匯編語言與計算機系統(tǒng)組成第6章--存儲系統(tǒng)課件

1、6.1 概述6.1.1 存儲器分類1. 按存儲介質(zhì)分類(1) 半導(dǎo)體存儲器(2) 磁表面存儲器(3) 磁芯存儲器(4) 光盤存儲器易失TTL 、MOS磁頭、載磁體硬磁材料、環(huán)狀元件激光、磁光材料非易失16.1.1 存儲器分類(1) 存取時間與物理地址無關(guān)（隨機訪問） 順序存取存儲器 磁帶2. 按存取方式分類(2) 存取時間與物理地址有關(guān)（串行訪問） 隨機存儲器 只讀存儲器 直接存取存儲器 磁盤26.1.1 存儲器分類磁盤 磁帶 光盤 高速緩沖存儲器（Cache）Flash Memory存儲器主存儲器輔助存儲器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM靜態(tài) RAM動態(tài) RAM3. 按在計

2、算機中的作用分類36.1.2 主存的主要技術(shù)指標(biāo)(2) 存儲速度(1) 存儲容量(3) 存儲器的帶寬主存 存放二進(jìn)制代碼的總數(shù)量 讀出時間 寫入時間 存儲器的 訪問時間 存取時間 存取周期 讀周期 寫周期 連續(xù)兩次獨立的存儲器操作（讀或?qū)懀┧璧?最小間隔時間 位/秒46.2 存儲原理半導(dǎo)體存儲器的存儲原理雙極型半導(dǎo)體存儲器 5半導(dǎo)體存儲器的存儲原理SRAM存儲器 1T4T觸發(fā)器5TT6、行開關(guān)7TT8、列開關(guān)7TT8、一列共用6SRAM的寫操作寫入“1” I/O=1， I/O=0開啟T5、T6、T7、T8 寫入“0” I/O=0， I/O=1開啟T5、T6、T7、T8 7SRAM的讀操作選中

3、一個存儲單元開啟該單元的T5、T6、T7、T8管 存儲單元的信息被送至I/O和I/O線 8DRAM存儲器寫入“1”時I/O=“1”，I/O=“0”字選擇線的高電位打開T5、T6管信息送至A，B端，存儲在T1、T2管的柵極電容上。 讀出時，預(yù)充信號使T9、T10管導(dǎo)通，電源向電容CD、CD充電 若存儲的信息為“1”，則電容C2上有電荷T2導(dǎo)通，T1截止CD經(jīng)T2放電，故D=“0”，D=“1”，信號通過I/O和I/O線輸出同時，D上的電荷通過A點向C2充電。故讀出數(shù)據(jù)的同時刷新了存儲單元信息。 9只讀存儲器ROMMROM 需要輸出“1”的地方使用一個MOS管，需要輸出“0”的地方不用 10PROM

4、 PROM(Programmable ROM)是可以一次性編程的只讀存儲器 11EPROM EPROM(Erasable PROM)可以多次編程、多次擦除 EEPROM(Electrically Erasable PROM)電氣方法將存儲內(nèi)容擦除，再重寫12Flash EPROM 閃速存儲器Flash EPROM用電信號擦除。與EEPROM相比，F(xiàn)lash EPROM：價格低、容量大、性能價格比更高、可靠性更高比較適合于作為一種高密度、非易失性的數(shù)據(jù)采集和存儲器件。在便攜式計算機、工業(yè)控制系統(tǒng)及單片機系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 13磁表面存儲器的存儲原理 特點：容量大、每位價格低；磁介質(zhì)可以反復(fù)使用

5、；不需要加電就能夠長期存放程序和數(shù)據(jù)；非破壞性讀出 14磁表面存儲器的主要技術(shù)指標(biāo) 記錄密度存儲容量平均存取時間數(shù)據(jù)傳輸率誤碼率15磁存儲原理和記錄方式 1. 磁存儲原理寫局部磁化單元載磁體寫線圈SNI局部磁化單元寫線圈SN鐵芯磁通磁層寫入“0”寫入“1”I16磁存儲原理N讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運動方向運動方向ssttffee讀出 “0”讀出 “1”讀17記錄方式011100010數(shù)據(jù)序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期18評價記錄方式的主要指標(biāo) 編碼效率 位密度與最大磁化翻轉(zhuǎn)密度之比，即每次磁化狀態(tài)翻轉(zhuǎn)所存儲的數(shù)據(jù)信息位的多少 自同步能力 檢讀分辨率 指從單個磁道讀出的脈沖序

