計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語言程序設(shè)計(jì)第6章課件

計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語言程序設(shè)計(jì)（第2版）徐潔俸遠(yuǎn)楨主編第6章2/6/20231第3篇存儲(chǔ)系統(tǒng)與 輸入/輸出系統(tǒng)硬件組成角度： 了解存儲(chǔ)器及各種I/O設(shè)備的組成原理，以及連接整機(jī)的方法。控制I/O傳送的角度： 3種控制方式，以及控制方式對接口和I/O程序的影響。軟件組成角度： 3個(gè)層次：用戶程序?qū)/O設(shè)備的調(diào)用，OS中的驅(qū)動(dòng)程序，I/O設(shè)備控制器中的控制程序。2/6/20232第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)本章主要內(nèi)容：存儲(chǔ)器的分類、技術(shù)指標(biāo)各類存儲(chǔ)原理主存儲(chǔ)器的組織高速緩沖存儲(chǔ)器外部存儲(chǔ)器物理存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織2/6/202332.按存取方式分類隨機(jī)存?。嚎砂吹刂穼θ我淮鎯?chǔ)單元進(jìn)行讀寫，（1）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）訪問時(shí)間與單元地址無關(guān)。（2）只讀存儲(chǔ)器（ROM）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的特例，只能讀不能寫。（3）順序存取存儲(chǔ)器（SAM）訪問時(shí)，讀/寫部件按順序查找目標(biāo)地址，訪問時(shí)間與數(shù)據(jù)位置有關(guān)。（4）直接存取存儲(chǔ)器（DAM）訪問時(shí),讀/寫部件先直接指向一個(gè)小區(qū)域，再在該區(qū)域內(nèi)順序查找。訪問時(shí)間與數(shù)據(jù)位置有關(guān)。2/6/202353.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類（1）磁芯存儲(chǔ)器利用不同的剩磁狀態(tài)存儲(chǔ)信息，容量小、速度慢、體積大、可靠性低。已淘汰（2）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器MOS型雙極型集成度高、功耗低，作主存集成度低、功耗大，速度快，作Cache容量大，長期保存信息，利用磁層上不同方向的磁化區(qū)域表示信息。非破壞性讀出，作外存。（3）磁表面存儲(chǔ)器速度慢。2/6/20236（4）光盤存儲(chǔ)器速度慢。激光控制，利用光斑的有無表示信息。容量很大，非破壞性讀出，長期保存信息，作外存。4.按信息的可保存性分類斷電后信息消失易失性（揮發(fā)性）存儲(chǔ)器斷電后信息仍然保存永久性存儲(chǔ)器6.1.2主存的主要技術(shù)指標(biāo)1.存儲(chǔ)容量主存所能容納的二進(jìn)制信息總量。2/6/20237第2節(jié)存儲(chǔ)原理6.2.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理MOS型電路結(jié)構(gòu)PMOSNMOSCMOS工作方式靜態(tài)MOS動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)信息原理靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM依靠雙穩(wěn)態(tài)電路內(nèi)部交叉反饋的機(jī)制存儲(chǔ)信息。功耗較小,容量大,速度較快,作主存。功耗較大,速度快,作Cache。制造工藝雙極型依靠電容存儲(chǔ)電荷的原理存儲(chǔ)信息。2/6/202391.半導(dǎo)體靜態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理（1）組成T1、T3：MOS反相器Vcc觸發(fā)器T3T1T4T2T2、T4：MOS反相器T5T6T5、T6：控制門管ZZ：字線，選擇存儲(chǔ)單元WW（2）定義存“0”：T1導(dǎo)通，T2截止；存“1”：T1截止，T2導(dǎo)通。W、W：位線，完成讀/寫操作AB2/6/202310（3）工作T5、T6導(dǎo)通，選中該單元。Z：加高電平，（4）保持VccWT3T1T4T2T5T6ZW讀出：根據(jù)W、W上有無電流，讀1/0。