《计算机组成原理10-存储器-3.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理10-存储器-3.ppt（34页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 磁表面存储器磁表面存储器记录介质和磁头记录介质和磁头磁表面存储器中，记录信息的介质是一层很薄的磁层，磁表面存储器中，记录信息的介质是一层很薄的磁层，它依附在一定强度的基体上。它依附在一定强度的基体上。1、软质基体和磁层、软质基体和磁层 磁带采用聚酯薄膜带，磁盘采用聚酯薄片。磁带采用聚酯薄膜带，磁盘采用聚酯薄片。磁层是加钴的氧化铁颗粒。磁层是加钴的氧化铁颗粒。2、硬质基体和磁层、硬质基体和磁层 硬盘采用铝合金、工程塑料、陶瓷、玻璃作为基体。硬盘采用铝合金、工程塑料、陶瓷、玻璃作为基体。磁层是电镀的铁镍钴合金薄膜或溅射形成的薄膜磁层。磁层是电镀的铁镍钴合金薄膜或溅射形成的薄膜磁层。3、磁头、磁头
2、 实现电磁转换和磁电转换。实现电磁转换和磁电转换。磁盘中，每个记录面有一个磁头磁盘中，每个记录面有一个磁头 磁带中，每个磁道有一对读写磁头磁带中，每个磁道有一对读写磁头记录介质和磁头记录介质和磁头磁表面存储器存储信息的原理磁表面存储器存储信息的原理 n磁头线圈通以一定方向的脉冲电流，磁头铁芯便产生一磁头线圈通以一定方向的脉冲电流，磁头铁芯便产生一定方向的磁通，该磁通使磁头空隙下的磁载体局部磁化，定方向的磁通，该磁通使磁头空隙下的磁载体局部磁化，形成具有相应极性的微小磁化区域，称为磁化元。形成具有相应极性的微小磁化区域，称为磁化元。n读操作与此相反，当磁载体按一定方向移动时，磁头作读操作与此相反
3、，当磁载体按一定方向移动时，磁头作切割磁力线的运动，使磁头线圈产生感应电势，并转化切割磁力线的运动，使磁头线圈产生感应电势，并转化为脉冲电流。为脉冲电流。n用来存放档案信息，也即当前不需立即使用的、要保用来存放档案信息，也即当前不需立即使用的、要保存较长时间的信息。一旦需要，就进行内外存交换。存较长时间的信息。一旦需要，就进行内外存交换。n磁盘存储器：磁盘存储器属于磁表面存储器，由磁盘磁盘存储器：磁盘存储器属于磁表面存储器，由磁盘和磁盘机（或称磁盘驱动器）构成。和磁盘机（或称磁盘驱动器）构成。磁表面存储器的应用磁表面存储器的应用 磁记录编码方式磁记录编码方式 如何把如何把0 0、1 1保存到磁
4、盘上？保存到磁盘上？磁记录方式就是采用某种变换规律，将一串二磁记录方式就是采用某种变换规律，将一串二进制代码序列转换成记录磁层中相应的磁化状态。实进制代码序列转换成记录磁层中相应的磁化状态。实际上就是如何按照写入代码序列形成相应的写入电流际上就是如何按照写入代码序列形成相应的写入电流波形。波形。静态的：两种相反状态表示静态的：两种相反状态表示0/1 0/1 动态的：变与不变，变化相位不同，变化频率不同动态的：变与不变，变化相位不同，变化频率不同 1 1、归零制（、归零制（RZRZ）写写0 0时，发时，发-I-I电流脉冲，然后回零（电流脉冲，然后回零（I=0I=0）写写1 1时，发时，发+I+I
5、电流脉冲，然后回零（电流脉冲，然后回零（I=0I=0）缺点：归零是不必要的缺点：归零是不必要的2 2、不归零制（、不归零制（NRZNRZ）写写0 0时维持时维持-I-I不变，不归零不变，不归零 写写1 1时维持时维持+I+I不变，不归零不变，不归零 缺点：一串缺点：一串0 0或或1 1不易分辨个数不易分辨个数磁记录编码方式磁记录编码方式3、不归零、不归零1制（制（NRZ1）写入规律：见写入规律：见1就翻就翻 见下图写电流波形见下图写电流波形 写写0时，写入电流维持原方向不变（时，写入电流维持原方向不变（-I 或或+I）写写1时，写入电流方向翻转（时，写入电流方向翻转（-I+I 或或+I-I）0