6、列中提取同步時鐘脈沖的難易程度 磁記錄系統(tǒng)對讀出信號的分辨能力 19光存儲器的存儲原理 1. 概述采用光存儲技術(shù)采用非磁性介質(zhì)采用磁性介質(zhì)第一代光存儲技術(shù)第二代光存儲技術(shù)不可擦寫可擦寫2. 光盤的存儲原理只讀型和只寫一次型可擦寫光盤熱作用（物理或化學(xué)變化）熱磁效應(yīng)206.3 主存儲器的組織主存中存儲單元地址的分配 不同機器的存儲字長度不同，常用8位二進(jìn)制數(shù)表示一個字節(jié)，而存儲字長都取8的倍數(shù)。通常計算機系統(tǒng)既能夠按字尋址，又能夠按字節(jié)尋址 21SRAM存儲器的邏輯結(jié)構(gòu)字節(jié)線選法用一根字選擇線(字線)，直接選中一個存儲單元的各位22SRAM存儲器的邏輯結(jié)構(gòu)2D結(jié)構(gòu)：重合法，被選中單元是由X、Y兩

7、個方向的地址決定的 23SRAM存儲器的邏輯結(jié)構(gòu)地址譯碼有兩種方式：單譯碼方式雙譯碼方式適用于小容量存儲器適用于大容量存儲器24SRAM存儲芯片舉例Intel 2114存儲芯片容量為1K4位。A9A0為地址線；I/O1I/O4為數(shù)據(jù)輸入/輸出端 WE：寫允許，低電平有效CS：片選，低電平有效A3A8：行譯碼，產(chǎn)生64根行選擇線 A0A2與A9 ：列譯碼，產(chǎn)生16根列選擇線每根列選擇線控制一組4位同時進(jìn)行讀或?qū)懖僮?CS=0及WE=0，寫入CS=0及WE=1，讀出25SRAM存儲器的讀周期ACSDOUT地址有效地址失效片選失效數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定高阻tAtCOtOHAtOTDtRC片選有效讀周期 t

8、RC 地址有效 下一次地址有效讀時間 tA 地址有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定 tCO 片選有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定tOTD 片選失效輸出高阻tOHA 地址失效后的數(shù)據(jù)維持時間26SRAM存儲器的寫周期ACSWEDOUTDINtWCtWtAWtDWtDHtWR寫周期 tWC 地址有效下一次地址有效寫時間 tW 寫命令 WE 的有效時間tAW 地址有效片選有效的滯后時間tWR 片選失效下一次地址有效tDW 數(shù)據(jù)穩(wěn)定 WE 失效tDH WE 失效后的數(shù)據(jù)維持時間27DRAM存儲器的邏輯結(jié)構(gòu)DRAM、 SRAM相同點：存儲陣列排列成矩陣DRAM、 SRAM不同點：DRAM有行選通RAS和列選通CASSRAM沒有28DRAM存儲芯

9、片舉例DRAM存儲器芯片211629DRAM存儲器的讀寫周期 行、列地址分開傳送寫時序行地址 RAS 有效寫允許 WE 有效(高)數(shù)據(jù) DOUT 有效數(shù)據(jù) DIN 有效讀時序行地址 RAS 有效寫允許 WE 有效(低)列地址 CAS 有效列地址 CAS 有效30DRAM存儲器的刷新 刷新與行地址有關(guān) 集中刷新（存取周期為0.5s）“死區(qū)比例” 為 32/4000 100% = 0.8%“死區(qū)” 為 0.5 s 32 = 16 s周期序號地址序號tc0123967396801tctctctc3999VW0131讀/寫或維持刷新讀/寫或維持3968個周期（1984）32個周期（16）刷新時間間隔（

10、2ms）刷新序號sstcXtcY 以 32 32 矩陣為例31分散刷新（存取周期為1s）tC = tM + tR讀寫刷新無 “死區(qū)”(存取周期為 0.5 s + 0.5 s)W/RREF0W/RtRtMtCREF126REF127REFW/RW/RW/RW/R刷新間隔128個讀寫周期以 128 128 矩陣為例32分散刷新與集中刷新相結(jié)合對于 128 128 的存儲芯片（存取周期為 0.5s）將刷新安排在指令譯碼階段，不會出現(xiàn) “死區(qū)”“死區(qū)” 為 0.5 s若每隔 15.6 s 刷新一行而且每行每隔 2 ms 刷新一次若每隔 2 ms 集中刷新一次“死區(qū)” 為 64 s33DRAM和SRAM

