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1、College of computer science,SWPUComputer ScienceComputer Science计算机组成原理计算机组成原理主讲：颜俊华主讲：颜俊华第十三讲：存储子系统（二）第十三讲：存储子系统（二）计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器分类分类软盘、磁带、硬盘软盘、磁带、硬盘技术指标技术指标记录密度记录密度道密度：单位长度内的磁道数道密度：单位长度内的磁道数位密度：位密度：磁道上单位长度内的二进制代磁道上单位长度内的二进制代码数码数存储容量存储容量非格式化容量：总位数，用位密度计算
2、非格式化容量：总位数，用位密度计算计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器格式化容量：格式化容量：有效位数，用扇区内的数有效位数，用扇区内的数据块长度计算据块长度计算速度指标速度指标平均存取时间平均存取时间数据传输率：数据传输率：带：平均等待时间带：平均等待时间盘：平均定位、平均旋转时间盘：平均定位、平均旋转时间查找速度查找速度 msms读读/写速度写速度 Kb/sKb/s、KB/sKB/s计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器软盘信息分
3、布与寻址信息软盘信息分布与寻址信息信息分布信息分布盘片：单片，双面记录盘片：单片，双面记录磁道：盘片旋转一周，磁头作用区域磁道：盘片旋转一周，磁头作用区域扇区：磁道上长度相同的区段。存放数据扇区：磁道上长度相同的区段。存放数据块。块。各道容量相同，各道位密度不同，内圈位各道容量相同，各道位密度不同，内圈位密度最大。密度最大。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器容量容量非格式化容量非格式化容量=内圈
4、位密度内圈位密度内圈周长内圈周长道道数数/面面面数面数格式化容量格式化容量=字节数字节数/扇区扇区扇区数扇区数/道道道道数数/面面面数面数寻址信息寻址信息驱动器号、磁头号、磁道号、扇区号、扇驱动器号、磁头号、磁道号、扇区号、扇区数区数计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器硬盘信息分布与寻址信息硬盘信息分布与寻址信息信息分布信息分布盘组：多个盘片，双面记录盘组：多个盘片，双面记录圆柱面：各记录面上相同序号的磁道构成圆柱面：各记录面上相同序号的磁道构成一圆柱面一圆柱面数据块数据块扇区（定长记录格式）扇区（定长记录格式）
5、记录块（不定长记录格式），记录块（不定长记录格式），无扇区划分。无扇区划分。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器寻址信息寻址信息驱动器号、圆柱面号、磁头号、扇区号（记驱动器号、圆柱面号、磁头号、扇区号（记录号）、交换量。录号）、交换量。选择磁盘组选择磁盘组 选择盘面选择盘面 选择磁道选择磁道 选择起始扇区选择起始扇区 扇区数扇区数 计算机组成原理计算机组成原理 College of Compute
6、r Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器设某磁盘有两个记录面，存储区内直径为设某磁盘有两个记录面，存储区内直径为.36英寸，外直径为英寸，道密度为英寸，外直径为英寸，道密度为TPI（TPI：磁道数：磁道数/英寸），内直径处英寸），内直径处的位密度为的位密度为52400bpi（bpi：位：位/英寸），转英寸），转速为速为2400rpm（rpm：转：转/分）。请解答：分）。请解答：（）每面有多少个磁道，每磁道能存储多（）每面有多少个磁道，每磁道能存储多少字节？少字节？（）数据传输率是多少？（）数据传输率是多少？（）磁盘的寻址信息？（）磁盘的寻址信息？计算机组成原理计算机组成原理 Col
7、lege of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器磁记录方式磁记录方式定义：写电流波形的组成方式定义：写电流波形的组成方式解决解决提高可靠性提高可靠性：增大写波幅度，以提高读出：增大写波幅度，以提高读出 信号幅度。信号幅度。提高记录密度提高记录密度减少转变区数目，使单元减少转变区数目，使单元长度缩短长度缩短具有具有自同步自同步能力，能力，使位单使位单元长度缩短。元长度缩短。自同步，即能从自身读出信号自同步，即能从自身读出信号序列中提取同步信号，以区分序列中提取同步信号，以区分位单元。位单元。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer S