6、 0 1 1 0 1+I-I I缺点：没有自同步能力：加外同步信号缺点：没有自同步能力：加外同步信号优点：转变区少，密度高优点：转变区少，密度高磁记录编码方式磁记录编码方式4、调相制（、调相制（PM）写入规律：写入规律：见下图写电流波形见下图写电流波形 写写0，在位单元中间位置让写入电流负跳变（，在位单元中间位置让写入电流负跳变（+I-I）写写1，在位单元中间位置让写入电流正跳变（，在位单元中间位置让写入电流正跳变（-I+I）0 0 1 1 0 1 I优点：有自同步能力，密度高，用于磁带机优点：有自同步能力，密度高，用于磁带机磁记录编码方式磁记录编码方式5、调频制（、调频制（FM）写入规律：在
7、每个位单元开始时，写入电流都改变写入规律：在每个位单元开始时，写入电流都改变1 次方向，留下次方向，留下1个转变区，作本位同步信号；个转变区，作本位同步信号；写写0，位单元中间不变，位单元中间不变 写写1，在位单元中间位置让写入电流改变方向，在位单元中间位置让写入电流改变方向 0 0 1 1 0 1 I优点：有自同步能力，密度高，用于早期磁盘优点：有自同步能力，密度高，用于早期磁盘+I-I磁记录编码方式磁记录编码方式6、改进的调频制（、改进的调频制（MFM，M2F）写入规律：写入规律：写一个写一个0时，位单元中间不变时，位单元中间不变，写入两个以上写入两个以上0时，在时，在 它们交界处改变写入
8、电流方向它们交界处改变写入电流方向 写写1，在位单元中间位置让写入电流改变方向，将位，在位单元中间位置让写入电流改变方向，将位 单元交界处的转变区省去单元交界处的转变区省去 优点：有自同步能力，密度更高，用于软盘和小容量硬盘优点：有自同步能力，密度更高，用于软盘和小容量硬盘+I-I 0 0 1 1 0 1磁记录编码方式磁记录编码方式例：画出例：画出1100101的各种写入电流波形的各种写入电流波形 1 1 0 0 1 0 1 I I调相制调相制 I 不不归零归零1 I调频制调频制改进改进调频制调频制磁记录编码方式磁记录编码方式磁表面存储器的校验方式磁表面存储器的校验方式n外围设备于主存的传送距
9、离长，出错概外围设备于主存的传送距离长，出错概率高，使用复杂的校验方式。率高，使用复杂的校验方式。nHamming CodeHamming CodenCRCCRC光盘存储器光盘存储器光盘存储器的功能部件组成与磁盘存储器类似，在系统组光盘存储器的功能部件组成与磁盘存储器类似，在系统组成上分为成上分为光盘驱动器、光盘片、控制器光盘驱动器、光盘片、控制器；接口标准与磁盘存储器相同；接口标准与磁盘存储器相同；也划分为若干同心圆的光道，每个光道也划分若干扇区；也划分为若干同心圆的光道，每个光道也划分若干扇区；光头的定位系统与磁头的定位系统类似。光头的定位系统与磁头的定位系统类似。一、光盘存储器原理（一、
10、光盘存储器原理（P229）写入：强激光束受写入数据代码的调制，转换为光脉冲的写入：强激光束受写入数据代码的调制，转换为光脉冲的有无，在光盘片的光道上形成有间隔的记录点。有无，在光盘片的光道上形成有间隔的记录点。读出：弱激光束扫描光盘，从记录点处反射回来，由反射读出：弱激光束扫描光盘，从记录点处反射回来，由反射光强度，判断记录点为光强度，判断记录点为0或为或为1。二、盘片与光记录原理二、盘片与光记录原理1、形变型光盘、形变型光盘 激光照射盘片后，所对应的就是光盘上的激光照射盘片后，所对应的就是光盘上的Pits（凹点）和凹点）和Lands（平面），也就是形状发生了改变。所有的平面），也就是形状发生