11、的比較DRAMSRAM存儲原理集成度芯片引腳功耗價格速度刷新電容觸發(fā)器高低少多小大低高慢快有無主存緩存34主存儲器與CPU的連接 1. 存儲器容量的擴(kuò)展 (1) 位擴(kuò)展（增加存儲字長） 用 2片 1K 4位 存儲芯片組成 1K 8位 的存儲器10根地址線8根數(shù)據(jù)線DDD0479AA021142114CSWE35字?jǐn)U展 用 2片 1K 8位 存儲芯片組成 2K 8位 的存儲器11根地址線8根數(shù)據(jù)線 1K 8位 1K 8位D7D0WEA1A0A9CS0A10 1CS136字、位同時擴(kuò)展 用 8片 1K 4位 存儲芯片組成 4K 8位 的存儲器8根數(shù)據(jù)線12根地址線WEA8A9A0.D7D0A11A

12、10CS0CS1CS2CS3片選譯碼.1K41K41K41K41K41K41K41K437存儲器與CPU的連接 (1) 地址線的連接(2) 數(shù)據(jù)線的連接(3) 讀/寫線的連接(4) 片選線的連接(5) 合理選用芯片(6) 其他 時序、負(fù)載38例6.1 某計算機系統(tǒng)中地址空間0000H1FFFH(16進(jìn)制) 分配為ROM區(qū)域，用一片8K8位的ROM芯片。要求采用8K4位的DRAM芯片形成一個16K8位的RAM區(qū)域，起始地址為2000H。DRAM芯片有和信號控制端。設(shè)CPU的接口信號有地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號MREQ和讀/寫控制信號R/W。請畫出CPU和存儲器的連接圖。 39例6.1 解第一步

13、，先畫出整個存儲器的地址空間分布圖 ROMRAM1RAM200001FFF20003FFF40005FFF60008K8K8K第二步，確定芯片的數(shù)量及類型1片ROM8K8位2片RAM8K4位2片RAM8K4位第三步，分配CPU的地址線。 將CPU的低13位地址線A0A12與ROM和RAM芯片的地址線連接；A13、A14用于形成片選信號。 第四步，片選信號的形成 40例6.1 解41例6.2 某計算機的主存地址空間中，從地址0000H到3FFFH為ROM存儲區(qū)域，從4000H到5FFFH為保留地址區(qū)域，暫時不用，從6000H到FFFFH為RAM存儲區(qū)域。RAM的控制信號為CS和WE，CPU的地址

14、線為A0A15，數(shù)據(jù)線為8位D0D7，控制信號有讀寫控制R/W和訪存請求MREQ，ROM存儲器芯片為16K字8位，RAM存儲器芯片為8K字8位，使用3線8線譯碼器74LS138以及必要的基本邏輯門電路，試畫出存儲器與CPU的連接圖。 42例6.2 解首先根據(jù)地址范圍寫出相應(yīng)的二進(jìn)制地址碼 0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0A15A14A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 0 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 10 1 1 00 0 0 00 0 0 00 0 0 01 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 116K8位40K8位RAM5

15、片8K8位ROM1片16K8位第2步，確定芯片的數(shù)量及類型43例6.2 解第三步，分配CPU地址線 CPU、ROM以及5片RAM的A0A12連接，而CPU的A13則與ROM的A13連接。另外，CPU地址線A13A15用于形成片選信號。 第四步，形成片選信號 44例6.2 解45高級DRAM 1. EDRAM存儲器芯片在DRAM芯片上集成了一個小容量cache，改進(jìn)了DRAM芯片的性能芯片存儲陣列被組織成2048行512列4位，即行列交叉處為4位存儲單元，11條地址線，20位地址分為高11位和低9位，從地址線A0A10分兩次送入芯片 46EDRAM存儲器芯片首次讀取數(shù)據(jù)行地址鎖存器實際讀出行地址

16、鎖存器讀出一行共5124位數(shù)據(jù)至SRAM輸出4位數(shù)據(jù)讀列選通信號CAS低9位列地址行選通信號RAS高11位地址第2次以后讀取數(shù)據(jù)，輸入的行地址首先和實際讀出行地址鎖存器的11位地址進(jìn)行比較。如果比較結(jié)果相符合，則SRAM命中，再由輸入的列地址從SRAM選中某一列(4位)數(shù)據(jù)輸出 47高級DRAM2. FPM DRAM(Fast Page Mode DRAM)和EDO DRAM(Extended Data Output DRAM) 3. SDRAM(Synchronous DRAM，同步動態(tài)隨機存取存儲器)和DDR SDRAM存儲器芯片 4. RDRAM(Rambus DRAM)存儲器芯片 5.

