計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲器體系結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲器體系結(jié)構(gòu)【摘要】：存儲器是信息存放的載體，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。有了存儲器計(jì)算機(jī)才有記憶的功能，才能把要計(jì)算和處理的數(shù)據(jù)以及程序存入計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)能夠脫離人的直接干預(yù)，自動工作。顯然，存儲器的容量越大，存放的信息就越多，計(jì)算機(jī)體系的功能也就越強(qiáng)。在計(jì)算機(jī)中，大量的操作是CPU與存儲器交換信息。但是，存儲器的工作速度相對于CPU總是要低1至2個(gè)數(shù)量級。因此，存儲器的工作速度又是影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度的主要因素。為了使容量，速度與成本適當(dāng)折衷，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是采用多級存儲體系結(jié)構(gòu)：主存儲器（內(nèi)存儲器），輔助）（外）存儲器以及網(wǎng)絡(luò)存儲器。

【關(guān)鍵詞】：內(nèi)存（memory）,MPU(寄存器Register)，外存設(shè)備，RAM，ROM,Cache存儲器。

【正文】隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，存儲器無論是其器件還是體系結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大的變化。存儲器是計(jì)算機(jī)的主要部件之一，其容量，速度，價(jià)格是存儲器設(shè)計(jì)時(shí)所要考慮的三個(gè)要素現(xiàn)在有的速度快，但容量?。挥械娜萘看?，但速度慢。一般而言，速度快的存儲器容量小，位價(jià)格高。存儲器一般分為內(nèi)存（memory）,MPU(寄存器Register),外存設(shè)備。

所謂存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，就是把各種不同存儲容量、存取速度和價(jià)格的存儲器按層次結(jié)構(gòu)組成多層存儲器，并通過管理軟件和輔助硬件有機(jī)組合成統(tǒng)一的整體，使所存放的程序和數(shù)據(jù)按層次分布在各種存儲器中。目前，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常采用三級層次結(jié)構(gòu)來構(gòu)成存儲系統(tǒng)，主要由高速緩沖存儲器Cache、主存儲器和輔助存儲器組成，在存儲系統(tǒng)多級層次結(jié)構(gòu)中，由上向下分三級，其容量逐漸增大，速度逐級降低，成本則逐次減少。整個(gè)結(jié)構(gòu)又可以看成兩個(gè)層次：它們分別是主存一輔存層次和cache一主存層次。這個(gè)層次系統(tǒng)中的每一種存儲器都不再是孤立的存儲器，而是一個(gè)有機(jī)的整體。它們在輔助硬件和計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的管理下，可把主存一輔存層次作為一個(gè)存儲整體，形成的可尋址存儲空間比主存儲器空間大得多。由于輔存容量大，價(jià)格低，使得存儲系統(tǒng)的整體平均價(jià)格降低。由于Cache的存取速度可以和CPU的工作速度相媲美，故cache一主存層次可以縮小主存和cPu之間的速度差距，從整體上提高存儲器系統(tǒng)的存取速度。盡管Cache成本高，但由于容量較小，故不會使存儲系統(tǒng)的整體價(jià)格增加很多。

綜上所述，一個(gè)較大的存儲系統(tǒng)是由各種不同類型的存儲設(shè)備構(gòu)成，是一個(gè)具有多級層次結(jié)構(gòu)的存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)既有與CPU相近的速度，又有極大的容量，而成本又是較低的。其中高速緩存解決了存儲系統(tǒng)的速度問題，輔助存儲器則解決了存儲系統(tǒng)的容量問題。采用多級層次結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)可以有效的解決存儲器的速度、容量和價(jià)格之間的矛盾。

寄存器（Register）存在于CPU中，直接服務(wù)于運(yùn)算器和控制器，是CPU工作的直接對象，是工作最繁忙的存儲器。寄存器的數(shù)據(jù)存儲也是以字節(jié)為單位，但根據(jù)CPU的字長及工作需要，也可以操作某個(gè)位或多個(gè)字節(jié)。寄存器和運(yùn)算器，控制器等集成在一起，通過CPU內(nèi)部總線連接在一起，它們同步工作，寄存器是工作速度最快的存儲器。

