計算機組成原理5清華

清華大學出版社計算機組成原理黃穎等主編huangying@計算機組成原理第五章存儲器5.1概述5.1.1存儲器分類1．按存儲介質(zhì)分類2．按信息的保存時間分類3．按存取方式分類4．按在計算機中的作用分類5.1.2存儲器的層次結(jié)構(gòu)5.2主存儲器5.2.1主存儲器的基本結(jié)構(gòu)1、存儲器的基本組成（1）存儲矩陣構(gòu)成存儲器的基本單位是位元，它能存放一位二進制信息。一般一個存儲元包含1位，4位或者8位的位元，由若干個存儲元組成一個存儲單元。然后由許多存儲單元組成一個存儲體。存儲元通常排列成矩陣形式，如32×32，由行選、列選線選中所需的單元。（2）地址譯碼驅(qū)動線路這部分的作用就是將地址總線送來的地址碼送至地址寄存器，然后由譯碼驅(qū)動線路翻譯成對應(yīng)存儲單元的驅(qū)動信號，以便從存儲體中選中指定的存儲單元。（3）讀寫控制存儲器有自己的工作時序，但仍是在CPU的控制下進行的，因此控制線路接收來自CPU的啟動、讀、寫等命令，經(jīng)過處理與加工產(chǎn)生一組時序信號來控制存儲器各部分進行讀／寫操作。2、存儲器的基本操作讀操作：是將CPU送來的地址送地址寄存器（MAR），通過譯碼，選擇存儲體中與地址相對應(yīng)的存儲單元，從中讀出信息，放大后送數(shù)據(jù)寄存器(MBR)，然后根據(jù)需要經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到存儲器以外的其它部件去，而存儲單元的內(nèi)容不能被破壞。具體操作過程如下：1）MAR?EA，EA表示有效地址，來自CPU；2）MBR?(MAR)，從指定地址的存儲單元中讀取信息加載于MBR；3）R?MBR，再轉(zhuǎn)存于CPU內(nèi)部的通用寄存器R。寫操作：它與讀操作相反，是將需要存儲的信息送到數(shù)據(jù)寄存器，然后將它寫入根據(jù)地址譯碼選中的存儲單元。具體操作過程如下：1）MAR?EA，將有效地址EA送MAR；2）MBR?R，將要存入的信息由通用寄存器放入MBR；3）(MAR)?MBR，將MBR中的內(nèi)容存入由地址指定的存儲單元內(nèi)。5.2.2主存的技術(shù)指標（1）存儲容量字節(jié)：字長：存儲空間：（2）存儲速度存儲器帶寬決定了以存儲器為中心的機器可以獲得的最大信息傳輸速率。提高存儲器的帶寬所可以采用的措施有：⑴縮短存取周期；⑵增加存儲字長，使每個周期訪問更多的二進制位；⑶增加存儲體，使多個存儲體并行工作。5.2.3半導體存儲器接口的基本技術(shù)1、半導體存儲芯片封裝2、存儲器與CPU的連接存儲器與CPU的連接包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的連接。（1）地址線的連接（2）數(shù)據(jù)線的連接（3）讀/寫命令線的連接（4）片選信號線的連接（5）合理的芯片選擇3、存儲容量的擴展1）位擴展[例1]假定使用1K×4位2114存儲芯片，組成一個1K×8位的存儲器。（2）字擴展[例2]假設(shè)使用1K×8位的芯片，組成一個8K×8位的存儲器。（3）字、位同時擴展[例3]用1K×4的2114芯片組成2K×8的存儲器系統(tǒng)。5.2.4DRAM的刷新DRAM要求在1～3ms中周期性地刷新存儲單元，但DRAM本身不具刷新功能，必須附加硬件電路，包括刷新計數(shù)器、刷新/訪存裁決、刷新控制邏輯等。DRAM的刷新方式主要有：（1）集中式刷新（2）分散式刷新（3）異步式刷新5.2.5多體交叉存儲技術(shù)5.2.6高級DRAM技術(shù)EDRAM：

SDRAM(SynchronousDRAM)：DDRSDRAM：

RDRAM：5.3輔助存儲器5.3.1輔助存儲器的種類與技術(shù)指標輔助存儲器主要有磁表面存儲器和光存儲器兩大類。磁表面存儲器是將磁性材料沉積在盤片(或帶)的基體上形成記錄介質(zhì)，并以繞有線圈的磁頭與記錄介質(zhì)的相對運動來寫入或讀出信息。輔助存儲器的主要技術(shù)指標是存儲密度、存儲容量和尋址時間等。（1）存儲密度（2）存儲容量（3）尋址時間（4）數(shù)據(jù)傳輸率（5）誤碼率（6）價格5.3.2硬磁盤存儲器1、硬磁盤機的分類（1）可移動磁頭固定盤片的磁盤機：特點是一片或一組盤片固定在主軸上，盤片不可更換。盤片每面只有一個磁頭，存取數(shù)據(jù)時磁頭沿盤面徑向移動。（2）固定磁頭磁盤機：特點是磁頭位置固定，磁盤的每一個磁道需要一個磁頭，盤片不可更換。優(yōu)點是存取速度快，省去磁頭尋道時間，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（3）可移動磁頭可換盤片的磁盤機：盤片可以更換，磁頭可沿盤面徑向移動。優(yōu)點是盤片可以脫機保存，同種型號的盤片具有互換性。（4）溫徹斯特磁盤機：