Z加低電平，T5、T6截止，位線與雙穩(wěn)態(tài)電路分離，保持原有狀態(tài)不變。寫入：W低、W高電平，寫0W高、W低電平，寫1靜態(tài)單元是非破壞性讀出，讀后不需重寫。2/6/202311（d）保持寫入：在W、W上分別加高、低電平，寫1/0。讀出：W、W先預(yù)充電至高電平，斷開充電回路，再根據(jù)W、W上有無電流，讀1/0。Z加低電平，T3、T4截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。需定期向電容補(bǔ)充電荷(動(dòng)態(tài)刷新)，所以稱動(dòng)態(tài)。四管單元是非破壞性讀出，讀出過程即實(shí)現(xiàn)刷新。T1T2T3T4ZWWC1C22/6/202313（2）單管單元組成C：記憶單元CWZTT：控制門管Z：字線W：位線定義保持寫入：Z加高電平，T導(dǎo)通，在W上加高/低電平，寫1/0。讀出：W先預(yù)充電，斷開充電回路；Z：加低電平，T截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。單管單元是破壞性讀出，讀出后需重寫?！?”：C無電荷，電平V0（低）“1”：C有電荷，電平V1（高）工作Z加高電平，T導(dǎo)通；根據(jù)W線電位的變化，讀1/0。2/6/2023146.2.2磁表面存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理1.記錄介質(zhì)與磁頭介質(zhì)：磁層（矩磁薄膜），依附在基體上磁頭：讀寫部件2.讀寫原理（1）寫入磁頭線圈中加入磁化電流（寫電流），并使磁層移動(dòng)，在磁層上形成連續(xù)的小段磁化區(qū)域（位單元）。（2）讀出磁頭線圈中不加電流，磁層移動(dòng)。當(dāng)位單元的轉(zhuǎn)變區(qū)經(jīng)過磁頭下方時(shí)，在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢。2/6/202315（3）不歸零-1制（NRZ1）寫1時(shí)電流極性變，寫0時(shí)電流極性不變。001101I0t轉(zhuǎn)變區(qū)少，無自同步能力。用于早期低速磁帶機(jī)。（4）調(diào)相制（PM）I0t001101轉(zhuǎn)變區(qū)多，有自同步能力。I0t001101轉(zhuǎn)變區(qū)多，有自同步能力。用于早期磁盤。用于快速啟停磁帶機(jī)。（5）調(diào)頻制（FM）也叫相位編碼制PE每個(gè)單元都有極性轉(zhuǎn)變2/6/202317寫1時(shí)位單元中間電流變，相鄰的0交界處電流變。轉(zhuǎn)變區(qū)少，有自同步能力。用于磁盤。（6）改進(jìn)型調(diào)頻制（MFM）I0t001101可壓縮位單元長度：I0t001101（7）群碼制（GCR）記錄碼中連續(xù)的0不超過2個(gè)；按NRZ1方式寫入。轉(zhuǎn)變區(qū)少，有自同步能力。用于數(shù)據(jù)流磁帶機(jī)。2/6/2023186.2.3光存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理1.形變型光盤（1）定義有孔為1，無孔為0（2）寫入寫1，高功率激光照射介質(zhì)，形成凹坑；寫0，不發(fā)射激光束，介質(zhì)不變。（3）讀出低功率激光掃描光道，根據(jù)反射光強(qiáng)弱判斷是1或0。形變不可逆，不可改寫2.相變型光盤寫入寫1，高功率激光照射介質(zhì)，晶粒直徑變大；寫0，不發(fā)射激光束，晶粒不變。讀出低功率激光掃描光道，根據(jù)反射率的差別判斷是1或0。相變可逆，可改寫2/6/202319例：某半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，總?cè)萘?KB。其中固化區(qū)2KB，選用EPROM芯片2716（2Kx8/片）；工作區(qū)2KB，選用SRAM芯片2114（1Kx4/片）。地址總線A15～A0（低），雙向數(shù)據(jù)總線D7～D0。給出地址分配和片選邏輯，并畫出邏輯框圖。（1）計(jì)算芯片數(shù)ROM區(qū)：2Kx81片2716

RAM區(qū)：位擴(kuò)展2片1Kx4

1Kx8

2組1Kx8

2KB