17、 其它存儲器芯片 SL DRAM(SyncLink DRAM，同步鏈動態(tài)存儲器) VCM SRDRAM(Virtual Channel Memory SRDRAM，虛擬通道存儲器) FCRAM(快速循環(huán)動態(tài)存儲器) 486.4 高速緩沖存儲器Cache程序的局部性原理是指程序總是趨向于使用最近使用過的指令和數(shù)據(jù)，也就是說程序執(zhí)行時訪問存儲器地址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩部分。程序局部性包括程序的時間局部性和空間局部性。程序的時間局部性是指程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空間局部性是指程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者

18、相近。 49Cache的基本原理 1存儲空間分割 Cache按塊進(jìn)行管理。2Cache和主存分塊 Cache和主存均被分割成大小相同的塊。信息以塊為單位調(diào)入Cache。相應(yīng)地，CPU的訪存地址被分割成兩部分：塊地址和塊內(nèi)位移：主存塊地址用于查找該塊在Cache中的位置，塊內(nèi)位移用于確定所訪問的數(shù)據(jù)在該塊中的位置。 主存地址：塊地址塊內(nèi)位移50映象規(guī)則1. 全相聯(lián)映象(fully associative) 全相聯(lián)：主存中的任一塊可以被放置到Cache中的任意一個位置。對比：閱覽室位置 隨便坐特點：空間利用率最高，沖突概率最低，實現(xiàn)最復(fù)雜。 51全相聯(lián)映象01234567塊號 Cache主存 塊號

19、012345678910111213141552映象規(guī)則2. 直接映象(direct mapped)：直接映象：主存中的每一塊只能被放置到Cache中唯一的一個位置(循環(huán)分配)。特點：空間利用率最低，沖突概率最高，實現(xiàn)最簡單。53直接映象01234567塊號 Cache主存 塊號012345678910111213141554直接映象對于主存的第i 塊，若它映象到Cache的第j塊，則:ji mod (M ) （M為Cache的塊數(shù)）設(shè)M2m，則當(dāng)表示為二進(jìn)制數(shù)時，j 實際上就是i的低m位?？梢灾苯佑弥鞔鎵K地址的低m位去選擇直接映象Cache中的相應(yīng)塊。j主存塊地址 i：m位55映象規(guī)則3.

20、組相聯(lián)映象(set associative)： 組相聯(lián)：主存中的每一塊可以被放置到Cache中唯一的一個組中的任何一個位置。組相聯(lián)是直接映象和全相聯(lián)的一種折衷組的選擇常采用位選擇算法56組相聯(lián)映象01234567塊號 Cache主存 塊號0123456789101112131415第 0 組第 1 組第 2 組第 3 組57組相聯(lián)映象若主存第i 塊映象到第k 組，則:ki mod(G) （G為Cache的組數(shù)）設(shè)G2g，則當(dāng)表示為二進(jìn)制數(shù)時，k實際上就是i 的低 g 位。上述的j 和k 通常稱為索引如果每組中有n個塊(nM/G)，則稱該映象規(guī)則為n路組相聯(lián) 58Cache數(shù)據(jù)的查找 Cache

21、中保存有主存塊地址(實際上是塊地址中不包含索引的高位部分，稱為標(biāo)識)和對應(yīng)塊地址的主存中的內(nèi)容，其中主存塊地址指出了該塊中存放的內(nèi)容是哪個主存塊的。CPU訪存時向Cache發(fā)出訪存地址，該地址與Cache中存儲的主存塊地址進(jìn)行比較，如果找到匹配的地址，則說明CPU需要的數(shù)據(jù)在Cache中，稱為CPU訪問Cache命中(hit)如果比較沒有找到匹配的地址，則說明CPU需要的數(shù)據(jù)不在Cache中，稱為CPU訪問Cache不命中(miss)，或者失效。59Cache數(shù)據(jù)的替換替換算法所要解決的問題：當(dāng)新調(diào)入一塊，而Cache又已被占滿時，替換哪一塊？ 隨機法 先進(jìn)先出法FIFO(First-In-F

22、irst-Out) 最近最少使用法LRU(Least Recently Used) 60寫策略 寫直達(dá)法 也稱為存直達(dá)法，執(zhí)行“寫”操作時，不僅把信息寫入Cache中相應(yīng)的塊，同時寫入下一級存儲器(例如主存)中相應(yīng)的塊。 寫回法 也稱為拷回法，只把信息寫入Cache中相應(yīng)的塊，并不立即把信息寫入主存。只有在該塊被替換時，才被寫回主存。61Cache的組織 Cache存儲體 地址映象變換機構(gòu) 替換機構(gòu) 62Cache性能分析 1.平均每位價格CC( C1S1C2S2 )/(S1S2)2.命中率（CPU訪存時，在M1找到所需信息的概率）H 和失效率 FHN1/(N1N2)N1 訪問M1的次數(shù)N2

