存儲系統(tǒng)精品課件

1、存儲系統(tǒng)第1頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二存儲器的分類1.按功能分類主存儲器高速緩沖存儲器輔助存儲器控制存儲器2.按存儲介質(zhì)分類磁芯存儲器半導(dǎo)體存儲器磁表面存儲器光盤存儲器3.按存取方式分類隨機存取存儲器只讀存儲器順序訪問存儲器直接訪問存儲器4.按信息可保存性分類易失性存儲器非易失性存儲器第2頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)主存儲器( 動態(tài)隨機存儲器DRAM )輔助存儲器( 磁盤存儲器、光盤存儲器等 )通用寄存器組高速緩沖存儲器Cache( 靜態(tài)隨機存儲器SRAM )CPU內(nèi)部輔助硬件輔助軟、硬件第3頁，共33頁，2022年，

2、5月20日，16點8分，星期二主存儲器的分類1.隨機存儲器靜態(tài)隨機存儲器SRAM動態(tài)隨機存儲器DRAM2.只讀存儲器掩模型只讀存儲器ROM可一次編程只讀存儲器PROM可重編程只讀存儲器EPROM電擦除可重編程只讀存儲器E2PROM閃速存儲器(Flash Memory)第4頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二動態(tài)RAM基本單元電路1.動態(tài)RAM基本單元電路行選擇線列選擇線數(shù)據(jù)線T1C1C2T2第5頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二WE動態(tài)RAM基本單元電路2.DRAM存儲器芯片邏輯框圖讀出放大器存儲陣列( 64128 )存儲陣列( 64128 )列地址譯

3、碼器列地址譯碼器列地址鎖存器行地址譯碼器行地址鎖存器I/O控制輸出緩沖列時鐘發(fā)生器行時鐘發(fā)生器寫時鐘發(fā)生器行時鐘列時鐘寫時鐘RASCASA6A0列時鐘行時鐘列時鐘Dout輸入鎖存Din寫時鐘第6頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二動態(tài)RAM基本單元電路3.DRAM存儲器芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)讀出再生放大電路讀出再生放大電路讀出再生放大電路第1行第2行第64行第65行第66行第128行第1列第2列第128列I/O緩沖DinDout第7頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二動態(tài)RAM基本單元電路4.動態(tài)存儲器讀寫周期時序圖A6A0行地址行地址列地址列地址RASCAS

4、WEDout讀出數(shù)據(jù)Din寫入數(shù)據(jù)讀周期寫周期第8頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二存儲容量的擴展1.位擴展位擴展是指只進行位數(shù)擴展，芯片的單元數(shù)與存儲器的單元數(shù)一致。其連接方法是將各存儲芯片的地址線、片選線和讀寫控制線并聯(lián)，各芯片的數(shù)據(jù)線單獨引出。16M1位16M1位16M1位16M1位A23A0CSWED0D1D30D31第9頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二CS7CS6CS1CS0存儲容量的擴展2.字?jǐn)U展字?jǐn)U展是指增加存儲器的單元數(shù)，而位數(shù)不變。其連接方法是將各存儲芯片的地址線、數(shù)據(jù)線和讀寫控制線并聯(lián)，由片選信號分別選擇各存儲芯片。2M8位2M

5、8位2M8位2M8位WE3-8譯碼器A20A0A23A22A21D7D0第10頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片存儲容量的擴展3.字和位同時擴展既增加存儲器的單元數(shù)，又?jǐn)U展存儲器的位數(shù)，是字?jǐn)U展與位擴展的結(jié)合。16M1位32片16M1位32片16M1位32片16M1位32片D0D1D30D31WEA23A04-16譯碼器A27A26A25A24CS0CS1CS14CS15第11頁，共

6、33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二500ns500ns動態(tài)存儲器的刷新1.集中式刷新讀寫周期讀寫周期讀寫周期讀寫周期讀寫周期500ns500ns500ns刷新周期刷新周期刷新周期500ns500ns500ns3872個128個2ms2.分散式刷新2ms讀寫周期刷新周期讀寫周期刷新周期讀寫周期刷新周期讀寫周期刷新周期讀寫周期刷新周期500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns第12頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二500ns500ns500ns動態(tài)存儲器的刷新3.異步式刷新讀寫周期讀寫周期刷新周期讀寫周