1956年9月，IBM開發(fā)出了第一臺磁盤存儲系統(tǒng)IBM350RAMAC，這套系統(tǒng)的總?cè)萘恐挥?MB，共使用了50個直徑為34inch的磁盤，轉(zhuǎn)速為1200RPM。2、硬磁盤存儲器的結(jié)構(gòu)硬盤主要由盤片、磁盤驅(qū)動器(harddiskdrive，簡稱HDD)和磁盤控制器(harddiskcontroller，簡稱HDC)組成。3、硬磁盤的磁道記錄格式在硬盤中信息分布呈以下層次：記錄面、圓柱面、磁道和扇區(qū)。每個扇區(qū)開始時由磁盤控制器產(chǎn)生一個扇標脈沖。扇標脈沖的出現(xiàn)即標志一個扇區(qū)的開始。兩個扇標脈沖之間的一段磁道區(qū)域即為一個扇區(qū)。每個記錄塊由頭部空白段、序標段、數(shù)據(jù)段、校驗字段及尾部空白段組成。其中空白段用來留出一定的時間作為磁盤控制器的讀寫準備時間，序標被用來作為磁盤控制器的同步定時信號。序標之后即為本扇區(qū)所記錄的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)之后是校驗字，它用來校驗磁盤讀出的數(shù)據(jù)是否正確。[例4]磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用，存儲區(qū)域內(nèi)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分。問：共有多少個柱面？盤組總存儲容量是多少？數(shù)據(jù)傳輸率是多少？如果某文件長度超過一個磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上？1)有效存儲區(qū)域=16.5-11=5.5(cm)∵道密度=40道/cm∴40*5.5=220道，即220個柱面.2)內(nèi)層磁道周長=2*3.14*11=69.08(cm)

每道信息量=400位/cm*69.08=27632=3454位每面信息量=3454B*220=759880B

盤組總?cè)萘?759880*10=7598800B磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr=rN=2400/60*3454=13816B/s地址格式如下：5)應(yīng)該記錄在同一個柱面上。硬磁盤的其它技術(shù)(1)磁頭技術(shù)(2)電機技術(shù)(3)盤片技術(shù)(4)硬盤數(shù)據(jù)保護技術(shù)固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤的存儲介質(zhì)分為兩種，一種是采用閃存（FLASH芯片）作為存儲介質(zhì)，另外一種是采用DRAM作為存儲介質(zhì)。

