存儲(chǔ)系統(tǒng)課件1

第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)

3.1存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)第三章存儲(chǔ)系統(tǒng) 3.1存儲(chǔ)器概述3.1.1存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)元(存儲(chǔ)位)存儲(chǔ)單元按字編址與按字節(jié)編址每一個(gè)存儲(chǔ)單元的位數(shù)是不同的；按字編址可以增加存儲(chǔ)空間；按字節(jié)編址便于對(duì)字符進(jìn)行處理。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器所包含的存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)稱為存儲(chǔ)器的容量，內(nèi)存的容量與地址線的寬度有關(guān)；內(nèi)存的容量通常是以字節(jié)來(lái)度量的(如：KB、MB、GB、TB等)，因此對(duì)于相同的地址線寬度，按字編址與按字節(jié)編址其最大存儲(chǔ)空間是不同的。3.1.1存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)元(存儲(chǔ)位)十六位機(jī)的按字節(jié)編址與按字編址a低8位a高8位存儲(chǔ)器0000000100020003000400050006000700080009000A000Be高8位d高8位c高8位b高8位e低8位d低8位c低8位b低8位a低8位a高8位存儲(chǔ)器000000010002000300040005e高8位d高8位c高8位b高8位e低8位d低8位c低8位b低8位按字節(jié)編址按字編址十六位機(jī)的按字節(jié)編址與按字編址a低8位a高8位存儲(chǔ)器00003.1.1存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器。磁介質(zhì)存儲(chǔ)器：磁芯、磁鼓磁表面存儲(chǔ)器：將磁性材料附著在基底表面制成的存儲(chǔ)器。光反射材料存儲(chǔ)器：光盤3.1.1存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分3.1.1存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)方式分隨機(jī)存儲(chǔ)器：任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)。順序存儲(chǔ)器：只能按某種順序來(lái)存取，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)。半順序存儲(chǔ)器：磁盤、光盤。3.1.1存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)方式分3.1.1存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)器的讀寫功能分(存儲(chǔ)內(nèi)容可變性)只讀存儲(chǔ)器(ROM)：存儲(chǔ)的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而不能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器(RAM)：既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁盤、磁帶。3.1.1存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)器的讀寫功能分(存儲(chǔ)內(nèi)容可變性3.1.1存儲(chǔ)器分類按信息的可保存性分(易失性)非永久記憶的存儲(chǔ)器(易失性存儲(chǔ)器)：斷電后信息即消失的存儲(chǔ)器，半導(dǎo)體讀寫存儲(chǔ)器(RAM)；永久記憶性存儲(chǔ)器(非易失性存儲(chǔ)器)：斷電后仍能保存信息的存儲(chǔ)器，半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器(ROM)、磁盤、磁帶、光盤。3.1.1存儲(chǔ)器分類按信息的可保存性分(易失性)3.1.1存儲(chǔ)器分類按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器等。3.1.1存儲(chǔ)器分類按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分3.1.2存儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu)容量速度成本3.1.2存儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu)容量計(jì)算機(jī)的多級(jí)存儲(chǔ)層次寄存器高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)主存(大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器)輔存(磁盤、光盤存儲(chǔ)器)大容量(海量)存儲(chǔ)器(磁帶存儲(chǔ)器)屬CPU主存儲(chǔ)器屬外部設(shè)備容量增大速度降低價(jià)格降低計(jì)算機(jī)的多級(jí)存儲(chǔ)層次寄存器高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)主存輔存儲(chǔ)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)CPU寄存器Cache主存磁盤磁帶磁盤Cache光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)CPUCache主存磁盤磁帶磁盤Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本存儲(chǔ)層次寄存器主存(大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器)輔存(磁盤、光盤存儲(chǔ)器)屬CPU主存儲(chǔ)器屬外部設(shè)備計(jì)算機(jī)的基本存儲(chǔ)層次寄存器主存輔存屬CPU主存儲(chǔ)器屬外部設(shè)備寄存器專用寄存器：