23、訪問M2的次數(shù)失效率F1H63Cache性能分析3.平均訪問時間 TA命中時，訪問時間為TA1(命中時間，hit time)不命中時的訪問時間為TA2+TB+ TA1= TA1+TM其中TM= TA2+TB，它為從向M2發(fā)出請求到把整個數(shù)據(jù)塊調(diào)入M1中所需的時間，TM稱為失效開銷。TB為傳送一個信息塊所需的時間。平均訪問時間TATA1(1H )TM 或 TATA1FTMTA1 命中時間64改進(jìn)Cache性能的方法 從三方面改進(jìn)Cache性能(1) 降低失效率(2) 減少失效開銷(3) 減少Cache命中時間 65降低Cache的失效率 (1) 強制性失效（Compulsory miss） (2

24、) 容量失效（Capacity miss） (3) 沖突失效（Conflict miss） 66降低Cache的失效率SPEC92典型程序給出了上述三種失效所占的比例 67降低Cache失效率的方法1. 增加Cache塊大小 68降低Cache失效率的方法2. 提高相聯(lián)度 提高相聯(lián)度是以增加命中時間為代價 3. Victim Cache 在Cache和它與下一級存儲器的數(shù)據(jù)通路之間增設(shè)一個全相聯(lián)的小Cache，稱為Victim Cache 4. 偽相聯(lián)Cache 正常命中時間偽命中時間失效開銷時間69降低Cache失效率的方法5. 硬件預(yù)取技術(shù) 指令預(yù)取 數(shù)據(jù)預(yù)取6. 由編譯器控制的預(yù)取 寄存

25、器預(yù)取，把數(shù)據(jù)取到寄存器中。 Cache預(yù)取，只將數(shù)據(jù)取到Cache中，不放入寄存器。 循環(huán)是預(yù)取優(yōu)化的主要目標(biāo) 7. 編譯器優(yōu)化 70減少Cache失效開銷的方法 1. 讓讀失效優(yōu)先于寫 例6.3 考慮以下指令序列：SW 512(R0), R3 ;M512R3 (Cache索引為0)LW R1, 1024(R0) ;R1M1024 (Cache索引為0)LW R2, 512(R0) ;R2M512 (Cache索引為0)假設(shè)Cache采用寫直達(dá)法和直接映象，并且地址512和1024映象到同一塊，寫緩沖器為4個字，試問寄存器R2的值總等于R3的值嗎？71減少Cache失效開銷的方法例6.3 解

26、：在執(zhí)行Store指令之后，R3中的數(shù)據(jù)被放入寫緩沖器。接下來的第一條Load指令使用相同的Cache索引，因而產(chǎn)生一次失效。第二條Load指令欲把地址為512的存儲單元的值讀入寄存器R2中，這也會造成一次失效。如果此時寫緩沖器還未將數(shù)據(jù)寫入存儲單元512中，那么第二條Load指令將把錯誤的舊值(從存儲器)讀入Cache和寄存器R2。如果不采用適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，R2的值就不會等于R3的值。72減少Cache失效開銷的方法2. 子塊放置技術(shù) 把Cache塊進(jìn)一步劃分為更小的塊(子塊)，并給每個子塊賦予一位有效位，用于指明該子塊中的數(shù)據(jù)是否有效。Cache與下一級存儲器之間以子塊為單位傳送數(shù)據(jù)。但標(biāo)

27、識仍以塊為單位。標(biāo)識匹配并不意味著這個字一定在Cache中，只有當(dāng)與該字對應(yīng)的有效位也為“1”時才是。失效時只需從下一級存儲器中調(diào)入一個子塊。73直接映象Cache中的子塊標(biāo)識1001111300110020001014000000子塊74減少Cache失效開銷的方法3. 請求字處理技術(shù) (1) 盡早重啟動(2) 請求字優(yōu)先 4. 非阻塞Cache技術(shù) 5. 采用兩級Cache 應(yīng)該把Cache做得更快，還是應(yīng)該把Cache做得更大？二者兼顧。通過在原有Cache和存儲器之間增加另一級Cache，構(gòu)成兩級Cache 75兩級Cache 平均訪存時間命中時間L1失效率L1失效開銷L1命中時間L1

28、失效率L1(命中時間L2失效率L2失效開銷L2)局部失效率與全局失效率局部失效率該級Cache的失效次數(shù)/到達(dá)該級Cache的訪存次數(shù)例如：上述式子中的失效率L2全局失效率該級Cache的失效次數(shù)/CPU發(fā)出的訪存的總次數(shù)全局失效率L2失效率L1失效率L2評價第二級Cache時，應(yīng)使用全局失效率這個指標(biāo)。76兩級Cache例6.4 假設(shè)在1000次訪存中，第一級Cache失效40次，第二級Cache失效20次。試問：在這種情況下，該Cache系統(tǒng)的局部失效率和全局失效率各是多少？解： 第一級Cache的失效率（全局和局部）是40/1000，即4%；第二級Cache的局部失效率是20/40，即5