8、cience,SWPU磁表面存储器磁表面存储器选择原则：主要由以下三点决定选择原则：主要由以下三点决定自同步能力自同步能力记录密度记录密度可靠性可靠性实用记录方式的特点与应用实用记录方式的特点与应用不归零不归零-1制（制（NRZ1）写写1 1时电流变方向，写时电流变方向，写0 0时电流不变方向。时电流不变方向。“见见1 1就就翻翻”0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1I I0 0t t转变区少，无自同步能力。转变区少，无自同步能力。用于早期低速磁带机。用于早期低速磁带机。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储
9、器调相制（调相制（PE）调频制（调频制（FM）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1写写1 1时中间电流正跳变，写时中间电流正跳变，写0 0时中间电流负跳变。时中间电流负跳变。转变区多，有自同步能力。转变区多，有自同步能力。用于常规磁带机。用于常规磁带机。I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1写写1 1时电流变二次，写时电流变二次，写0 0时电流变一次。起始变方向时电流变一次。起始变方向转变区多，有自同步能力。转变区多，有自同步能力。用于早期磁盘。用于早期磁盘。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,
10、SWPU磁表面存储器磁表面存储器改进型调频制（改进型调频制（MFM）写写1 1时位单元中间电流变，相邻的时位单元中间电流变，相邻的0 0交界处电流变。交界处电流变。转变区少，有自同步能力。转变区少，有自同步能力。用于磁盘。用于磁盘。I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1可压缩位单元长度：可压缩位单元长度：I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU磁表面存储器磁表面存储器群码制（群码制（GCR）GCR（4，5）记录码中连续的记录码中连续的0 0不超过不超过2
11、2个；个；记录码按记录码按NRZ1NRZ1方式写入。方式写入。转变区少，有自同步能力。转变区少，有自同步能力。用于数据流磁带机。用于数据流磁带机。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能高速缓冲存储器高速缓冲存储器问题的提出问题的提出CPU和主存的速度差和主存的速度差 Cache的功能（引入目的）：解决的功能（引入目的）：解决CPU和主存间速度不匹配和主存间速度不匹配缓存缓存CPUCPU主存主存容量小容量小速度高速度高容量大容量大速度低速度低计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer
12、 Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能存储器访问的局部性原理存储器访问的局部性原理时间局部性：时间局部性：当前正在使用的信息很可能当前正在使用的信息很可能是后面立即还要用的信息是后面立即还要用的信息,例程序循环和例程序循环和堆栈操作。堆栈操作。空间局部性：指连续使用到的信息很可能空间局部性：指连续使用到的信息很可能在存储空间上相邻或相近，以顺序执行的在存储空间上相邻或相近，以顺序执行的程序和数据程序和数据(如数组如数组)便是如此。便是如此。分层结构：局部性原理是存储系统层次结分层结构：局部性原理是存储系统层次结构技术可行性的基础。构技术可行性的基础。计算机组成原理计算机组成
13、原理 College of Computer Science,SWPUCPUCACHEL1CACHEL2MMAMCPU地址映象cache主存数据总线地址总线ALU通用寄存器L1L2主存辅存CPU存储系统存储系统层次结构图Cache原理图块传送字传送字传送计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能Cache命中率命中率增加增加Cache的目的就是使主存的平均读出的目的就是使主存的平均读出时间尽可能接近时间尽可能接近Cache读出时间，即读出时间，即Cache命中率接近命中率接近1。在一个程序执行期间，设在一个程序