指令寄存器地址寄存器程序計(jì)數(shù)器狀態(tài)寄存器變址寄存器等；通用寄存器：至少應(yīng)有兩個(gè)以上的通用寄存器，用于臨時(shí)存放送入運(yùn)算器的操作數(shù)。16位運(yùn)算器低8位高8位16位寄存器16位寄存器存儲(chǔ)器8位數(shù)據(jù)線寄存器專用寄存器：16位運(yùn)算器低8位高8位16位寄存器16位寄存器存取速度最快；成本最高；容量最??；通用寄存器常用于存放運(yùn)算的操作數(shù)和運(yùn)算過(guò)程中的中間結(jié)果。寄存器存取速度最快；主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)按地址進(jìn)行訪問(wèn)；訪問(wèn)任何單元所需的時(shí)間相同；容量、速度和價(jià)格均介于寄存器和外存儲(chǔ)器之間；屬非永久性存儲(chǔ)器，斷開電源后，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)按地址進(jìn)行訪問(wèn)；磁芯存儲(chǔ)器磁芯存儲(chǔ)器輔存儲(chǔ)器(外存)磁盤：軟盤Floppydisk硬盤Harddisk光盤Opticaldisk磁帶Magnetictape磁盤與磁帶被稱為磁表面存儲(chǔ)器輔存儲(chǔ)器(外存)磁盤：磁盤與磁帶被稱為磁表面存儲(chǔ)器輔存儲(chǔ)器(外存)存取時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)；存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低；磁表面存儲(chǔ)器的記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；記錄信息可以長(zhǎng)期保存而不丟失，并可以脫機(jī)存檔；采用非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生信息。輔存儲(chǔ)器(外存)存取時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)；磁盤由某種基質(zhì)材料制成的薄的、可以旋轉(zhuǎn)的盤片，表面有磁介質(zhì)的涂層以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。存放程序和數(shù)據(jù)；根據(jù)基質(zhì)材料的不同可分為軟盤和硬盤；硬盤又可根據(jù)組成系統(tǒng)的方式不同分為盤片、盤組、盤陣列。磁盤由某種基質(zhì)材料制成的薄的、可以旋轉(zhuǎn)的盤片，表面有磁介質(zhì)的磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)磁道分為扇區(qū)盤盤旋轉(zhuǎn)臂移動(dòng)存取臂讀/寫頭磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)磁道分為扇區(qū)盤盤旋轉(zhuǎn)臂移動(dòng)存取臂讀/寫頭磁盤組磁盤組磁盤組磁頭盤組主軸小車磁盤組磁頭盤組主軸小車磁盤陣列由若干個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器連接成一個(gè)陣列，用一個(gè)磁盤陣列控制器進(jìn)行控制，并為此配置專門的高速緩沖存儲(chǔ)器；磁盤陣列所用的單臺(tái)驅(qū)動(dòng)器容量不是很大，比較容易制造，而整個(gè)盤陣列的容量很大，數(shù)據(jù)傳輸高；磁盤陣列可以做成容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，一個(gè)或數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障，盤陣列仍可工作因此可靠性高。磁盤陣列由若干個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器連接成一個(gè)陣列，用一個(gè)磁盤陣列控制磁盤陣列廉價(jià)冗余磁盤陣列RAID（RedundentArrayofInexpensiveDisks）是由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的D.A.Patterson教授在1988年提出的。也簡(jiǎn)稱為“磁盤陣列”。后來(lái)RAID中的字母I被改作了Independent，RAID就成了“獨(dú)立冗余磁盤陣列”，實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容并沒(méi)有改變。

磁盤陣列廉價(jià)冗余磁盤陣列RAID（RedundentArr磁盤陣列可以把RAID理解成一種使用磁盤驅(qū)動(dòng)器的方法，它將一組磁盤驅(qū)動(dòng)器用某種邏輯方式聯(lián)系起來(lái)，作為邏輯上的一個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器來(lái)使用。一般情況下，組成的邏輯磁盤驅(qū)動(dòng)器的容量要小于各個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器容量的總和。

