第講——存儲器

1、第第08講講第第4章章 存儲器（存儲器（4.3-4.4）主講人：李淑芝主講人：李淑芝4.1 概述概述4.2 主存儲器主存儲器4.3 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器4.4 輔助存儲器輔助存儲器本課本課學(xué)習學(xué)習4.2.1 概述概述4.2.2 半導(dǎo)體存儲芯片簡介半導(dǎo)體存儲芯片簡介 4.2.3 隨機存取存儲器隨機存取存儲器4.2.4 只讀存儲器只讀存儲器 4.2.5 存儲器與存儲器與CPU連接連接4.2.6 存儲器的校驗存儲器的校驗4.2.7 提高訪存速度的措施提高訪存速度的措施 掌握掌握Cache高速緩沖存儲高速緩沖存儲器工作原理、三種地址映射方法、替器工作原理、三種地址映射方法、替換策略。換策略。C

2、ache主存地址映射方法。主存地址映射方法。組相聯(lián)組相聯(lián)Cache-主存地址映射。主存地址映射。 l存儲器的讀寫速度會很大程度上影響存儲器的讀寫速度會很大程度上影響整機的效率，有哪些措施可以提高訪整機的效率，有哪些措施可以提高訪存速度呢？存速度呢？ l現(xiàn)代計算機系統(tǒng)提高訪存速度的主要現(xiàn)代計算機系統(tǒng)提高訪存速度的主要技術(shù)？技術(shù)？ 4.3.1 概述概述（1）問題的提出）問題的提出緩存緩存CPU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（2）Cache 的工作原理的工作原理u主存和緩存的編址主存和緩存的編址主存和緩存按塊存儲主存和緩存按塊存儲 塊的大小相同塊的大小相同B 為塊長為塊長

3、主存塊號主存塊號主存儲器主存儲器012m1字塊字塊 0字塊字塊 1字塊字塊 M1主存塊號主存塊號塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址m位位b位位n位位M塊塊B個字個字緩存塊號緩存塊號塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址c位位b位位C塊塊B個字個字 字塊字塊 0字塊字塊 1字塊字塊 C1012c1標記標記Cache緩存塊號緩存塊號u命中與未命中命中與未命中緩存共有緩存共有 C 塊塊主存共有主存共有 M 塊塊M C主存塊主存塊 調(diào)入調(diào)入 緩存緩存主存塊與緩存塊主存塊與緩存塊 建立建立 了對應(yīng)關(guān)系了對應(yīng)關(guān)系用用 標記記錄標記記錄 與某緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系的與某緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系的 主存塊塊號主存塊塊號l命中命中l(wèi)未命中未命中主存塊與緩存

4、塊主存塊與緩存塊 未建立未建立 對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)關(guān)系主存塊主存塊 未調(diào)入未調(diào)入 緩存緩存（2）Cache 的工作原理的工作原理uCache 的命中率的命中率l CPU 欲訪問的信息在欲訪問的信息在 Cache 中的中的 比率比率l 命中率命中率 與與 Cache 的的 容量容量 與與 塊長塊長 有關(guān)有關(guān) l 一般每塊可取一般每塊可取 4 至至 8 個字個字l 塊長取一個存取周期內(nèi)從主存調(diào)出的信息長度塊長取一個存取周期內(nèi)從主存調(diào)出的信息長度 CRAY_1 16體交叉體交叉 塊長取塊長取 16 個存儲字個存儲字 IBM 370/168 4體交叉體交叉 塊長取塊長取 4 個存儲字個存儲字（64位位4 =

5、 256位）位）（2）Cache 的工作原理的工作原理uCache 的命中率有關(guān)計算的命中率有關(guān)計算（2）Cache 的工作原理的工作原理l 在一個程序執(zhí)行期間，設(shè)在一個程序執(zhí)行期間，設(shè)NC為訪問為訪問Cache的總的總命中次數(shù)，命中次數(shù)， Nm為訪問主存的總次數(shù)，則命中率為訪問主存的總次數(shù)，則命中率h= NC /（ NC+ Nm）l 設(shè)設(shè)tC為命中時的為命中時的Cache訪問時間，訪問時間， tm為未命中為未命中時的主存訪問時間，時的主存訪問時間，1- h為未命中率，則為未命中率，則Cache 主存系統(tǒng)的平均訪問時間主存系統(tǒng)的平均訪問時間 ta= h tC +（ 1- h ）tml 用用e表

