的時間。 等待時間：待讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時間。一般用磁道旋轉(zhuǎn)一周所用時間一半作為平均等待時間。 可見，提高轉(zhuǎn)速可以縮短磁盤存取時間。,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，機械震動上的問題較少，不需要特殊的防塵設備。 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，存取時間較短。 不足之處在于浪費了存儲空間，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。 這樣激光頭適應性較高，讀盤率也較高。 但因為主軸速率必須不停變化，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，故改進以自適應轉(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。 實現(xiàn)：用SRAM實現(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前執(zhí)行指令的遠近而變化，距離當前執(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CPU需要讀取數(shù)據(jù)時首先在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CPU需要主

16、存中的數(shù)據(jù)時，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，這時候就需要進行Cache內(nèi)容的替換。 替換算法的目標就是使Cache獲得最高的命中率。,替換算法1隨機替換算法,從Cache的各行中隨機選取一行進行替換。,替換算法2先進先出算法,將最先進入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Cache的替換情況。待有了這樣的先驗信息，在第二次執(zhí)行該程序時便可以用更有效的方式來替換，以達到最有效的目的。,虛擬存儲技術(shù),指的是用磁盤的一部分存儲空間來彌補主存空間的不足，使得設計人員能夠使用比主存實際容量更大的存儲空間來編寫和運行程序。 所以，數(shù)據(jù)在磁盤和主存之間按程序運行的需要自動成批量地完成交換。,接口,:用于連接主機與IO設備的機構(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 按主機訪問I/O設備的控制方式分：程序查詢接口、中斷接口、DMA接口、通

18、道處理機和I/O處理機等 接時序控制方式分：同步接口和異步接口,I/0主要功能,完成設備間的交換數(shù)據(jù) 地址譯碼 在主機與I/O設備間交換數(shù)據(jù)、控制命令及狀態(tài)信息等。 支持主機采用程序查詢、中斷、DMA等訪問方式 進行數(shù)據(jù)的類型、格式等方向的轉(zhuǎn)換 提供主機和設備所需的緩沖、暫存、驅(qū)動能力，滿足一定的負載要求和時序,主機與外設的連接形式,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單獨編址，通過專門的IO指令進行訪問。,接口的控制方式：CPU通過接口

19、對外設控制的方式,程序查詢方式 中斷處理方式 DMS（直接存儲器存取）方式接口的控制方式：CPU通過接口對外設控制的方式 通道控制方式,程序查詢方式,CPU通過I/O指令詢問外設當前狀態(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速度遠遠高出外設，常處于等待狀態(tài)， 工作效率低 由cpu直接控制,DMA（直接存儲器存取）方式,采用專門控制器（硬件）控制內(nèi)存與外設間的額數(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 實現(xiàn)批量傳輸數(shù)據(jù),中斷處理方式,外設準備就系向CPU

20、請求服務CPU若響應 請求則暫停當前程序執(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，可以滿足外設的實時需求 需為每個I/O設備分配中斷請求信號、服務程序 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行中斷、啟動中斷控制器、 保留和恢復現(xiàn)場。費時，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)行通道程序進行IO操作管理，為主機與IO設備提供一種數(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可以擴展連接127個外設，速度快，即插即用，支持熱拔插 1394接口：數(shù)字攝像機等娛樂外設，是一種串行接口 GPIB，通用接口總線，是專為儀器控制應用而設計的 Irda紅外線:4mbps Bluetooth:藍牙 1mbps,指令系統(tǒng),是cpu執(zhí)行指令的集合，它是計算機硬