4片2114字?jǐn)U展（2）地址分配與片選邏輯存儲(chǔ)器尋址邏輯芯片內(nèi)的尋址芯片外的地址分配與片選邏輯1.存儲(chǔ)器邏輯設(shè)計(jì)2/6/202321大容量芯片在地址低端,小容量芯片在地址高端。存儲(chǔ)空間分配：A15A14A13A12A11A10A9…A0000……0101……1100……04KB需12位地址尋址：ROMA11～A064KB2KB1Kx4RAM1Kx41Kx41Kx4111……1110……0011……1低位地址分配給芯片，高位地址形成片選邏輯。芯片芯片地址片選信號(hào)片選邏輯2K1K1KA10～A0A9～A0A9～A0CS0CS1CS2A11A11A10A11A102/6/202322（3）連接方式擴(kuò)展位數(shù)27164A10~A0D7~D4D3~D044R/WA11A10CS0A11A11A10擴(kuò)展單元數(shù)連接控制線CS1CS22114211444A9~A02114211444A9~A04形成片選邏輯電路2/6/202323（2）分散刷新各刷新周期分散安排在存取周期中。R/W刷新R/W刷新100ns用在低速系統(tǒng)中2ms例.各刷新周期分散安排在2ms內(nèi)。用在大多數(shù)計(jì)算機(jī)中128行≈15.6微秒每隔15.6微秒提一次刷新請求，刷新一行；2毫秒內(nèi)刷新完所有行。R/W刷新R/W刷新R/WR/WR/W15.6微秒15.6微秒15.6微秒刷新請求（DMA請求）（3）異步刷新刷新請求（DMA請求）2/6/2023256.3.2主存儲(chǔ)器與CPU的連接（2）較大系統(tǒng)模式CPU存儲(chǔ)器地址數(shù)據(jù)R/W（1）最小系統(tǒng)模式CPU存儲(chǔ)器地址地址鎖存器收發(fā)緩沖器總線控制器數(shù)據(jù)控制1.系統(tǒng)模式（3）專用存儲(chǔ)總線模式2.速度匹配與時(shí)序控制總線周期時(shí)鐘周期異步控制同步控制擴(kuò)展同步控制CPU與主存間建立專用高速存儲(chǔ)總線CPU內(nèi)部操作訪存操作2/6/2023263.數(shù)據(jù)通路匹配解決主存與數(shù)據(jù)總線之間的寬度匹配8086存儲(chǔ)器匹配方式如下：D7~D0奇地址（高字節(jié)）存儲(chǔ)體512K8A18~A0D15~D8D7~D0A0A19~A1D7~D0偶地址（低字節(jié)）存儲(chǔ)體512K8A18~A04.主存的控制信號(hào)讀寫命令、存儲(chǔ)器選擇命令等2/6/2023272.讀寫時(shí)序（1）非流水線周期基本存儲(chǔ)周期包括2個(gè)時(shí)鐘周期非流水線的讀周期時(shí)序2/6/202329（2）插入等待狀態(tài)周期在T2之后插入等待狀態(tài)，直到有效插入4個(gè)等待狀態(tài)的讀周期時(shí)序2/6/202330（3）猝發(fā)周期在一個(gè)猝發(fā)周期的5個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，可以傳送4個(gè)64位的數(shù)據(jù)。2/6/2023316.3.4高級(jí)DRAM1.增強(qiáng)型DRAM改進(jìn)CMOS制造工藝，集成小容量SRAMCache2.帶Cache的DRAM集成SRAM存儲(chǔ)矩陣3.同步DRAM(SDRAM)兩個(gè)交互工作的存儲(chǔ)陣列與CPU同步工作4.DDRSDRAM更先進(jìn)的同步電路，DLL技術(shù)5.RambusDRAM主要解決存儲(chǔ)器帶寬問題6.RamLink主要對處理器與存儲(chǔ)器的接口進(jìn)行改革2/6/202332第4節(jié)高速緩沖存儲(chǔ)器Cache6.4.1Cache的工作原理原理：基于程序和數(shù)據(jù)訪問的局部性目的：減少訪存次數(shù)，加快運(yùn)行速度方法：在CPU和主存之間設(shè)置小容量的高速存儲(chǔ)器。Cache與CPU及主存的關(guān)系2/6/2023336.4.2Cache的組織1.地址映像（1）直接映像主存的頁只能復(fù)制到某一固定的Cache頁。容易實(shí)現(xiàn)，但缺乏靈活性Cache與主存空間劃分成相同大小的頁（塊）2/6/202334（2）全相連映像主存的每一頁可映像到Cache的任一頁。映像關(guān)系靈活，但速度慢。2/6/202335（3）組相連映像主存與Cache都分組比直接映像靈活，比全相聯(lián)映像速度快。主存頁與Cache組號(hào)固定映像Cache組內(nèi)自由映像2/6/2023362.替換算法（1）先進(jìn)先出算法FIFO（2）最近最少使用算法LRU按頁面調(diào)入Cache的先后順序決定調(diào)出順序近期使用最少的頁面先調(diào)出3.Cache的讀/寫過程讀將主存地址同時(shí)送往主存和CacheCache命中Cache失敗從主存讀寫寫回法寫直達(dá)法同時(shí)寫Cache和主存將數(shù)據(jù)送訪存源Cache頁被替換時(shí)，才寫入主存2/6/2023374.