6、示訪問效率，表示訪問效率，e = tC / ta 100% = tC / （h tC +（ 1- h ）tm ） 100% ，可見，命中率越接，可見，命中率越接近近1越好。越好。解解： Cache的命中率為：的命中率為： 2000 /（2000+50） = 0.97設(shè)訪問設(shè)訪問Cache的時間為的時間為t ，訪問主存的時間為，訪問主存的時間為4t，訪問效率為訪問效率為e，則，則e=訪問訪問Cache時間時間/平均訪問時平均訪問時間間100%=t /（0.97 t+（1-0.97） 4t ）100%=91.7%平均訪問時間為：平均訪問時間為： 50ns 0.97+200ns （1-0.97）=5

7、4.5ns 由題可知，訪問主存的時間是訪問由題可知，訪問主存的時間是訪問Cache時時間的間的4倍（倍（200/50=4）。）。數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線Cache替換機構(gòu)替換機構(gòu)可裝進？可裝進？ 命中？命中？主存主存Cache 地址映象地址映象 變換機構(gòu)變換機構(gòu) 主主 存存訪問主訪問主存替換存替換Cache Cache 存儲體存儲體塊號塊號塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址直接通路直接通路訪問主存裝入訪問主存裝入CacheNNYY塊號塊號塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址CPU主存地址主存地址地址總線地址總線Cache地址地址（3）Cache 的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)Cache替換機構(gòu)替換機構(gòu)由由 CPU 完成完成 Cache 存儲體存儲體

8、主存主存Cache 地址映象地址映象 變換機構(gòu)變換機構(gòu) 訪問訪問Cache取出信息送取出信息送CPU 訪問主存訪問主存取出信息送取出信息送CPU將新的主存塊將新的主存塊調(diào)入調(diào)入Cache中中執(zhí)行替換算法執(zhí)行替換算法 騰出空位騰出空位 結(jié)束結(jié)束命中？命中？Cache滿？滿？CPU發(fā)出訪問地址發(fā)出訪問地址 開始開始YNYN寫寫Cache 和主存的一致性和主存的一致性 讀讀（4）Cache 的的讀寫讀寫 操作操作（5）Cache 的改進的改進u增加增加 Cache 的級數(shù)的級數(shù)片載（片內(nèi)）片載（片內(nèi)）Cache片外片外 Cacheu統(tǒng)一緩存和分開緩存統(tǒng)一緩存和分開緩存指令指令 Cache數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) C

9、ache與主存結(jié)構(gòu)有關(guān)與主存結(jié)構(gòu)有關(guān)與指令執(zhí)行的控制方式有關(guān)與指令執(zhí)行的控制方式有關(guān)是否流水是否流水Pentium 8K 指令指令 Cache 8K 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) CachePowerPC620 32K 指令指令 Cache 32K 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) Cache 字塊字塊2m1 字塊字塊2c+1 字塊字塊2c+11 字塊字塊2c +1 字塊字塊2c 字塊字塊2c1 字塊字塊1 字塊字塊0主存儲體主存儲體 字塊字塊 1 標記標記 字塊字塊 0 標記標記字塊字塊 2c1標記標記Cache存儲體存儲體t位位01C1 字塊字塊字塊地址字塊地址 主存字主存字 塊標記塊標記t 位位c 位位b 位位主存地址主存地址 比

10、較器（比較器（t位）位）= 不命中不命中有效位有效位=1？*m位位 Cache內(nèi)地址內(nèi)地址否否是是命中命中（1）直接映象）直接映象每個緩存塊每個緩存塊 i 可以和可以和 若干若干 個個 主存塊主存塊 對應(yīng)對應(yīng)每個主存塊每個主存塊 j 只能和只能和 一一 個個 緩存塊緩存塊 對應(yīng)對應(yīng)i = j mod C 字塊字塊2c+1 字塊字塊2c 字塊字塊0 字塊字塊 0（2）全相聯(lián)映象）全相聯(lián)映象主存主存 中的中的 任一塊任一塊 可以映象到可以映象到 緩存緩存 中的中的 任一塊任一塊字塊字塊2m1字塊字塊2c1字塊字塊1 字塊字塊0字塊字塊2c1字塊字塊1字塊字塊0標記標記標記標記標記標記主存字塊標記主