磁盤陣列可以把RAID理解成一種使用磁盤驅(qū)動(dòng)器的方法，它將一磁盤陣列（1）冗余無(wú)校驗(yàn)的磁盤陣列(RAID0)

（2）鏡象磁盤陣列(RAID1)（3）并行海明糾錯(cuò)陣列(RAID2)（4）奇偶校驗(yàn)并行位交錯(cuò)陣列(RAID3)（5）奇偶校驗(yàn)扇區(qū)交錯(cuò)陣列(RAID4)（6）循環(huán)奇偶校驗(yàn)陣列(RAID5)（7）二維奇偶校驗(yàn)陣列(RAID6)磁盤陣列（1）冗余無(wú)校驗(yàn)的磁盤陣列(RAID0)磁盤磁道：盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭沿著圓圈移動(dòng)柱面：每一組磁道扇區(qū)：每個(gè)磁道劃分為若干個(gè)弧區(qū)。記錄在扇區(qū)上的信息是連續(xù)的二進(jìn)制位。每個(gè)扇區(qū)的信息量是相同的。512字節(jié)或1024字節(jié)。格式化：重新分配磁道和扇區(qū)的位置磁盤磁道：盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭沿著圓圈移動(dòng)軟盤僅由一張軟質(zhì)聚酯塑料溥片為基質(zhì)的盤片組成，雙面記錄數(shù)據(jù)；8英寸，5.25英寸，3.5英寸，2.5英寸；3.5英寸軟盤：封裝在硬的塑料盒子里，容量1.44MB；Zip盤：幾百M(fèi)B；軟盤僅由一張軟質(zhì)聚酯塑料溥片為基質(zhì)的盤片組成，雙面記錄數(shù)據(jù)；

軟盤：1.44MB軟驅(qū)3.5寸軟盤軟盤：1.44MB軟驅(qū)硬盤容量大，一般由多個(gè)剛性盤片組成盤組；磁頭不與盤片表面接觸，而是靠氣流“浮”在上面；劃道硬盤容量大，一般由多個(gè)剛性盤片組成盤組；劃道劃道硬盤尋道時(shí)間：讀/寫磁頭從當(dāng)前磁道移到目的磁道所需要的時(shí)間；等待時(shí)間/旋轉(zhuǎn)延遲：到達(dá)目的扇區(qū)所需要的時(shí)間；存取時(shí)間：尋道時(shí)間+等待時(shí)間傳輸速率：數(shù)據(jù)從磁盤上讀出或?qū)懭氪疟P的時(shí)間硬盤尋道時(shí)間：讀/寫磁頭從當(dāng)前磁道移到目的磁道所需要的時(shí)間；硬盤：硬盤：光盤5英寸盤，由反射材料組成，通過(guò)在反射層上創(chuàng)建反射偏差的方法在上面記錄信息。這種信息可以通過(guò)激光束檢測(cè)出來(lái)；螺旋形磁道(從內(nèi)向外)、扇區(qū)——2KB：長(zhǎng)而連續(xù)的數(shù)據(jù)串；如需要隨機(jī)存取，同心圓磁道的磁盤較好。光盤5英寸盤，由反射材料組成，通過(guò)在反射層上創(chuàng)建反射偏差的方光盤formtypecapacityCDCD-ROM650MB