14、执行期间，设Nc表示表示Cache完成存取的总次数，完成存取的总次数，Nm表示主存完成存表示主存完成存取的总次数，取的总次数，h定义为命中率，则有：定义为命中率，则有：计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能Cache/主存系统平均访问时间主存系统平均访问时间ta根据主存的根据主存的启动时间有：启动时间有：Cache访问和主存访问是同时启动访问和主存访问是同时启动Cache访问不命中时才启动主存访问不命中时才启动主存tc:命中命中Cache访问时间访问时间tm:主存访问时间主存访问时间计算机组成原理计算机组成
15、原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能存储层次访问效率存储层次访问效率例：例：CPU执行一段程序时，执行一段程序时，Cache完成存取完成存取次数为次数为1900次，主存完成存取次数为次，主存完成存取次数为100次，次，已知已知Cache存取周期为存取周期为50ns，主存存取周，主存存取周期为期为250ns，求，求Cache/主存系统的效率和平主存系统的效率和平均访问时间（设访问均访问时间（设访问Cache和主存同时启动）和主存同时启动）计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU
16、提高存储系统性能提高存储系统性能解：解：计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能地址映像地址映像直接映像直接映像字块字块2 2mm1 1 字块字块2 2c c+1+1 字块字块2 2c c+1+11 1 字块字块2 2c c +1+1 字块字块2 2c c 字块字块2 2c c1 1 字块字块1 1 字块字块0 0主存储体主存储体 字块字块 1 1 标记标记 字块字块 0 0 标记标记字块字块 2 2c c1 1标记标记Cache存储体存储体t位位01C1 字块字块字块地址字块地址 主存字主存字 块标记块标记
17、t 位位c 位位b 位位主存地址主存地址 比较器（比较器（t位）位）=不命中不命中有效位有效位=1？*m位位 Cache内地址内地址否否是是命中命中计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能优点：实现简单优点：实现简单缺点：不够灵活，命中率低缺点：不够灵活，命中率低例：设主存容量例：设主存容量1MB，Cache容量容量16KB，块的大小为块的大小为512B，采用直接地址映像方式：，采用直接地址映像方式：写出写出Cache地址格式地址格式写出主存地址格式写出主存地址格式块表容量为多大？块表容量为多大？画出地址映像
18、及变换示意图画出地址映像及变换示意图主存地址为主存地址为CDE8FH的单元在的单元在Cache中的中的什么位置？什么位置？计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能全相联映像全相联映像字块字块2 2mm1 1字块字块2 2c c1 1字块字块1 1 字块字块0 0字块字块2 2c c1 1字块字块1 1字块字块0 0标记标记标记标记标记标记主存字块标记主存字块标记 字块内地址字块内地址主存地址主存地址m=t+c 位位b位位m=t+cCache 存储器存储器主存储器主存储器计算机组成原理计算机组成原理 Colle
19、ge of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能优点：很灵活，命中率高优点：很灵活，命中率高缺点：很复杂，很难实现缺点：很复杂，很难实现将上例改用全相联地址映像方式进行计算将上例改用全相联地址映像方式进行计算计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能组相联映像组相联映像字块字块2 2mm1 1字块字块2 2c c-r r+1+1 字块字块2 2c c-r r+1 1 字块字块2 2c c-r r字块字块2 2c c-r r 字块字块1 1 字块字块0 0 字块字块 3 3标
20、记标记 字块字块 1 1标记标记字块字块 2 2c c1 1标记标记 字块字块 2 2标记标记 字块字块 0 0标记标记字块字块 2 2c c2 2标记标记 字块内地址字块内地址组地址组地址主存字块标记主存字块标记s=t+r 位位q=cr 位位b 位位组组012c-r1主存地址主存地址Cache主存储器主存储器m 位位共共 Q 组组，每组内两块（，每组内两块（r=1)1计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能例：一个组相联地址映像例：一个组相联地址映像Cache由由64个存储个存储块组成，每组包含块组成，每组