11、存字塊標記 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址主存地址主存地址m = t + c 位位b位位m = t+cCache 存儲器存儲器主存儲器主存儲器 字塊字塊0字塊字塊2m1字塊字塊2c-r+1 字塊字塊2c-r + 1 字塊字塊2c-r字塊字塊2c-r 字塊字塊1 字塊字塊0 字塊字塊 3標記標記 字塊字塊 1標記標記字塊字塊 2c1標記標記 字塊字塊 2標記標記 字塊字塊 0標記標記字塊字塊 2c2標記標記 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址組地址組地址主存字塊標記主存字塊標記s = t + r 位位q = cr 位位b 位位組組012c-r1主存地址主存地址Cache主存儲器主存儲器m 位位共共 Q 組組，每組內(nèi)兩塊

12、（，每組內(nèi)兩塊（r = 1)1某一主存塊某一主存塊 j 按模按模 Q 映射到映射到 緩存緩存 的第的第 i 組組中的中的 任一塊任一塊i = j mod Q直接映象直接映象全相聯(lián)映象全相聯(lián)映象（3）組相聯(lián)映象）組相聯(lián)映象 字塊字塊0 字塊字塊 1 字塊字塊 0 字塊字塊2c-r 字塊字塊2c-r+1l某計算機的某計算機的Cache共有共有16塊，采用塊，采用2路組相路組相聯(lián)映射方式（即每組聯(lián)映射方式（即每組2 塊）。每個主存塊大塊）。每個主存塊大小為小為32字節(jié)，按字節(jié)編址。主存字節(jié)，按字節(jié)編址。主存129號單元號單元所在主存塊應(yīng)裝入到的所在主存塊應(yīng)裝入到的Cache 組號是組號是: A0 B

13、2 C4 D6l答案：答案：C解解：（：（1）因）因Cache容量為容量為4KB（212=4K），）， Cache地址地址12位。位。 由于每字由于每字32位，則位，則Cache共有共有4KB/4B=1K字。因每個字塊字。因每個字塊16個個字，故字，故Cache中有中有1K/16=64塊。塊。（3）在直接映射方式下，由于）在直接映射方式下，由于Cache共有共有64塊，主存有塊，主存有8192塊，因此主存的塊，因此主存的5, 64+5, 2*64+5，。，。，213-64+5塊能映射塊能映射到到Cache的第的第5塊中塊中（4）直接映射下，主存地址段分配：直接映射下，主存地址段分配：緩存緩存6

14、4塊，故緩存地址塊，故緩存地址6位，字塊內(nèi)地址位，字塊內(nèi)地址6位，標記為位，標記為19-12=7（2）據(jù)主存容量為）據(jù)主存容量為512KB（ 219=512K），主存地址為），主存地址為19位。位。由于每字由于每字32位，則主存共有位，則主存共有512KB/4B=128K字。因每個字塊字。因每個字塊16個字，故主存中共有個字，故主存中共有128K/16=8192塊。塊。標記標記7緩存塊緩存塊6塊內(nèi)塊內(nèi)6解解：設(shè)：設(shè) Cache的存取周期為的存取周期為t，主存的存取周期為，主存的存取周期為5t，則系統(tǒng)的平均訪問時間為：，則系統(tǒng)的平均訪問時間為： ta=0.95 t+0.05 5t=1.5t性能為

15、原來的性能為原來的5t / 1.5t =3.33倍，即提高了倍，即提高了2.33倍。倍。問題問題8：相聯(lián)存儲：相聯(lián)存儲器在器在Cache中有什中有什么作用？么作用？ （1）先進先出）先進先出 （ FIFO ）算法算法 （2）近期最少使用法（）近期最少使用法（ LRU）算法算法小結(jié)小結(jié)某一某一 主存塊主存塊 只能固定只能固定 映射到映射到 某一某一 緩存塊緩存塊直接直接全相聯(lián)全相聯(lián)組相聯(lián)組相聯(lián)某一某一 主存塊主存塊 能能 映射到映射到 任一任一 緩存塊緩存塊某一某一 主存塊主存塊 能能 映射到映射到 某一某一 緩存緩存 組組 中的中的 任一塊任一塊不靈活不靈活成本高成本高4.4.1 概述概述（1

16、）特點）特點不直接與不直接與 CPU 交換信息交換信息（2）磁表面存儲器的技術(shù)指標）磁表面存儲器的技術(shù)指標（自學(xué)問題（自學(xué)問題1）道密度道密度 Dt位密度位密度 DbC = n k s尋道時間尋道時間 + 等待時間等待時間l記錄密度記錄密度l存儲容量存儲容量l平均尋址時間平均尋址時間l數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率l誤碼率誤碼率l輔存的速度輔存的速度尋址時間尋址時間磁頭讀寫時間磁頭讀寫時間Dr = D V出錯信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比出錯信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比（1）磁記錄原理）磁記錄原理（自學(xué)問題（自學(xué)問題2）寫寫局部磁化單元局部磁化單元載磁體載磁體寫線圈寫線圈SNI局部磁化單元局部磁化單元