7、期讀寫周期500ns500ns500ns刷新周期讀寫周期刷新周期500ns500ns15.6s2ms讀寫周期500ns15.6s15.6s第13頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二主存儲器的技術(shù)指標(biāo)1.存儲容量2.存取速度存取時間存取周期數(shù)據(jù)傳輸率3.可靠性4.功耗5.制作工藝6.價格第14頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二Cache的工作原理1.采用Cache的原因.主存速度的提高永遠滯后于CPU速度的提高；.經(jīng)常出現(xiàn)CPU和IO設(shè)備同時訪問主存的現(xiàn)象。2.程序訪問的局部性原理CPU從主存取指令或取數(shù)據(jù)，在一定時間內(nèi)，只是對主存局部地址區(qū)域進行訪問。

8、這是由于指令和數(shù)據(jù)在主存內(nèi)部都是連續(xù)存放的，并且有些指令和數(shù)據(jù)往往會被多次調(diào)用，也即指令和數(shù)據(jù)在主存的地址分布不是隨機的，而是相對的集中，使得CPU在執(zhí)行程序時，訪存具有相對的局部性，這就是程序訪問的局部性原理。第15頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二Cache的工作原理3.Cache的基本結(jié)構(gòu)主存儲器塊號塊內(nèi)地址主存地址塊內(nèi)地址CPU塊號地址總線數(shù)據(jù)總線主存-Cache地址映象變換機構(gòu)Cache存儲體可裝入？命中？Cache替換機構(gòu)訪問主存替換Cache訪問主存裝入Cache直接通路NNYYCache地址第16頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二Ca

9、che-主存地址映像1.直接映像第 0 塊第 1 塊第 15 塊第 16 塊第 17 塊第 31 塊第 2032 塊第 2033 塊第 2047 塊.第 0 塊第 1 塊.第 15 塊第0組第1組第127組.標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記有效位1位 7位Cache主存儲器第17頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二Cache-主存地址映像2.全相聯(lián)映像第 0 塊第 1 塊第 15 塊第 16 塊第 17 塊第 31 塊第 2032 塊第 2033 塊第 2047 塊.主存儲器第 0 塊第 1 塊.第 15 塊標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記有效位1位 11位Cache第18頁，共33頁，2022年，5月20日，1

10、6點8分，星期二Cache-主存地址映像3.組相聯(lián)映像第 0 塊第 1 塊第 7 塊第 8 塊第 9 塊第 15 塊第 2040 塊第 2041 塊第 2047 塊.第0組第1組第255組.主存儲器第 0 塊第 1 塊.第 15 塊標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記1位 8位Cache第 2 塊第 3 塊第 14 塊標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記第0組第1組第7組第19頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二Cache替換算法1.FIFO算法02.LRU算法00100055555333333第 0 塊第 1 塊第 2 塊第 3 塊第 0 塊第 1 塊第 2 塊第 3 塊000001111511111000002222

11、3333331111100022222444441100000022225555333333333311111111112222244440000130251014312013裝入 裝入 裝入 命中 裝入 替換 替換 命中 命中 替換 替換 命中 替換 替換 命中 命中0130251014312013裝入 裝入 裝入 命中 裝入 替換 命中 替換 替換 替換 替換 命中 替換 替換 替換 命中第20頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二磁表面存儲器的讀寫原理11111100000載體磁層寫入線圈讀出線圈Iwev第21頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二磁表

12、面存儲器的記錄方式101110001RZNRZNRZ-1PEFMMFMM2FM第22頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二硬盤存儲器的結(jié)構(gòu)1.硬盤驅(qū)動器盤片和磁盤組：存儲各種程序和數(shù)據(jù)信息。磁頭：對盤片記錄的信息執(zhí)行讀寫操作。磁頭定位系統(tǒng)：驅(qū)動磁頭沿盤片半徑方向移動尋找目標(biāo)磁道并精確定位。主軸驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動盤片以額定轉(zhuǎn)速圍繞主軸高速、穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。第23頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二硬盤存儲器的結(jié)構(gòu)2.硬盤控制器讀出放大器：對讀出信號進行放大、整形，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。寫入電路：把要寫入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷懭腚娏餍盘?。?shù)據(jù)譯碼電路：把來自讀出放大器的信號還原

13、為數(shù)據(jù)信息，并進行CRC校驗。數(shù)據(jù)編碼電路：按MFM制把數(shù)據(jù)信息編碼為記錄信息，并生成CRC校驗碼。串并轉(zhuǎn)換電路：把讀出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。并串轉(zhuǎn)換電路：把要寫入的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)緩存：為主機和硬盤驅(qū)動器之間進行數(shù)據(jù)傳輸提供緩沖。DMA控制器：向主機提出DMA請求并響應(yīng)主機的DMA允許，控制主機和硬盤驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)傳送。第24頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二硬盤存儲器的信息分布1.硬盤地址格式驅(qū)動器號磁道號記錄面號扇區(qū)號1#2#3#4#5#6#7#8#第25頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二硬盤存儲器的信息分布2.磁道記錄格式G