29、0%，第二級Cache的全局失效率是20/1000，即2%。77減少命中時間的方法1. 容量小、結(jié)構(gòu)簡單的Cache 2. 虛擬Cache 虛擬Cache：訪問Cache的索引以及Cache中的標(biāo)識都是虛擬地址(一部分)；虛擬Cache并沒有流行起來，原因：每當(dāng)進(jìn)行進(jìn)程切換時，由于新進(jìn)程的虛擬地址（有可能與原進(jìn)程的相同）所指向的物理空間與原進(jìn)程的不同，故需要清空Cache。 操作系統(tǒng)和用戶程序?qū)τ谕粋€物理地址可能采用兩種以上不同形式的虛擬地址來訪問，這些地址稱為同義或別名。它們會導(dǎo)致同一個數(shù)據(jù)在虛擬Cache中存在兩個副本 78虛擬Cache虛擬索引物理標(biāo)識優(yōu)點：兼得虛擬Cache和物理Ca

30、che的好處局限性：Cache容量受到限制(頁內(nèi)位移)Cache容量頁大小相聯(lián)度解決辦法：提高相聯(lián)度，如IBM3033的Cache頁大小4KB相聯(lián)度16Cache容量164KB64KB頁內(nèi)位移 索引 塊內(nèi)位移頁地址地址標(biāo)識31 12 11 079減少命中時間的方法3. 寫操作流水化 806.5 外部存儲器硬磁盤存儲器 1. 硬磁盤存儲器的類型(1) 固定磁頭和移動磁頭(2) 可換盤和固定盤2. 硬磁盤存儲器結(jié)構(gòu)磁 盤 控 制 器磁 盤 驅(qū) 動 器盤 片主 機81硬磁盤存儲器磁盤磁盤組主軸磁頭音圈電機位置檢測定位驅(qū)動模擬控制放大閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由磁盤控制器送來的目標(biāo)磁道信號測速輸出讀寫臂傳動機構(gòu)

31、主軸定位驅(qū)動數(shù)據(jù)控制(1) 磁盤驅(qū)動器82硬磁盤存儲器(2) 磁盤控制器 接受主機發(fā)來的命令，轉(zhuǎn)換成磁盤驅(qū)動器的控制命令 實現(xiàn)主機和驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 控制磁盤驅(qū)動器讀寫通過總線(3) 盤片對主機對硬盤（設(shè)備）磁盤控制器 是主機與磁盤驅(qū)動器之間的 接口由硬質(zhì)鋁合金材料制成83硬磁盤存儲器硬磁盤的信息分布 磁盤地址是由記錄面號(也稱磁頭號)、磁道號和扇區(qū)號三部分組成。 84U盤存儲器 U盤是采用Flash Memory存儲介質(zhì)和USB接口的移動存儲設(shè)備 閃速存儲器(Flash Memory)是一類非易失性存儲器NVM(Non一Volatile Memory) 閃速存儲器主要有幾種不同的技術(shù)

32、 85閃速存儲器的幾種技術(shù) (l) NOR技術(shù) DINOR(Divided bit一lineNOR)技術(shù)是Mitsubishi與Hitachi公司發(fā)展的專利技術(shù)，從一定程度上改善了NOR技術(shù)在寫性能上的不足 (2) NAND技術(shù)：市場主流技術(shù)Ultra-NAND技術(shù) (3) AND技術(shù) (4) 由EEPROM派生的閃速存儲器 86光盤存儲器 DVD光盤：DVD在速度、容量、技術(shù)和性能等方面都超越了CD光盤，并且向下兼容CD光盤存儲器的組成 ：包括盤片、驅(qū)動器和控制器等組成部分 衡量驅(qū)動器的性能指標(biāo)主要有如下三項： (1) 數(shù)據(jù)傳輸率 (2) 數(shù)據(jù)緩沖器容量 (3) 接口類型 87磁帶存儲器 磁