5.3.3磁盤陣列存儲器特點：（1）RAID是一組物理磁盤驅(qū)動器，在操作系統(tǒng)下被視為一個單一的邏輯驅(qū)動器，原理如圖5.17所示；（2）數(shù)據(jù)分布在一組物理磁盤上。（3）冗余的磁盤容量用于存儲校驗信息，保證磁盤損壞時能恢復(fù)數(shù)據(jù)。(1)RAID0RAID0提高存儲性能的原理是把連續(xù)的數(shù)據(jù)分散到多個磁盤上存取，這樣，系統(tǒng)有數(shù)據(jù)請求就可以被多個磁盤并行的執(zhí)行，每個磁盤執(zhí)行分配給它的那部分數(shù)據(jù)請求。這種數(shù)據(jù)上的并行操作可以充分利用總線的帶寬，顯著提高磁盤整體存取性能。(2)RAID1RAID1又稱為Mirror或Mirroring型RAID，它的宗旨是最大限度的保證用戶數(shù)據(jù)的可用性和可修復(fù)性。RAID1的操作方式是把用戶寫入硬盤的數(shù)據(jù)百分之百地自動復(fù)制到另外一個硬盤上，亦稱鏡像盤。(3)RAID2RAID2同RAID0一樣，將數(shù)據(jù)條塊化分布于不同的硬盤上，條塊單位為位或字節(jié)。RAID2采用海明校驗的方式保證數(shù)據(jù)能從錯誤中恢復(fù)。(4)RAID3RAID3的工作原理和RAID2很類似，所不同的是，RAID3采用奇偶校驗，只能查錯不能糾錯。數(shù)據(jù)仍以位或字節(jié)為單位均勻的分布于各盤，奇偶校驗信息則單獨存儲在一臺專用盤上。如果一塊磁盤失效，奇偶盤及其他數(shù)據(jù)盤可以重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)。(5)RAID4也稱專用奇偶校驗獨立存取盤陣列。即數(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。RAID4和RAID3很類似，不同的是，它的條帶化的單位是數(shù)據(jù)塊，而RAID3是位或字節(jié)。(6)RAID5也稱塊交叉分布式奇偶校驗盤陣列，即數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，但無專用的校驗盤。它是把冗余的奇偶校驗信息均勻地分布在所有磁盤上，這是RAID5與RAID4最大的區(qū)別。這樣帶來的好處是，多個對磁盤的訪問可以并行執(zhí)行，能提高訪問速度。(7)RAID6RAID6是對RAID5的擴展。和RAID5一樣，數(shù)據(jù)以塊為單位，條帶化的分布于各盤，冗余的檢、糾錯信息均勻地分布在所有磁盤上。所不同的是，它的校驗信息包含兩種，除了對每個字節(jié)的奇偶校驗信息外，還有對每個塊的奇偶校驗信息。(8)RAID7是采用Cache和異步技術(shù)的RAID6，使響應(yīng)速度和傳輸速率有了較大提高。RAID7所有的I/O傳送均是同步進行的，可以分別控制，提高了系統(tǒng)的并行性；每個磁盤都帶有高速緩沖存儲器，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；可以對校驗區(qū)指定獨立的傳送信道以提高效率。需要注意的是它引入了一個高速緩沖存儲器，這有利有弊，因為一旦系統(tǒng)斷電，在高速緩沖存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)就會全部丟失，因此需要和UPS一起工作。5.3.4光盤存儲器光盤(opticaldisk)指的是利用光學方式進行讀寫信息的圓盤。計算機系統(tǒng)中所使用的光盤存儲器是從激光視頻唱片（又叫電視光盤）和數(shù)字音頻唱片（又叫激光唱片）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。把采用非磁性介質(zhì)進行光存儲的技術(shù)稱為第一代光存儲技術(shù)，其缺點是不能像磁記錄介質(zhì)那樣把內(nèi)容抹掉后重新寫入新的內(nèi)容。磁光存儲技術(shù)是在光存儲技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，稱為第二代光存儲技術(shù)，其主要特點是可擦寫。1.CD-ROM光盤CD-ROM即只讀型光盤，又稱固定型光盤。它由生產(chǎn)廠家預(yù)先寫入數(shù)據(jù)和程序，使用時用戶只能讀出，不能修改或?qū)懭胄聝?nèi)容。CD-ROM光盤上有一條從內(nèi)向外連續(xù)的螺旋形路徑，稱為光道。數(shù)據(jù)和程序都是以刻痕的形式保存在由凹痕和平坦表面相互交替而組成的光道上。當一束激光照射在盤面上，根據(jù)盤面上不同表面的不同反射率來讀出程序和數(shù)據(jù)。2.CD-R光盤CD-R光盤采用WORM（Write-Only-Read-More）標準，光盤可由用戶寫入信息，寫入后可以多次讀出；但只能寫入一次，所以稱為只寫一次型光盤。CD-R光盤的寫入是利用聚焦成1m左右的激光束的熱能，使記錄介質(zhì)表面的形狀發(fā)生永久性變化而完成的，所以之后不能抹除和改寫。3.CD-RW光盤這種光盤是可以寫入、擦除和重寫的可逆性記錄系統(tǒng)。這種光盤類似于磁盤，可重復(fù)讀寫。CD-RW光盤是利用激光照射引起記錄介質(zhì)的可逆性物理變化來進行讀寫的，光盤上有一個能夠變換相位的可刻錄層，所以CD-RW光盤又稱為相變光盤。4.DVD-ROM光盤DVD代表通用數(shù)字光盤，簡稱高容量CD。事實上，任何DVD-ROM光驅(qū)都是CD-ROM光驅(qū)，即這類光驅(qū)既能讀取CD光盤，也能讀取DVD光盤。DVD除了密度較高以外，其他技術(shù)與CD-ROM完全相同。5.3.5磁帶存儲器1、磁帶的分類2、磁帶的記錄格式1/4英寸盒式數(shù)據(jù)流磁帶是一種通用的標準磁帶。它的記錄格式如圖5.25所示。其中9道磁帶記錄格式包括前同步、數(shù)據(jù)塊標志(1B)、用戶數(shù)據(jù)(512B)、地址號(4B)、CRC校驗碼(2B)和后同步。5.4Cache5.4.1Cache的工作原理假設(shè)主存的地址碼為n位，則其共有2n個單元，將主存分塊（block），每塊有K個字，則一共可以分成M=2n/K塊。Cache由C個同樣大小的塊組成，由于其容量小，所以塊的數(shù)目C很小（C<<M），也就是說，在某個時刻，主存中只有一小部分塊的內(nèi)容可存放在Cache中。5.4.2地址映射1、直接映射2、全相聯(lián)映射3、組相聯(lián)映射例如，設(shè)R=3，k＝1，考慮主存字塊15可映射到Cache的哪一個字塊中。根據(jù)公式，可得：