17、寫線圈寫線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層寫入寫入“0”寫入寫入“1”I4.4.2 磁記錄原理和記錄方式磁記錄原理和記錄方式N讀線圈讀線圈S讀線圈讀線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層運動方向運動方向運動方向運動方向ssttffee讀出讀出 “0”讀出讀出 “1”讀讀（1）磁記錄原理）磁記錄原理（自學(xué)問題（自學(xué)問題2）（2）磁表面存儲器的記錄方式）磁表面存儲器的記錄方式011100010數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期位周期例例 NRZ1 的讀出代碼波形的讀出代碼波形0110010數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列驅(qū)動電流驅(qū)動電流磁通變化磁通變化感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢同步脈沖同步脈沖讀出代碼讀出代碼

18、（2）磁表面存儲器的記錄方式）磁表面存儲器的記錄方式（1）硬磁盤存儲器的類型）硬磁盤存儲器的類型l 固定磁頭和移動磁頭固定磁頭和移動磁頭l 可換盤和固定盤可換盤和固定盤（2）硬磁盤存儲器結(jié)構(gòu)）硬磁盤存儲器結(jié)構(gòu)磁磁 盤盤 控控 制制 器器磁磁 盤盤 驅(qū)驅(qū) 動動 器器盤盤 片片主主 機機磁盤磁盤磁磁盤盤組組主軸主軸磁頭磁頭音圈音圈電機電機位置檢測位置檢測定位驅(qū)動定位驅(qū)動模擬控制模擬控制放放大大閉環(huán)自動控制系統(tǒng)閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由磁盤控制由磁盤控制器送來的目器送來的目標磁道信號標磁道信號測測速速輸輸出出讀寫臂讀寫臂傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)主軸主軸定位驅(qū)動定位驅(qū)動數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)控制u磁盤驅(qū)動器磁盤驅(qū)動器（2）硬磁

19、盤存儲器結(jié)構(gòu)）硬磁盤存儲器結(jié)構(gòu)u磁盤控制器磁盤控制器l 接受主機發(fā)來的命令，轉(zhuǎn)換成磁盤驅(qū)動器控制命令接受主機發(fā)來的命令，轉(zhuǎn)換成磁盤驅(qū)動器控制命令l 實現(xiàn)主機和驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換實現(xiàn)主機和驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換l 控制磁盤驅(qū)動器讀寫控制磁盤驅(qū)動器讀寫通過總線通過總線u盤片盤片對主機對主機對硬盤（設(shè)備）對硬盤（設(shè)備）磁盤控制器磁盤控制器 是是主機與磁盤驅(qū)動器之間的主機與磁盤驅(qū)動器之間的 接口接口l 由硬質(zhì)鋁合金材料制成由硬質(zhì)鋁合金材料制成（2）硬磁盤存儲器結(jié)構(gòu)）硬磁盤存儲器結(jié)構(gòu)l 半導(dǎo)體盤半導(dǎo)體盤l 提高磁盤記錄密度提高磁盤記錄密度l 提高磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率和縮短平均存取時間提高磁盤的數(shù)據(jù)傳

20、輸率和縮短平均存取時間 （3）硬磁盤存儲器的發(fā)展動向）硬磁盤存儲器的發(fā)展動向（自學(xué)問題（自學(xué)問題3）l 采用磁盤陣列采用磁盤陣列RAID（4）硬磁盤的磁道記錄格式）硬磁盤的磁道記錄格式 l 定長記錄格式定長記錄格式l 不定長記錄格式不定長記錄格式（1）概述）概述l 速度速度l 磁頭磁頭l 盤片盤片l 價格價格l 環(huán)境環(huán)境硬盤硬盤軟盤軟盤高高低低固定、活動固定、活動活動活動固定盤、盤組固定盤、盤組大部分不可換大部分不可換可換盤片可換盤片苛刻苛刻浮動浮動接觸盤片接觸盤片高高低低（2）軟盤片）軟盤片由聚酯薄膜制成由聚酯薄膜制成保護套保護套主軸孔主軸孔實際的軟盤片實際的軟盤片寫保護口寫保護口讀讀/寫磁