內(nèi)存Memory和CPU之間通過系統(tǒng)總線直接連接在一起，由CPU直接控制內(nèi)存的讀寫操作。內(nèi)存的基本存儲方式是存儲單元(Memory

Unit)一個(gè)字節(jié)Byte長度，8個(gè)二進(jìn)制位Bit。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有內(nèi)存構(gòu)成一個(gè)完整的連續(xù)的存儲空間，物理地址從0開始連續(xù)編址。CPU在訪問內(nèi)存空間中的存儲單元時(shí)可以隨機(jī)訪問，只需指定其物理地址即可。CPU在讀寫內(nèi)存時(shí)總是以1/2/4個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行，在此基礎(chǔ)上可通過寄存器獲取其中某個(gè)二進(jìn)制位的數(shù)據(jù)/狀態(tài)。單個(gè)字節(jié)Byte的數(shù)據(jù)由8位數(shù)據(jù)構(gòu)成，D7~D0（最高位~最低位）。兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)合在一起稱為字Word,由D15~D0（最高位~最低位）共16位數(shù)據(jù)構(gòu)成。四個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)合在一起稱為雙字DWord，由D31~D0（最高位~最低位）共32位數(shù)據(jù)構(gòu)成。從低字節(jié)到最高字節(jié)依次存放在模4地址開始的四個(gè)存儲單元中，用低字節(jié)的地址訪問整個(gè)雙字的所有4字節(jié)數(shù)據(jù)。，存儲器有可靠性（MTBF），工作電壓和功率消耗低。

內(nèi)存的分類：RAM

———Random

Access

Memory隨機(jī)訪問存儲器———計(jì)算機(jī)的主要場所。主要特點(diǎn)：可讀寫，臨時(shí)性，易失性，容量大，低電壓，速度快，低功耗。主要類型：SRAM(靜態(tài))和DRAM（動態(tài)）。SRAM：速度快，容量限制，構(gòu)成復(fù)雜，功耗大，成本高——用作Cache。DRAM：速度慢，容量大，構(gòu)成復(fù)雜，功耗大，成本低——用作主存。ROM———Read

Only

Memory只讀存儲器——計(jì)算機(jī)不可缺少的輔助內(nèi)存。只讀，永久性，非易失性，容量小，速度慢，功耗大，使用不便。主要類型：掩模式ROM,PROM,EPROM,E2PROM,Flash

ROM——數(shù)據(jù)的擦除和寫入方式不同。只讀存儲器(ROM)是一種工作時(shí)只能讀出，不能寫入信息的存儲器。在使用ROM時(shí)，其內(nèi)部信息是不能被改變的，故一般只能存放固定程序，如監(jiān)控程序、BIOS程序等。只讀存儲器(ROM)的特點(diǎn)是非易失性，即它所存儲的信息一經(jīng)寫入，就可以長久保存，不受電源斷電的影響，即使掉電后存儲信息仍不會改變，十分可靠。按存儲單元的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的不同，只讀存儲器ROM又可分為：掩膜只讀存儲器(ROM)、可編程只讀存儲器(PROM)、光可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(E2PROM)

外存和外設(shè)：外存通過外存接口連接到系統(tǒng)總線，在CPU的控制下完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。不同的外存工作原理不同，具體的數(shù)據(jù)讀寫過程和方式也不相同，但外存屬于塊存儲器，一般采用特定方式通過總線與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。各種外設(shè)【I/O設(shè)備】也可以看作是特定的外存。反之，各種外設(shè)也屬于I/O設(shè)備。內(nèi)存是動態(tài)存儲器，不能永久大量數(shù)據(jù)，必須通過外存實(shí)現(xiàn)更大容量數(shù)據(jù)的永久性保存。