CD-R650MB

CD-RW650MDVDDVD-ROM4.7GB

DVD-R4.7GB

DVD-RW2.6-5.2GB光盤formtypecapacityCDCD-ROM650MCD---ROM光盤光驅(qū)光盤背面光盤正面CD---ROM光盤光驅(qū)磁帶信息存儲(chǔ)在一條細(xì)薄的塑料帶的磁介質(zhì)涂層上；通常有9條磁道。磁帶信息存儲(chǔ)在一條細(xì)薄的塑料帶的磁介質(zhì)涂層上；磁帶磁帶磁帶磁帶U盤存儲(chǔ)器為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)介質(zhì)是快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)；可重復(fù)擦寫達(dá)100萬(wàn)次；防潮，耐高低溫(-40C~+70C)；有寫保護(hù)功能；使用USB2.0接口，無(wú)需外接電源，不使用驅(qū)動(dòng)器；支持即插即用和熱插拔；存取速度大約是軟盤的15倍，讀寫大文件要比小文件快；體積小，重量輕，便于攜帶；防震性能好，因?yàn)樗捎脽o(wú)機(jī)械裝置、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固；多種規(guī)格：32MB、64MB、128MB、256MB、512MB、1GB、2GB、4GB、8GB、16GB等。U盤存儲(chǔ)器為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)介質(zhì)是快閃存儲(chǔ)器(FlasU盤存儲(chǔ)器U盤存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)被集成在CPU內(nèi)，也可在CPU與主存之間設(shè)置；Cache及Cache與主存之間的信息交換對(duì)于程序設(shè)計(jì)者(包括系統(tǒng)程序員)都是透明的；它的存儲(chǔ)速度高于主存，成本高于主存，容量小于主存；它主要用來(lái)解決CPU與主存之間的速度匹配問(wèn)題;在系統(tǒng)需要時(shí)，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)整批調(diào)入Cache，其調(diào)度的算法由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者完成，CPU直接對(duì)Cache進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，從而提高速度。高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)被集成在CPU內(nèi)，也可在CPU與3.1.3存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)容量速度(存取速度)價(jià)格(位價(jià)格)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的主要目標(biāo)是：在盡可能低的價(jià)格下，提供盡可能高的速度及盡可能大的存儲(chǔ)容量。3.1.3存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)容量設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的主要目標(biāo)是表3.2主存儲(chǔ)器的主要幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)含義表現(xiàn)單位存儲(chǔ)容量在一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)存儲(chǔ)空間的大小字?jǐn)?shù)，字節(jié)數(shù)存取時(shí)間啟動(dòng)到完成一次存儲(chǔ)器操作所經(jīng)歷的時(shí)間主存的速度ｎｓ存儲(chǔ)周期連續(xù)啟動(dòng)兩次操作所需間隔的最小時(shí)間主存的速度ｎｓ存儲(chǔ)器帶寬單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量,數(shù)據(jù)傳輸速率技術(shù)指標(biāo)位/秒，字節(jié)/秒表3.2主存儲(chǔ)器的主要幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)含義表第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)

隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器(SRAM)動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器(DRAM)3.2SRAM存儲(chǔ)器第三章存儲(chǔ)系統(tǒng) 隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器3.2.1基本靜態(tài)存儲(chǔ)元陣列3.2.1基本靜態(tài)存儲(chǔ)元陣列靜態(tài)存儲(chǔ)器靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM存儲(chǔ)器的構(gòu)成行譯碼器X列譯碼器YSRAM存儲(chǔ)器的構(gòu)成行譯碼器X列譯碼器YSRAM存儲(chǔ)器的構(gòu)成SRAM存儲(chǔ)器的構(gòu)成地址譯碼的兩種方式單譯碼

適用于小容量存儲(chǔ)器

一個(gè)地址譯碼器

雙譯碼

適用于大容量存儲(chǔ)器

X向和Y向兩個(gè)譯碼器

地址譯碼的兩種方式單譯碼適用于小容量存儲(chǔ)器一個(gè)地址譯碼采用單譯碼結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元A0A1A2A311110000譯碼器采用單譯碼結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元A0A1A2A311110000譯碼采用雙譯碼結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元矩陣采用雙譯碼結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元矩陣3.2.1SRAM存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器I/O電路片選與讀/寫控制電路輸出驅(qū)動(dòng)電路3.2.1SRAM存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器2114邏輯結(jié)構(gòu)圖2114邏輯結(jié)構(gòu)圖存儲(chǔ)器的讀、寫周期存儲(chǔ)器的讀、寫周期存儲(chǔ)器的讀、寫周期存儲(chǔ)器的讀、寫周期第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)