14、1扇區(qū)1#扇區(qū)2#扇區(qū)n#G4SYNC地址標(biāo)志圓柱面號磁頭號扇區(qū)號CRCG2數(shù)據(jù)區(qū)標(biāo)志G3CRC用戶數(shù)據(jù)第26頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二硬盤存儲器的技術(shù)指標(biāo)1.記錄密度道密度：沿盤片半徑方向在單位長度上刻劃的磁道數(shù)量。位密度：沿磁道圓周在單位長度上記錄的二進制位數(shù)。面密度：指單位面積上記錄的二進制位數(shù)。2.存儲容量非格式化容量：指硬盤存儲器所能存儲的總位數(shù)，包括各種格式信息的位數(shù)。格式化容量：指各個扇區(qū)用戶數(shù)據(jù)字段的容量總和。3.平均尋址時間平均尋道時間：啟動硬盤后，將磁頭定位于目標(biāo)磁道所需的平均時間。磁頭譯碼時間：根據(jù)磁盤地址提供的記錄面號選擇讀寫磁頭所需的時間

15、。平均等待時間：磁頭等待要讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭所在位置的平均時間。4.數(shù)據(jù)傳輸率內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率：磁頭和硬盤高速緩存之間在單位時間內(nèi)傳送的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。外部數(shù)據(jù)傳輸率：主機和硬盤高速緩存之間在單位時間內(nèi)傳送的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。5.高速緩存：即硬盤控制器中高速緩沖存儲器的容量。6.誤碼率：從硬盤讀出的錯誤信息位數(shù)和讀出的總位數(shù)的比值。第27頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二盤片結(jié)構(gòu)與光記錄原理1.CD-ROM盤片結(jié)構(gòu)圖15 mm33 mm35 mm116 mm120 mm保護區(qū)緊固區(qū)信息記錄區(qū)導(dǎo)入?yún)^(qū)第28頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二盤片結(jié)構(gòu)與光記錄原理

16、2.光盤盤片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)30m光盤基片（涂漆層）鋁反射層1m1 mm透明塑料（聚碳酸脂）聚焦透鏡標(biāo)簽字符印刷面坑深0.1m光束入射面盤片厚1.2 mm第29頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二光盤存儲器的組成調(diào)制器激光器譯碼器光檢測器數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出定位誤差光檢測器半透明反射鏡1/4 波長板跟蹤控制速度控制聚焦控制反射鏡主軸電機聚焦透鏡透鏡偏振光束分離器第30頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二光盤存儲器的組成激光器：根據(jù)調(diào)制器的輸出信號產(chǎn)生相應(yīng)功率的激光束。光檢測器：檢測盤片表面產(chǎn)生的反射光的強弱，將該光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。調(diào)制器：按EFM記錄方式把數(shù)據(jù)信

17、息轉(zhuǎn)變?yōu)橛涗浶畔?，并生成錯誤檢測碼EDC和錯誤糾正碼ECC。譯碼器：將光檢測器的輸出信號還原為數(shù)據(jù)信息，并對該信息進行檢錯和糾錯。光學(xué)系統(tǒng)：對激光束進行分光和聚焦，在盤片表面產(chǎn)生直徑為1m的讀寫光點。主軸電機：驅(qū)動光盤盤片以額定轉(zhuǎn)速圍繞主軸高速、穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。跟蹤控制：控制反射鏡偏轉(zhuǎn)的角度，進而控制光點與盤片中心的距離。速度控制：控制主軸驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，使光盤盤片勻速、穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。聚焦控制：控制聚焦透鏡與盤片的距離，進而控制盤面上光點的大小。第31頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二CD-ROM數(shù)據(jù)記錄格式1.CD-ROM Model1數(shù)據(jù)格式同步信號(12字節(jié))扇區(qū)地址(4字節(jié))用戶數(shù)據(jù)(2048字節(jié))EDC(4字節(jié))保留(4字節(jié))ECC(276字節(jié))2.CD-ROM Model2數(shù)據(jù)格式同步信號(12字節(jié))扇區(qū)地址(4字節(jié))用戶數(shù)據(jù)(2336字節(jié))第32頁，共33頁，2022年，5月20日，16點8分，星期二光盤存儲器的技術(shù)指標(biāo)1.存儲密度：同磁盤存儲器的記錄密度，分道密度、位密度和面密