Cache存儲器：多級Cache技術(shù)——L1Cache，L2Cache,L3Cache。衡量Cache工作效率的主要指標(biāo)---命中率---控制策略，數(shù)據(jù)查找模式等。為了提高Cache的效率，當(dāng)前在L1Cach中普遍實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)（D-Cache）和（L-Cache）分開緩存的技術(shù)，L2和L3大多還是數(shù)據(jù)和指令混合緩存。大幅度提高Cache的容量也能明顯改善系統(tǒng)效率。有些外設(shè)設(shè)備也采用了Cache技術(shù)，用來提高和內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)的效率，如硬盤等。Intel從1985年為80386CPU提供Cache支持，如今在至強(qiáng)系列XEON

CPU中Cache技術(shù)發(fā)揮到極致。

文中主要介紹了存儲器體系結(jié)構(gòu)，它是計(jì)算機(jī)的存儲器件，它可以與CPU連接交換數(shù)據(jù)，也可以用來保存數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)每執(zhí)行完一條指令，至少都要訪問一次存儲器。還有它的分類、層次結(jié)構(gòu)、隨機(jī)存儲器RAM和只讀存儲器ROM的基本知識結(jié)構(gòu)、工作原理等內(nèi)容，還要從應(yīng)用的角度介紹存儲器容量的形成與CPU的連接，還有輔助存儲器及一些新的的技術(shù)。輔助存儲器用來存放當(dāng)前暫時(shí)不用的程序或數(shù)據(jù)，需要時(shí)再成批地調(diào)入主存。它屬于外部設(shè)備，因此，又稱其為外存儲器。常用的輔助存儲器有軟盤、硬盤和光盤存儲器等。

1．軟盤存儲器及其接口

軟盤存儲器是在聚脂薄膜圓形基片上涂一層磁性材料而形成。以體積小、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、攜帶方便和對環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。按軟盤驅(qū)動器的性能可分為單面盤和雙面盤。

(1)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

磁道：磁盤上的記錄面分成許多以盤片中心為圓心的同心圓，每個(gè)圓稱為一個(gè)磁道

(Track)。

道密度：沿磁盤徑向單位長度上的磁道數(shù)稱為“道密度”。常用每英寸上的磁道數(shù)來表示。

位密度：磁道上數(shù)據(jù)的記錄密度稱為“位密度”。常用每英寸長度上所記錄的的位單元數(shù)來表示。

扇區(qū)：磁道再劃分成許多小的存儲區(qū)，每個(gè)存儲區(qū)稱為扇區(qū)(sector)。

(2)軟盤驅(qū)動器(FDD)

軟盤驅(qū)動器主要完成對磁盤的讀寫工作，由軟盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)和讀寫控制電路組成。

軟盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)可分為：盤片定位機(jī)構(gòu)；軟盤驅(qū)動裝置；控制磁頭尋道定位部件；狀態(tài)檢測部件。

讀寫控制電路可分為：讀出放大電路；寫電路；抹電路。

(3)軟盤控制器

軟盤控制器的功能是解釋來自主機(jī)的命令并向軟盤驅(qū)動器發(fā)出各種控制信號，同時(shí)還要檢測驅(qū)動器的狀態(tài)，按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式向驅(qū)動器讀寫數(shù)據(jù)等。具體操作如下：

尋道操作：將磁頭定位在目標(biāo)磁道上。尋道前，主機(jī)將目標(biāo)道號送往磁盤控制器暫存，目標(biāo)道號與磁頭所在道號進(jìn)行比較，決定磁頭運(yùn)動的道數(shù)和方向。

地址檢測：主機(jī)將目標(biāo)地址送往軟盤控制器，控制器從驅(qū)動器上按記錄格式讀取地址信息并與目標(biāo)地址進(jìn)行比較，找到讀寫信息的磁盤地址。

讀數(shù)據(jù)：首先檢測數(shù)據(jù)標(biāo)志是否正確，然后將數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容送入內(nèi)存，最后進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