33、帶存儲器是由磁帶和磁帶機兩部分組成。磁帶按長度分有2400英尺、1200英尺、600英尺幾種；按磁帶寬度分有1/4英寸、12英寸、1英寸、3英寸幾種；按記錄密度分有800bpi、1600bpi、6250bpi等幾種；按磁帶表面并行記錄信息的磁道數(shù)分有7道、9道、16道等；按磁帶外形分有開盤式磁帶和盒式磁帶兩種?，F(xiàn)在計算機系統(tǒng)較廣泛使用的兩種標(biāo)準(zhǔn)磁帶為：1/2英寸開盤式和1/4英寸盒式。 88磁帶存儲器數(shù)據(jù)流磁帶機已成為現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中主要的后備存儲器，其位密度可達(dá)8000bpi 數(shù)據(jù)流磁帶機是將數(shù)據(jù)連續(xù)地寫在磁帶上，兩個數(shù)據(jù)塊間插入記錄間隙，使磁帶機在數(shù)據(jù)塊間不啟停 896.6 物理存儲系統(tǒng)的

34、組織存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 從用戶的角度來看，存儲器的三個主要指標(biāo)是：容量，速度，價格(每位價格)人們對這三個指標(biāo)的期望這三個指標(biāo)相互矛盾速度越快，每位價格越高；容量越大，每位價格越低；容量越大，速度越慢。解決方法：采用多種存儲器技術(shù)，構(gòu)成存儲層次。 90多級存儲層次CPUM1M2Mn91多級存儲層次從主存的角度來看“Cache主存”層次：彌補主存速度的不足“主存輔存”層次： 彌補主存容量的不足92“Cache主存”層次輔助硬件Cache主 存CPU93“主存輔存”層次輔助軟硬件主 存輔 存CPU94多級存儲層次95磁盤冗余陣列 盤陣列(RAID，即Redundant Array of Inexp

35、ensive Disks)，即廉價磁盤冗余陣列，簡稱盤陣列技術(shù) 優(yōu)點：容量大速度快可靠性高造價低廉 96RAID盤陣列分級RAID級數(shù)據(jù)磁盤數(shù)可正常工作的最多失效盤數(shù)檢測磁盤數(shù)0 非冗余8001 鏡像8182 存儲器式EEC8143 位交叉奇偶校驗8114 塊交叉奇偶校驗8115 塊交叉分布奇偶校驗8116 P+Q冗余8227 Cache + 異步82297RAID盤陣列分級RAID盤陣列共性：RAID由一組物理磁盤驅(qū)動器組成，操作系統(tǒng)視之為一個邏輯驅(qū)動器數(shù)據(jù)分布在一組物理磁盤上冗余信息被存儲在冗余磁盤空間中，保證磁盤在萬一損壞時可以恢復(fù)數(shù)據(jù)。98RAID0數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個盤上。非

36、冗余陣列、無冗余信息嚴(yán)格地說,它不屬于RAID系列。LHDMIEANJFBOKGC99RAID1RAID1亦稱鏡像盤，使用雙備份磁盤。每當(dāng)數(shù)據(jù)寫入一個磁盤時，將該數(shù)據(jù)也寫到另一個冗余盤，形成信息的兩份復(fù)制品。特點：昂貴、系統(tǒng)可靠性高、效率低HFDBGECAGECAHFDB100RAID2 RAID2為位交叉式海明編碼陣列。特點:并行存取，對磁盤陣列進(jìn)行存取時，所有的磁盤都參加每個I/O請求的執(zhí)行通過對各個數(shù)據(jù)盤上的相應(yīng)位計算海明校驗碼，編碼位存放在多個校驗磁盤的對應(yīng)位上使用海明編碼來進(jìn)行檢測和糾正，數(shù)據(jù)傳輸率高需要多個磁盤存放檢查及恢復(fù)信息, 使得RAID2技術(shù)實施更復(fù)雜，原理上比較優(yōu)越，但冗

37、余信息的開銷太大。101RAID2(存放的數(shù)據(jù)信息為4位)D0C0B0A0Ecc/DxD1C1B1A1D2C2B2A2D3C3B3A3Ecc/CxEcc/BxEcc/AxEcc/DyEcc/CyEcc/ByEcc/AyEcc/DzEcc/CzEcc/BzEcc/Az102RAID3RAID3為位交叉奇偶校驗盤陣列，是單盤容錯并行傳輸?shù)年嚵?。?shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗信息存儲在一臺專用盤上。將磁盤分組，讀寫要訪問組中所有盤，每組中有一個盤作為校驗盤。校驗盤一般采用奇偶校驗法，當(dāng)一個磁盤出故障時，可以通過奇偶校驗磁盤中的校驗和來恢復(fù)出錯數(shù)據(jù)。冗余盤中的奇偶校驗和通常是模2和1