11、了改变。所有的Pits都都有着相同的深度与长度。一个有着相同的深度与长度。一个Pits大约只有半微米宽大约只有半微米宽当激光映射到盘片上时，如果是照在当激光映射到盘片上时，如果是照在Lands 上，那么就会有上，那么就会有70到到80激光被反射回；如果照在激光被反射回；如果照在Pits上，就无法反射上，就无法反射回激光。根据反射和无反射的情况，光盘驱动器就可以回激光。根据反射和无反射的情况，光盘驱动器就可以解读解读“0”或或“1”的数字编码了。的数字编码了。代表：代表：CD-ROM和和WORM光盘存储器光盘存储器压制过程：压制过程：1）数据检测）数据检测2）制作原型光盘）制作原型光盘3）制作母
12、板）制作母板4）注塑生产注塑生产5）溅射反射层）溅射反射层6）涂附保护漆）涂附保护漆 7）印刷盘片）印刷盘片可以大量生产，成本低廉。可以大量生产，成本低廉。光盘存储器光盘存储器2、相变型光盘、相变型光盘3、磁光盘、磁光盘光盘存储器光盘存储器存储系统组织存储系统组织nCPU的快速和存储器的低速不匹配。的快速和存储器的低速不匹配。n存取方式让存取方式让CPU的利用率下降。的利用率下降。n高速主存性能与低速辅存不匹配。高速主存性能与低速辅存不匹配。改变存储器的硬件结构改变存储器的硬件结构从存储器考虑提高系统性能的措施：从存储器考虑提高系统性能的措施：1.1.采用双端口存储器采用双端口存储器2.2.采
13、用多模块存储器采用多模块存储器3.3.并行处理机和多处理机系统并行处理机和多处理机系统4.4.采用高速缓冲存储器采用高速缓冲存储器5.5.虚拟存储器虚拟存储器6.6.相联存储器相联存储器存储系统组织存储系统组织寄存器寄存器1-5ns1-5ns片内片内CACHE 2-10nsCACHE 2-10ns主存主存20-100ns20-100ns硬盘硬盘10ms10ms磁带磁带10ms-10s10ms-10s片外片外CACHE 10-20nsCACHE 10-20ns存储系统的层次结构存储系统的层次结构1.1.主存主存-外存层次外存层次为虚拟存储提供条件。为虚拟存储提供条件。增大容量。增大容量。将主存空
14、间与部分外存空间将主存空间与部分外存空间组成逻辑地址空间；组成逻辑地址空间；CPU CPU Cache Cache 主存主存 外存外存CPU CPU 主存主存 外存外存2.2.主存主存-高速缓存层次高速缓存层次用户使用逻辑地址空间编程；用户使用逻辑地址空间编程；操作系统进行有关程序调度、存储空间分配、地址操作系统进行有关程序调度、存储空间分配、地址转换等工作。转换等工作。提高速度。提高速度。CPUCPU CacheCache 主存主存 3.3.多体交叉存取多体交叉存取在一个存取周期中，在一个存取周期中，主存分成若干独立存储主存分成若干独立存储体。体。命中命中不命中不命中CPUCPU交叉访问多个
15、体，交叉访问多个体，缩短平均访存时间。缩短平均访存时间。M0M0M1M1M2M2M3M30 01 12 23 34 45 56 67 7 存储器控制部件存储器控制部件 CPU CPUR/WR/W R/WR/W R/WR/W R/WR/WCPUCPU每隔每隔1/41/4存取周期从存取周期从主存读主存读/写一个数据。写一个数据。n必要性：程序的局部性：在一段时间内，对存储器的必要性：程序的局部性：在一段时间内，对存储器的访问集中在一个局部区域。访问集中在一个局部区域。n高速缓冲存储器是在高速缓冲存储器是在CPUCPU的通用寄存器和主存之间的子的通用寄存器和主存之间的子系统系统nCacheCache