多層次Cache存儲(chǔ)器片內(nèi)Cache（L1）片外Cache（L2）集成在CPU芯片內(nèi)統(tǒng)一Cache安裝在主板上分離Cache指令和數(shù)據(jù)在同一個(gè)Cache中,在取指令和取數(shù)的負(fù)載之間自動(dòng)平衡。指令和數(shù)據(jù)分別在不同的Cache中，避免了Cache在指令預(yù)取器和執(zhí)行單元之間的競爭。L16.4.3PentiumIICPU的Cache組織L1(32K)分離CacheL2（512KB）16K數(shù)據(jù)+16K指令四路組相聯(lián)2/6/202338雙重獨(dú)立總線為解決數(shù)據(jù)Cache的一致性，支持MESI協(xié)議CPU到L2CPU到主存第5節(jié)外部存儲(chǔ)器主要技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)密度單位長度內(nèi)存儲(chǔ)的二進(jìn)制位數(shù)存儲(chǔ)容量：一臺(tái)外部存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量主要特點(diǎn)：大容量、永久存儲(chǔ)位密度面密度單位面積內(nèi)存儲(chǔ)的二進(jìn)制位數(shù)作用：存訪暫不運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)2/6/202339速度指標(biāo)平均尋址時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸率平均尋道時(shí)間平均旋轉(zhuǎn)延遲Kb/s、KB/s誤碼率：讀出時(shí)出錯(cuò)的概率6.5.1硬磁盤存儲(chǔ)器1.硬盤的基本結(jié)構(gòu)與分類適用于調(diào)用較頻繁的場合，常作主存的直接后援。硬盤硬盤驅(qū)動(dòng)器硬盤適配器硬盤控制邏輯及接口盤片、磁頭定位系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)組成2/6/202340按盤片是否可換分類可換盤片式固定盤片式按盤片尺寸分類14、8英寸5.25、3.5、2.5英寸1.8、1.3英寸2.信息分布盤組：多個(gè)盤片，雙面記錄。各記錄面上相同序號(hào)的磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱面。圓柱面：扇區(qū)（定長記錄格式）數(shù)據(jù)塊記錄塊（不定長記錄格式）無扇區(qū)化分磁道：盤片旋轉(zhuǎn)一周，磁化區(qū)構(gòu)成的閉合圓環(huán)2/6/202341存儲(chǔ)密度道密度位密度單位長度內(nèi)的磁道數(shù)磁道上單位長度內(nèi)的二進(jìn)制位數(shù)各道容量相同,各道位密度不同,內(nèi)圈位密度最高。非格式化容量=內(nèi)圈位密度×內(nèi)圈周長×道數(shù)/面×面數(shù)格式化容量=扇區(qū)容量×扇區(qū)數(shù)/道×道數(shù)/面×面數(shù)3.磁頭定位系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)磁頭尋道并精確定位（1）步進(jìn)電機(jī)定位機(jī)構(gòu)（2）音圈電機(jī)定位機(jī)構(gòu)用于小容量硬盤用于較大容量硬盤2/6/2023424.尋址過程與數(shù)據(jù)存取驅(qū)動(dòng)器號(hào)、圓柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)（記錄號(hào)）、交換量。尋址信息尋址操作定位（尋道）：磁頭徑向移動(dòng)尋找起始扇區(qū)：盤片旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳輸率外部傳輸率內(nèi)部傳輸率5.硬盤控制邏輯硬盤適配器和硬盤驅(qū)動(dòng)器的功能如何劃分？（1）按ST506/412標(biāo)準(zhǔn)劃分（2）按IDE標(biāo)準(zhǔn)劃分（3）按SCSI標(biāo)準(zhǔn)劃分2/6/2023436.硬盤的軟件管理層次與調(diào)用方法軟件層次：編程界面INT13HINT21H磁盤扇區(qū)讀/寫、檢查磁盤文件操作硬盤控制功能劃分2/6/2023446.5.2軟磁盤存儲(chǔ)器軟盤存儲(chǔ)器軟盤驅(qū)動(dòng)器1.組成軟盤片獨(dú)立裝置軟盤控制器主機(jī)與軟盤驅(qū)動(dòng)器之間的 數(shù)據(jù)交換及控制2.