寫數(shù)據(jù)：寫數(shù)據(jù)時(shí)不僅要將原始信息經(jīng)編碼后寫入磁盤，同時(shí)要寫上數(shù)據(jù)區(qū)標(biāo)志和CRC校驗(yàn)碼以及間隙。如果原始信息寫不滿一個(gè)區(qū)段，自動插入全‘0’。

初始化：在盤片上寫格式化信息，對每個(gè)磁道劃分區(qū)段。

軟盤控制器主要由以下幾部分組成：

數(shù)據(jù)總線緩沖器：用于緩沖主機(jī)送來的并行數(shù)據(jù)。緩沖器中的數(shù)據(jù)再通過內(nèi)部總線與寄存器中的信息進(jìn)行傳送。

讀寫DMA控制邏輯：主要功能是進(jìn)行讀寫和DMA控制。采用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，此部分可產(chǎn)生數(shù)據(jù)請求(DRQ)信號，借助DMA控制芯片向CPU申請總線控制。CPU響應(yīng)后，讓出總線控制權(quán)，接著轉(zhuǎn)入DMA數(shù)據(jù)傳送。

串行接口控制器：主要用來控制讀寫的各種信號。當(dāng)采用雙密記錄方式寫入數(shù)據(jù)時(shí)，引入補(bǔ)償電路；讀出時(shí)，引入鎖相電路，分離出數(shù)據(jù)。

驅(qū)動器接口控制器：用來控制輸入／輸出的各種信號。

內(nèi)部寄存器：用來存放軟盤控制器芯片的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、命令和參數(shù)。新型存儲器技術(shù)

1．多體交叉存儲器

多體交叉存儲器的設(shè)計(jì)思想是在物理上將主存分成多個(gè)模塊，每一個(gè)模塊都包括一個(gè)存儲體、地址緩沖寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器等，即它們都是一個(gè)完整的存儲器。因此，CPU就能同時(shí)訪問各個(gè)存儲模塊，任何時(shí)候都允許對多個(gè)模塊并行地進(jìn)行讀寫操作，從而提高整個(gè)存儲系統(tǒng)的平均訪問速度。

多體交叉存儲器是利用主存地址的低K位來選擇模塊(可確定2K個(gè)模塊)，高m位用來指定模塊中的存儲單元，這樣連續(xù)的幾個(gè)地址就位于相鄰的幾個(gè)模塊中，而不是在同一個(gè)模塊中，故稱為“多體交叉編址”。于是CPU要訪問主存的幾個(gè)連續(xù)地址時(shí)，可使這幾個(gè)模塊同時(shí)工作，使整個(gè)主存的平均利用率得到提高。

2．閃速存儲器

閃速存儲器的英文名稱為Flash

Memory，有時(shí)也譯為“快閃存儲器”。它既有EPROM價(jià)格便宜、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，又有E2PROM的電可擦除性、可重寫性，具有可靠的非易失性，重寫速度較快，對于需要實(shí)施代碼或數(shù)據(jù)更新的嵌入性應(yīng)用是一種理想的存儲器。

3．高速緩沖存儲器Cache

高速緩沖存儲器(Cache)位于CPU與存儲容量較大但操作速度較慢的主存之問，可以提高CPU訪問存儲器時(shí)的存取速度，減少處理器的等待時(shí)間，使程序員能使用一個(gè)速度與CPU相當(dāng)而容量與主存相當(dāng)?shù)拇鎯ζ鳌?/p>

高速緩沖存儲器(Cache)是根據(jù)程序的局部性原理，即在一個(gè)較小時(shí)間間隔內(nèi)，程序所要用到的指令或數(shù)據(jù)的地址往往集中在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)，因而對局部范圍內(nèi)的存儲器地址頻繁訪問，而對此范圍外的地址則訪問甚少，這就稱為程序訪問的局部性原理。虛擬存儲器

虛擬存儲器(VirtualMemory)是以存儲器訪問的局部性為基礎(chǔ)，建立在主存一輔存物理體系結(jié)構(gòu)上的存儲管理技術(shù)。它是為了擴(kuò)大存儲容量，把輔存當(dāng)作主存使用，在輔助軟、硬件的控制下，將主