＝(15mod21)×23+p

＝14+p

又：0≤p≤2k-1＝21-1＝1

即：p＝0或1代入后得j＝14（p＝0）或15（p＝1）。所以主存模塊15可映射到Cache字塊14或15，在第7組。同樣可計算出主存字塊17可映射到Cache的第0塊或第1塊，在第0組。5.4.3替換策略1．先進先出(FIFO)策略FIFO（FirstInFirstOut）策略總是把一組中最先調(diào)入Cache存儲器的字塊替換出去，它不需要隨時記錄各個字塊的使用情況，所以實現(xiàn)容易，開銷小。2．近期最少使用(LRU)策略LRU(LeastRecentlyUsed)策略是把一組中近期最少使用的字塊替換出去，這種替換策略需隨時記錄Cache存儲器中各個字塊的使用情況，以便確定哪個字塊是近期最少使用的字塊。LRU替換策略的平均命中率比FIFO要高，并且當分組容量加大時，能提高該替換策略的命中率。5.4.4Cache寫策略1、寫回法當CPU對Cache寫命中時，只修改Cache的內(nèi)容不立即寫入主存，只當此行被換出時才寫回主存。2、全寫法當寫Cache命中時，Cache與主存同時發(fā)生寫修改，當寫Cache未命中時，直接向主存進行寫入。3、寫一次法基于寫回法并結(jié)合全寫法的寫策略。寫命中與寫未命中的處理方法與寫回法基本相同，只是第一次寫命中時要同時寫入主存。這便于維護系統(tǒng)全部Cache的一致性。5.4.5Cache的性能分析在一個程序執(zhí)行期間，設(shè)Nc表示Cache完成存取的總次數(shù)，Nm表示主存完成存取的總次數(shù)，h定義為命中率，則有h=Nc/(Nc+Nm)增加Cache的目的，就是在性能上使主存的平均讀出時間盡可能接近Cache的讀出時間。因此，應(yīng)使Cache的命中率盡量接近1。由于程序訪問的局部性，這是可能的。若tc表示命中時的Cache訪問時間，tm表示未命中時的主存訪問時間，1-h表示未命中率，則Cache/主存系統(tǒng)的平均訪問時間ta為：ta=h*tc+(1-h)*tm

設(shè)r=tm/tc表示主存慢于Cache的倍率，e表示訪問效率，則有:e=tc/ta=tc/(htc+(1-h)tm)=1/(r+(1-r)h)5.4.6改進Cache性能的措施(1)強制性失效（Compulsorymiss）當?shù)谝淮卧L問一個塊時，該塊不在Cache中，需從下一級存儲器中調(diào)入Cache，這就是強制性失效。也稱為冷啟動失效或首次訪問失效。(2)容量失效（Capacitymiss）如果程序執(zhí)行時所需的塊不能全部調(diào)入Cache中，則當某些塊被替換后，若又重新被訪問，就會發(fā)生失效。這種失效稱為容量失效。(3)沖突失效（Conflictmiss）在組相聯(lián)或直接映射Cache中，若太多的塊映射到同一組（塊）中，則會出現(xiàn)該組中某個塊被替換（即使別的組或塊有空閑位置），然后又被重新訪問的情況。這就是發(fā)生了沖突失效。這種失效也稱為碰撞失效或干擾失效。對于容量失效，除了增大Cache以外，沒有別的辦法。但這要受到價格和體積的限制。由沖突引起的失效，只要采用全相聯(lián)，就不會發(fā)生沖突失效。但是，用硬件實現(xiàn)全相聯(lián)是很昂貴的。所以實際中多是采用組相聯(lián)的這種折衷方案。另外，合理的設(shè)置Cache的塊大小，也是至關(guān)重要的。其它措施：多級Cache采用分立Cache技術(shù)，因為取指令和取數(shù)據(jù)分別在不同的Cache中同時進行，因而不會產(chǎn)生沖突，有利于流水線的實現(xiàn)。設(shè)某機主存容量為4MB，Cache容量為16KB，每塊包含8個字，每字32位，設(shè)計一個4路組相聯(lián)映射（即Cache每組內(nèi)共有4個塊）的Cache組織，要求：(1)畫出主存地址字段中各段的位數(shù)。(2)設(shè)Cache的初態(tài)為空，CPU依次從主存第0，1，2…99號單元讀出