信息分布與尋址信息單片，雙面記錄。磁道上長度相同的區(qū)段，容量1.2MB的軟盤，每面80道。盤片：扇區(qū)：磁道：存放數(shù)據(jù)塊尋址信息：臺(tái)號(hào)、磁頭號(hào)、磁道號(hào)、扇區(qū)號(hào)、交換量驅(qū)動(dòng)器號(hào)記錄面號(hào)扇區(qū)數(shù)可拆2/6/2023453.磁道記錄格式例：定長記錄格式磁道時(shí)間磁道索引脈沖間隔扇區(qū)1扇區(qū)2扇區(qū)n間隔扇區(qū)i標(biāo)志區(qū)：標(biāo)志信息、標(biāo)志區(qū)校驗(yàn)碼CRC數(shù)據(jù)區(qū)：地址標(biāo)志、數(shù)據(jù)字段、數(shù)據(jù)區(qū)CRC4.機(jī)械結(jié)構(gòu)（1）主軸驅(qū)動(dòng)裝置（2）磁頭定位裝置（3）加載機(jī)構(gòu)直流電機(jī)帶動(dòng)盤片旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)、開環(huán)控制使磁頭位于與盤片接觸的讀/寫位置微型機(jī)中廣泛使用IBM34系列磁道格式2/6/2023466.5.3光盤存儲(chǔ)器1.光盤存儲(chǔ)器的種類（1）只讀型光盤（CD-ROM）固定型光盤（2）只寫一次型光盤（WORM）CD-R為主（3）可擦寫型光盤磁光盤（MO）相變光盤（PCD）熱-磁效應(yīng)熱-光效應(yīng)2.光盤盤片結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)3層結(jié)構(gòu)：基片、反射層、存儲(chǔ)介質(zhì)層，保護(hù)層3.光盤存儲(chǔ)器的組成盤片、驅(qū)動(dòng)器和控制器如：CD-RW兩張基片粘接，記錄面朝里2/6/2023476.5.4磁帶存儲(chǔ)器容量大、速度慢、價(jià)格低，適用于脫機(jī)保存信息。1.快速啟停式磁帶機(jī)多道并行讀寫方式文件之間用間隔隔開，數(shù)據(jù)塊間有間隔，允許在兩個(gè)數(shù)據(jù)塊間快速啟停。構(gòu)成：走帶機(jī)構(gòu)、磁帶緩沖結(jié)構(gòu)、帶盤驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、磁頭2.數(shù)據(jù)流式磁帶機(jī)多道，各道采用正反向單道串行記錄方式數(shù)據(jù)塊的間隔很短，工作時(shí)不在間隔段啟停2/6/2023483.磁帶的記錄格式?英寸標(biāo)準(zhǔn)磁帶的記錄格式?英寸開盤式?英寸盒式多用于微型機(jī)、小型機(jī)按文件存儲(chǔ)，文件內(nèi)分?jǐn)?shù)據(jù)塊按數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)2/6/202349第6節(jié)物理存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織6.6.1存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)CPUCache主存外存主存-Cache層次CPUCache主存命中不命中Cache主存-輔存層次為虛擬存儲(chǔ)提供條件CPU主存外存增大容量通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)提高速度通過硬件實(shí)現(xiàn)2/6/2023506.6.2磁盤冗余陣列（RAID）多臺(tái)磁盤存儲(chǔ)器組成大容量外存子系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)：數(shù)據(jù)分塊技術(shù)RAID0級(jí)：無冗余無校驗(yàn)RAID1級(jí)：鏡像磁盤陣列高效、安全性低安全性高、利用率低RAID2級(jí)：數(shù)據(jù)按位交叉，海明糾錯(cuò)RAID3級(jí)：數(shù)據(jù)按位交叉、奇偶校驗(yàn)RAID5級(jí)：類似RAID4，RAID6級(jí)：分塊、雙磁盤容錯(cuò)RAID4級(jí)：數(shù)據(jù)按扇區(qū)交叉、奇偶校驗(yàn)校驗(yàn)盤多1個(gè)冗余盤無專用校驗(yàn)盤寫磁盤時(shí)效率低RAID7級(jí)：獨(dú)立接口RAID10級(jí)：RAID0級(jí)+RAID0級(jí)2/6/2023516.6.3并行存儲(chǔ)技術(shù)1.單體多字并行主存系統(tǒng)按統(tǒng)一地址碼并行地訪問多個(gè)并行工作的存儲(chǔ)器