38、03RAID3數(shù)據(jù)傳輸率高，所有的I/O請求都涉及到所有的數(shù)據(jù)盤和冗余盤缺點是恢復(fù)時間較長，一次只能執(zhí)行一個I/O請求D0C0B0A0D1C1B1A1D2C2B2A2D3C3B3A3D檢驗碼C檢驗碼B檢驗碼A檢驗碼校驗碼產(chǎn)生器位或字節(jié)104RAID4 RAID4為專用奇偶校驗獨立存取盤陣列數(shù)據(jù)以塊(塊大小可變)交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗信息存在一臺專用盤上與RAID3冗余代價相同訪問數(shù)據(jù)的方法不同， RAID4中對一個數(shù)據(jù)的讀操作是對兩個磁盤的兩次讀操作分別讀數(shù)據(jù)盤和校驗盤105RAID4D0C0B0A0D1C1B1A1D2C2B2A2D3C3B3A3D檢驗碼C檢驗碼B檢驗碼A檢驗碼校

39、驗碼產(chǎn)生器數(shù)據(jù)塊106RAID5 RAID5為塊交叉分布式奇偶校驗盤陣列，是旋轉(zhuǎn)奇偶校驗獨立存取的陣列。即數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，但無專用的校驗盤，而是把冗余的奇偶校驗信息均勻地分布在所有磁盤上。通過將校驗信息分布到多個磁盤中，就不會出現(xiàn)RAID4中冗余磁盤成為寫操作的瓶頸的問題107RAID5D4D3D21檢驗碼C4C32檢驗碼B43檢驗碼4檢驗碼A3A2A1A0B2B1B0C1C0D0校驗碼產(chǎn)生器E4E3E2E10檢驗碼108RAID3、RAID4和RAID5比較RAID3和RAID4數(shù)據(jù)分布相同在RAID3中，每次都要訪問所有盤(按條訪問)，用于計算校驗和。 RAID3一次寫操作需要

40、讀其他三個磁盤的數(shù)據(jù)，與需要寫入的信息一起計算校驗和；然后將新的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)盤，新的奇偶校驗和寫入奇偶校驗盤109RAID3、RAID4和RAID5比較在RAID4中，允許讀/寫一個數(shù)據(jù)盤和校驗盤(按塊訪問)，多個對盤的訪問可以并行執(zhí)行；寫操作時，先根據(jù)新數(shù)據(jù)的位置讀出舊數(shù)據(jù)及舊奇偶校驗和，比較新舊數(shù)據(jù)找出改變位，再改變舊的奇偶校驗和的相應(yīng)位，然后寫入新數(shù)據(jù)和新奇偶校驗和，一次寫實際是對兩個磁盤的四次訪問，代替RAID3中對所有磁盤的訪問。110RAID3、RAID4和RAID5比較RAID4的缺點是奇偶校驗磁盤必須在寫時被修改，形成奇偶校驗磁盤順序?qū)懙钠款iRAID5的奇偶校驗信息分布在所有磁

41、盤中，避免了奇偶校驗寫的瓶頸只要需要訪問的塊單元不位于同一個磁盤中，這種組織方法就可以支持多個寫操作同時執(zhí)行。111RAID6 RAID6為雙維奇偶校驗獨立存取盤陣列。數(shù)據(jù)以塊(塊大小可變)交叉的方式存于各盤，冗余的檢、糾錯信息均勻地分布在所有磁盤上。每次寫入數(shù)據(jù)都要訪問一個數(shù)據(jù)盤和兩個校驗盤，可容忍雙盤出錯。D3D2C2B2C檢驗碼2檢驗碼D檢驗碼3檢驗碼A2A1A0B1B0校驗碼產(chǎn)生器C1B檢驗碼1檢驗碼C0D1A檢驗碼0檢驗碼112RAID7RAID7為采用Cache和異步技術(shù)的RAID6，提高了響應(yīng)速度和傳輸速率。C0B0A0C1B1A1C2B2A2C檢驗碼B檢驗碼A檢驗碼實時操作系統(tǒng)

42、113并行存儲技術(shù) 單體多字方式與多體并行方式 單體多字方式 ：多個并行存儲器與同一個地址寄存器連接，所以同時被一個單元地址驅(qū)動，一次訪問讀出的是沿n個存儲器順序排列的n個字 多體方式：n個并行工作的存儲器具有各自的地址寄存器和地址譯碼、驅(qū)動、讀放和時序電路，能各自以同等的方式與CPU交換信息，形成可以同時工作又獨立編址且容量相同的n個獨立存儲體 114單體多字方式與多體并行方式 115多體交叉編址 M0000000040008000C4j+0M0000100050009000D4j+1M000020006000A000E4j+2M000030007000B000F4j+3116多體交叉存儲體分時工作原理 假設(shè)多體交叉存儲器有4個分體組成，每個存儲體一次讀、寫一個字。各個體分時啟動，即每隔1/4存儲周期啟動一