21、頭訪問槽寫磁頭訪問槽襯里襯里/清潔材料清潔材料（1）概述）概述采用光存儲技術(shù)采用光存儲技術(shù)采用非磁性介質(zhì)采用非磁性介質(zhì)采用磁性介質(zhì)采用磁性介質(zhì)第一代光存儲技術(shù)第一代光存儲技術(shù)第二代光存儲技術(shù)第二代光存儲技術(shù)不可擦寫不可擦寫可擦寫可擦寫（2）光盤的存儲原理）光盤的存儲原理只讀型和只寫一次型只讀型和只寫一次型可擦寫光盤可擦寫光盤熱作用熱作用（物理或化學(xué)變化）（物理或化學(xué)變化）熱磁效應(yīng)熱磁效應(yīng)利用激光寫入和讀出利用激光寫入和讀出（1）多項式多項式 l 一個二進制數(shù)可以以一個多項式來表示。一個二進制數(shù)可以以一個多項式來表示。l 如如1011 表示為多項式表示為多項式X3+X1+X0，X并不表示并不表示

22、 未未知數(shù)這個概念，如果把這里的知數(shù)這個概念，如果把這里的X替換成替換成2，這個，這個多項式的值是該數(shù)的值。多項式的值是該數(shù)的值。l 從這個轉(zhuǎn)換可以看出多項式最高次冪為從這個轉(zhuǎn)換可以看出多項式最高次冪為n，則轉(zhuǎn)則轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)有換為二進制數(shù)有n+1 位。位。（2）編碼的組成編碼的組成 （3）生成）生成多項式多項式 l 由由k k位信息碼如何生成位信息碼如何生成R R位的校驗碼的關(guān)鍵在于生位的校驗碼的關(guān)鍵在于生成多項式成多項式，這個這個多多項式是編碼方程和解碼方程共項式是編碼方程和解碼方程共同約定的同約定的。l 編碼方程將信息碼的多項式除以生成多項式，將編碼方程將信息碼的多項式除以生成多項式，將

23、得到余數(shù)多項式作為校驗碼，解碼方程收到的信得到余數(shù)多項式作為校驗碼，解碼方程收到的信息除以生成多項式，如果余數(shù)為息除以生成多項式，如果余數(shù)為0 0，則認為沒有，則認為沒有錯誤。如果不為錯誤。如果不為0 0，余數(shù)則作為確定錯誤位置的，余數(shù)則作為確定錯誤位置的依據(jù)。依據(jù)。l 生成多項式必須具備以下條件：最高位和最低位生成多項式必須具備以下條件：最高位和最低位均為均為1 1。數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，余數(shù)不為。數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，余數(shù)不為0 0，對余數(shù)補，對余數(shù)補0 0 后，繼續(xù)做按位除，余數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這也是循后，繼續(xù)做按位除，余數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這也是循環(huán)冗余校驗中循環(huán)一詞的來源。環(huán)冗余校驗中循環(huán)一詞的來源。 （4）

24、校驗碼的生成校驗碼的生成 l 將將k k位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)C C（X X）左移）左移R R位，給校驗位留下空間，位，給校驗位留下空間，得到移位后的多項式：得到移位后的多項式：C C（X X）* *XRXR。l 將移位后的信息多項式除以生成多項式，得到將移位后的信息多項式除以生成多項式，得到R R位的余數(shù)多項式，方法是模位的余數(shù)多項式，方法是模2 2除法，即以除法，即以2 2為為模，加減時不進位不借位，和邏輯運算一致。模，加減時不進位不借位，和邏輯運算一致。l 將余數(shù)嵌入信息位左移后的空間。將余數(shù)嵌入信息位左移后的空間。 1. 在主存和在主存和CPU之間增加之間增加Cache存儲器的目存儲器的目 的是的是_ 。 A. 增加內(nèi)存容量增加內(nèi)存容量 B. 提高內(nèi)存可靠性提高內(nèi)存可靠性 C. 解決解決CPU和主存之間的速度匹配問題和主存之間的速度匹配問題 D. 增加內(nèi)存容量，同時加快存取速度增加內(nèi)存容量，同時加快存取速度 答案：答案：C2. 某單片機的系統(tǒng)程序，不允許用戶在執(zhí)行某單片機的系統(tǒng)程序，不允許用戶在執(zhí)行 時改變，則可以選用時改變，則可以選用_作為存儲芯片。作為存儲芯片。 A. SRAM B. 閃速存儲器閃速存儲器 C. Cache D.輔助存儲器輔助存儲器 答案：答案：B3. 軟