16、用来存放当前最活跃的程序和数据，作为主存某用来存放当前最活跃的程序和数据，作为主存某些局部区域的副本。些局部区域的副本。nCacheCache的工作原理和结构的工作原理和结构 CPUCPU访问主存时，由硬件控制，先访问访问主存时，由硬件控制，先访问CacheCache，如果如果在在CacheCache中中找到数据（称为命中），即可高速读取，如找到数据（称为命中），即可高速读取，如果没有找到（称为未命中），仍需到内存读取。果没有找到（称为未命中），仍需到内存读取。高速缓冲存储器高速缓冲存储器(Cache)地址映象地址映象 将主存和将主存和Cache的存储空间划分为若干同样大的存储空间划分为若干同
17、样大小的页（也叫块）。如小的页（也叫块）。如1MB主存，划分为主存，划分为2048页，每页页，每页512B，Cache容量容量8KB，划分为划分为16页，每页页，每页512B。Cache储存器储存器8K127组组优点：地址变换简单优点：地址变换简单 缺点：缺点：Cache地址与主地址与主存地址对应关系较死，存地址对应关系较死，有浪费。有浪费。1)直接映象直接映象标记标记0页页标记标记1页页 标记标记15页页0页页1页页15页页16页页17页页31页页2047页页7位位 Cache 0组组 1组组127组组内存内存允许主存的每一块信息可以允许主存的每一块信息可以存到存到Cache的的 任何一个块
18、空间任何一个块空间将主存页号和标记逐一对比将主存页号和标记逐一对比优点：灵活优点：灵活 缺点：速度慢，有可能要与缺点：速度慢，有可能要与所有标记全部比较，才能确定所有标记全部比较，才能确定命中否。命中否。成本高成本高2)全相联映象全相联映象标记标记0页页标记标记1页页标记标记2页页标记标记3页页 标记标记14页页标记标记15页页0页页1页页7页页8页页9页页15页页2047页页11位位 4位位 9位位Cache页号页号 页内页内地址地址11位位 9位位主存页号主存页号页内页内地址地址标记标记0页页标记标记1页页标记标记2页页标记标记3页页 标记标记14页页标记标记15页页0页页1页页7页页8页
19、页9页页15页页2047页页组地址组地址 页内页内地址地址8位位 Cache 0组组 1组组 7组组 0组组 1组组255组组8位位 3位位 9位位 20位主存地址位主存地址 13位位Cache地址地址内存内存n把把CACHECACHE的的1616页分为页分为8 8组组n把主存的把主存的20482048页分为页分为256256组，每组组，每组8 8页。页。n把主存的每组的把主存的每组的8 8页分别页分别和和CACHECACHE的的8 8组对应组对应3）组相联映象）组相联映象组地组地址址组内组内页号页号页内页内地址地址3位位 1位位 9位位 n组间是直接映象，组内是全相联映象。组间是直接映象，组
20、内是全相联映象。nCacheCache中的内容需要更新中的内容需要更新n先进先出法先进先出法FIFOFIFO（也不能提高命中率）也不能提高命中率）n近期最少使用法近期最少使用法LRU:Least Recently UsedLRU:Least Recently Used（局部局部性原则，可以提高命中率，实现相对复杂）性原则，可以提高命中率，实现相对复杂）替换策略和算法替换策略和算法CacheCache读写过程读写过程读操作读操作 访存时，将主存地址送主存，同时送访存时，将主存地址送主存，同时送Cache，如果在如果在Cache中中找到数据，立即读出，不需等待主找到数据，立即读出，不需等待主存操作