3.3DRAM存儲(chǔ)器第三章存儲(chǔ)系統(tǒng) 3.3DRAM存儲(chǔ)器3.3DRAM存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器單管DRAM基本存儲(chǔ)電路

圖2．9單管DRAM基本存儲(chǔ)電路單管DRAM基本存儲(chǔ)電路圖2．9單管DRAM基本存儲(chǔ)電單管DRAM的存儲(chǔ)矩陣

單管DRAM的存儲(chǔ)矩陣表3.4單管存儲(chǔ)元電路和四管存儲(chǔ)元電路對(duì)比名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)四管存儲(chǔ)元電路外圍電路比較簡(jiǎn)單，刷新時(shí)不需要另加外部邏輯管子多，占用的芯片面積大單管存儲(chǔ)元電路元件數(shù)量少，集成度高需要有高鑒別能力的讀出放大器配合工作，外圍電路比較復(fù)雜表3.4單管存儲(chǔ)元電路和四管存儲(chǔ)元電路對(duì)比名稱優(yōu)點(diǎn)DRAM存儲(chǔ)元的讀、寫刷新操作

DRAM存儲(chǔ)元的讀、寫刷新操作DRAM存儲(chǔ)元的讀、寫刷新操作

DRAM存儲(chǔ)元的讀、寫刷新操作DRAM存儲(chǔ)元的讀、寫刷新操作

DRAM存儲(chǔ)元的讀、寫刷新操作DRAM存儲(chǔ)元的讀、寫刷新操作

DRAM存儲(chǔ)元的讀、寫刷新操作3.3.2DRAM芯片的邏輯結(jié)構(gòu)3.3.2DRAM芯片的邏輯結(jié)構(gòu)3.3.2DRAM芯片的邏輯結(jié)構(gòu)3.3.2DRAM芯片的邏輯結(jié)構(gòu)3.3.3讀/寫周期、刷新周期3.3.3讀/寫周期、刷新周期3.3.3讀/寫周期、刷新周期3.3.3讀/寫周期、刷新周期DRAM的刷新集中刷新方式DRAM的刷新集中刷新方式DRAM的刷新分散刷新方式DRAM的刷新分散刷新方式DRAM的刷新異步刷新方式前兩種方式的結(jié)合，在規(guī)定的刷新時(shí)間內(nèi)將所有單元刷新一遍。DRAM的刷新異步刷新方式DRAM的刷新兩種標(biāo)準(zhǔn)刷新操作只用RAS信號(hào)刷新；CAS在RAS之前的刷新。這種方式是在RAS之前使CAS有效，啟動(dòng)內(nèi)部刷新計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生需要刷新的行地址，而忽略外部地址線上的信號(hào)。DRAM的刷新兩種標(biāo)準(zhǔn)刷新操作存儲(chǔ)器控制電路存儲(chǔ)器控制電路存儲(chǔ)器控制電路(1)地址多路開關(guān)：刷新時(shí)需要提供刷新地址，非刷新時(shí)需提供讀寫地址，由多路開關(guān)進(jìn)行選擇。(2)刷新定時(shí)器：定時(shí)電路用來(lái)提供刷新請(qǐng)求。(3)刷新地址計(jì)數(shù)器：只用RAS信號(hào)的刷新操作，需要提供刷新地址計(jì)數(shù)器。(4)仲裁電路：對(duì)同時(shí)產(chǎn)生的來(lái)自CPU的訪問(wèn)存儲(chǔ)器的請(qǐng)求和來(lái)自刷新定時(shí)器的刷新請(qǐng)求的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行裁定。(5)定時(shí)發(fā)生器：提供行地址選通信號(hào)RAS、列地址選通信號(hào)CAS