21、包含4个存储块，主存包含个存储块，主存包含4096个存储块，每块由个存储块，每块由8字组成，每字为字组成，每字为32位。存储器按字节编址，访存地址为字地址。位。存储器按字节编址，访存地址为字地址。写出写出Cache地址位数和地址格式地址位数和地址格式写出主存地址位数和地址格式写出主存地址位数和地址格式画出组相联地址映像方式示意图画出组相联地址映像方式示意图主存地址主存地址18AB9H映像到映像到Cache的哪个字的哪个字块？块？计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能替换算法替换算法先进先出算法先进先出算法近
22、期最少使用算法近期最少使用算法某程序对页面要求的序列为某程序对页面要求的序列为P3P4P2P6P4P3P7P4P3P6P3P4P8P4P6。设。设Cache容量为容量为4个页面，求个页面，求FIFO和和LRU算算法各自的命中率（假设开始时法各自的命中率（假设开始时Cache为空）为空）计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPUCache的读的读/写过程写过程读操作读操作写操作写操作写直达法（存直达法）：在执行写操作时，不写直达法（存直达法）：在执行写操作时，不仅把信息写入仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入中相应的块，而且也写入主存中
23、相应的块。主存中相应的块。写回法（拷回法）：只把信息写入写回法（拷回法）：只把信息写入Cache相应相应的块中。该块只有被替换时，才写回相应的主的块中。该块只有被替换时，才写回相应的主存块中。通常为存块中。通常为Cache的每个块设置一个的每个块设置一个“污污染位染位”或称为或称为“脏位（脏位（dirty）”。用于指出该。用于指出该块是块是“脏脏”的（被修改过）还是的（被修改过）还是“干净干净”的的（没被修改过）。替换时只有（没被修改过）。替换时只有“脏脏”的块才会的块才会写回主存。写回主存。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPUCach
24、e的读写过程的读写过程两种写方法的特点（自己总结）两种写方法的特点（自己总结）写失效发生时，都有一个是否调入相应块写失效发生时，都有一个是否调入相应块的问题，有两种选择：的问题，有两种选择：按写分配法：写失效时，先把所写单元所在按写分配法：写失效时，先把所写单元所在块调入块调入Cache，然后再进行写入。，然后再进行写入。不按写分配法：写失效时，直接将数据写入不按写分配法：写失效时，直接将数据写入主存而不调入主存而不调入Cache。写回法一般采用按写分配法，写直达法一般写回法一般采用按写分配法，写直达法一般采用不按写分配法。采用不按写分配法。计算机组成原理计算机组成原理 College of
25、Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能虚拟存储器虚拟存储器基本思想：基本思想：通过某种策略，把辅存中信息的通过某种策略，把辅存中信息的一部分调入主存，在用户面前呈现的是比主一部分调入主存，在用户面前呈现的是比主存大得多的地址空间。存大得多的地址空间。虚拟存储器是以存储器访问局部性原理为基虚拟存储器是以存储器访问局部性原理为基础，建立在主础，建立在主辅存体系上的存储器管理技辅存体系上的存储器管理技术。术。概念：多级存储器在操作系统管理下，向用概念：多级存储器在操作系统管理下，向用户提供比实际主存大得多的存储空间，即提户提供比实际主存大得多的存储空间，即提供虚拟
26、存储器。供虚拟存储器。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能虚地址：虚地址：由虚存提供的地址称为逻辑地址或由虚存提供的地址称为逻辑地址或虚地址。虚地址。实地址：由主存提供的地址称为物理地址或实地址：由主存提供的地址称为物理地址或实地址实地址虚地址必须转换成实地址才能进行操作。虚地址必须转换成实地址才能进行操作。遵循的原则：遵循的原则：将常用信息保存在高速存储器，不常用信将常用信息保存在高速存储器，不常用信息送回低速存储器。息送回低速存储器。数据的置换由硬件或操作系统完成，对用数据的置换由硬件或操作系统完成，