21、结束。存操作结束。如果在如果在Cache中中找不到数据，则需等待主存操找不到数据，则需等待主存操作，获得数据。同时根据替策略，决定是否或怎作，获得数据。同时根据替策略，决定是否或怎样替换。样替换。写操作写操作1）标志交换方式）标志交换方式2）写直达法）写直达法基于局部性原理：一个作业在运行之前，没有必要全基于局部性原理：一个作业在运行之前，没有必要全部装入内存，而仅将那些当前要运行的那部分页面或部装入内存，而仅将那些当前要运行的那部分页面或段，先装入内存便可启动运行。段，先装入内存便可启动运行。作用：作用：1.为扩大主存的寻址空间而采用的。为扩大主存的寻址空间而采用的。2.用户程序在较小的内存
22、空间中运行；使内存空间中同用户程序在较小的内存空间中运行；使内存空间中同时装入更多的进程并发执行，时装入更多的进程并发执行，3.容量将比实际内存从用户角度看该系统所具有的内存容量将比实际内存从用户角度看该系统所具有的内存容量大得多，人们把这样的存储器称为虚拟存储器。容量大得多，人们把这样的存储器称为虚拟存储器。虚拟存储器虚拟存储器程序它要访问的页程序它要访问的页（段）已调入内存？（段）已调入内存？利用利用OS所提供的请求调页所提供的请求调页（段）功能将它们调入内存（段）功能将它们调入内存内存已满？内存已满？利用页（段）的置换功能，利用页（段）的置换功能，将暂时不用的页（段）调出将暂时不用的页（
23、段）调出将所要访问的页（段）调入将所要访问的页（段）调入顺序执行顺序执行是是否否否否是是虚拟存储器：建立在主存与辅存之上，用附加的硬件和虚拟存储器：建立在主存与辅存之上，用附加的硬件和操作系统存储管理软件组成的一种存储体系操作系统存储管理软件组成的一种存储体系CPUCPU只能从主存上存取数据。故而得名虚拟存储器。只能从主存上存取数据。故而得名虚拟存储器。其逻辑容量由内存和外存容量之和所决定，其运行速度其逻辑容量由内存和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存，可见，接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存，可见，虚拟存储器技术是一种性能非常优越的存储器管理技术
24、，虚拟存储器技术是一种性能非常优越的存储器管理技术，故被广泛应用于大、中、小型机器和微型机中。故被广泛应用于大、中、小型机器和微型机中。虚拟存储器虚拟存储器n虚拟存储器和虚拟存储器和CacheCache管理的区别管理的区别1 1）CacheCache由硬件控制，虚拟存储器由操作系统由硬件控制，虚拟存储器由操作系统2 2）CacheCache对程序员透明，虚拟存储器对系统程序员不透明对程序员透明，虚拟存储器对系统程序员不透明3 3）CacheCache比主存快比主存快5-105-10倍，虚拟存储器中主存比辅存快倍，虚拟存储器中主存比辅存快10001000倍。倍。虚拟存储器和虚拟存储器和Cache管理的相同：管理的相同：1）把程序划分为信息块。把程序划分为信息块。2）从慢速存储向快速存储调度，调度采取替换策略。从慢速存储向快速存储调度，调度采取替换策略。3）以信息块作为存储层次的基本传输单位以信息块作为存储层次的基本传输单位虚拟存储器虚拟存储器n虚拟存储器的管理虚拟存储器的管理1 1）页式管理）页式管理2 2）段式管理）段式管理3 3）段页式管理）段页式管理虚拟存储器虚拟存储器