27、对用户透明。户透明。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能虚拟存储器分类虚拟存储器分类页式虚拟存储器页式虚拟存储器段式虚拟存储器段式虚拟存储器段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器双端口存储器双端口存储器双端口存储器：双端口存储器：是指同一存储器具有两组相是指同一存储器具有两组相互独立的读写控制线路，是一种高速工作的互独立的读写控制线路，是一种高速工作的存储器。存储器。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能双双端口存储器提供左
28、、右两个独立端口，分端口存储器提供左、右两个独立端口，分别具有独立的地址、数据和控制线，可对存别具有独立的地址、数据和控制线，可对存储器任意单元中数据进行独立存取操作。图储器任意单元中数据进行独立存取操作。图中，用中，用 L L 表示左端口，用表示左端口，用 R R 表示右端口。表示右端口。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能特点：特点：每个芯片有二组每个芯片有二组DBDB，ABA
29、B，CBCB，形成形成二个访问端口，允许二个端口并行独立的读二个访问端口，允许二个端口并行独立的读写。写。注意：如注意：如2 2个端口同时访问同一存储单元，个端口同时访问同一存储单元，由片内仲裁由片内仲裁逻辑决定由哪个端口访问逻辑决定由哪个端口访问。可让可让2 2个个CPUCPU同时访同时访MMMM，或或1 1个端口面向个端口面向CPUCPU，1 1个个面向面向I/OI/O处理。处理。应用应用Cache-MMCache-MM系统中的系统中的MMMMCPUCPU中的通用寄存器中的通用寄存器多机系统中的双多机系统中的双(多多)口存储器口存储器计算机组成原理计算机组成原理 College of Co
30、mputer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能并行存储器并行存储器单体多字并行主存系统单体多字并行主存系统W W位位W W位位W W位位W W位位W W位位地址寄存器地址寄存器主主存存控控制制部部件件.单字长寄存器单字长寄存器 数据寄存器数据寄存器 存储体存储体 增加存储器的带宽增加存储器的带宽 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能多体交叉存取多体交叉存取M0M0M1M1M2M2M3M30 01 12 23 34 45 56 67 7 存储器控制部件存储器控制部件 CPUCPU计算
31、机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能主存分成若干个独立存储体。主存分成若干个独立存储体。在一个存取周期中，在一个存取周期中，CPU交叉访问多个交叉访问多个体，缩短平均访存时间。体，缩短平均访存时间。R/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。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能 相联存储器相联存储器普通存储器按地址访问，相
32、联存储器按内容普通存储器按地址访问，相联存储器按内容访问，用于访问的存储项为访问，用于访问的存储项为“关键字关键字”，或，或称为称为“键键”。存放在相联存储器中的项分别为存放在相联存储器中的项分别为KEY和和，其中，其中为检索项，为检索项，为数据项。为数据项。基本原理：将存放在存储单元中多项信息的基本原理：将存放在存储单元中多项信息的某一项作为检索项（即关键字项），将访问某一项作为检索项（即关键字项），将访问内容与检索项相比较，若相同，则对该存储内容与检索项相比较，若相同，则对该存储单元进行访问操作。单元进行访问操作。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU提高存储系统性能提高存储系统性能相连存储器的组成相连存储器的组成检索寄存器：用来存放检索字，其位数和检索寄存器：用来存放检索字，其位数和相联存储器的存储单元位数相等。每次检相联存储器的存储单元位数相等。每次检索时，取若干位作为检索项。索时，取若干位作为检索项。屏蔽寄存器：用来存放屏蔽码，其位数和屏蔽寄存器：用来存放屏蔽码，其位数和检索寄存器位数相同。除检索项对应的位检索寄存器位数相同。除检索项对应的位之外，其他位置之外，其他位置“”表示屏蔽。表示屏蔽。比较线路：比较线路：