第4章存儲器系統(tǒng)

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1、無雨制作 第4章 存儲器系統(tǒng) 一、存儲器分類 A、按與CPU的連接和功能分類： A、主存儲器（主存、內存） B、輔助存儲器（輔存、外存） C、高速緩存（Cache） B、按存取方式分類： A、隨機存取存儲器（RAM）：可讀可寫 B、只讀存儲器（ROM）：只能讀不能寫 二、主存的組成與操作 A、（1）存儲元件（存儲元、存儲位） 能夠存儲一位二進制信息的物理器件。存儲元是存儲器中最小的存儲單位。 （2）作為存儲元的條件： ① 有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，對應二進制的“0”、“1” 。 ② 在外界的激勵下，可寫入“0”、“1”。 ③ 能夠識別器件當前的狀

2、態(tài)。即可讀出所存的“0”、“1”。 B、存儲單元 由一組存儲元件組成，可以同時進行讀寫。 C、存儲體（存儲陣列） 把大量存儲單元電路按一定形式排列起來，即構成存儲體。存儲體一般排列成陣列形式， 所以又稱存儲陣列。 D、存儲單元的編址 ① 按字節(jié)編址：相鄰的兩個單元是兩個字節(jié)。 ② 按字編址：相鄰的兩個單元是兩個字。 三、主存的基本組成 四、主存與CPU的連接及主存的操作 五、存儲器的主要性能指標 1．存儲容量： 存儲容量的表示： ①在以字節(jié)為編址單位的機器中，常用字節(jié)表示存儲容量。 例如：4MB表示主存可容納4兆個字節(jié)信息。 ②對于存儲器

3、芯片，用存儲單元數(shù)×每個單元的位數(shù)表示。 例如：512k×16位，表示主存有512k個單元，每個單元為16位。 2．存儲容量的主要計量單位： 1K=1024 1M=1024K=220 1G=1024M=230 3．容量與存儲器地址線的關系: 1K=210 需要 10 根地址線 1M =220 需要 20 根地址線 256M =228 需要 28 根地址線 六、存儲器系統(tǒng)的層次結構 1、存儲器系統(tǒng)的多級層次結構通常由三級存儲器組成，即：Cache —— 主存 —— 輔存 2、三級存儲

4、層次結構 3、多級存儲層次結構 七、靜態(tài)RAM的工作原理及芯片結構 1、SRAM存儲器芯片結構 （1）字片式結構的存儲器芯片 訪存地址僅進行一個方向譯碼。又稱為單譯碼方式或一維譯碼方式。 （2）位片式結構的存儲器芯片 2、刷新: SRAM是靠__觸發(fā)器電路__存儲信息的，所存的信息表現(xiàn)為雙穩(wěn)態(tài)電路的電平，所以不需要刷新。 DRAM是靠___電容__存儲信息的，所存信息表現(xiàn)為電容上的電荷。由于電路中存在一定的漏電流，致使電容慢慢放電，導致所存信息丟失。因此必須在電容放電到一定程度 前，重新寫入信息，這一過程稱為刷新。 3、DRAM刷新方式 ① 集中

5、式刷新 ② 分散式刷新 ③ 異步式刷新 4、刷新最大周期 設存儲電容為C，其兩端電壓為u，電荷Q＝C?u，則泄漏電流為： ∴刷新間隔為: 若C＝0.2pf，△u＝1V，I＝0.1nA，則刷新間隔為 △t就是刷新最大間隔，即刷新最大周期。 八、半導體只讀存儲器(ROM) 1、所需的芯片數(shù)量： 例：用2114芯片(1K×4位)組成32K×8位的存儲器，所需芯片數(shù)為： 2、如何把許多芯片連接起來 A、通常存儲器芯片在單元數(shù)和位數(shù)方面都與實際存儲器要求有很大差距，所以需要在字方向和位方向兩個方面進行擴展。 B、按擴展方

6、向可分為：位擴展、字擴展、字和位同時擴展。 （1）位擴展的連接方法： ① 將各存儲器芯片的地址線、片選線和讀/寫線并聯(lián)。 ② 將各存儲器芯片的數(shù)據(jù)線分別接到數(shù)據(jù)總線的對應位上。 例：用2114芯片構成1K×8位的存儲器。 結果： （2）字擴展的連接方式： ① 將所有芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀/寫控制線并聯(lián)。 ② 由片選信號區(qū)分被選芯片。各芯片的片選信號分別接到存儲器高位地址譯碼器的輸出端的相應位上。 例：用16K×8位的芯片構成64K×8位的存儲器，并寫出各芯片的地址范圍。 結果： 分析：64K×8位的存儲器需要16位地址線A15～A0

7、，而16K×8位的芯片的片內地址線為14根，所以用16位地址線中的低14位A13～A0進行片內尋址，高兩位地址A15、A14用于選擇芯片，即選片尋址。 設存儲器從0000H開始連續(xù)編址，則四塊芯片的地址分配： 第一片地址范圍為：0000H～3FFFH 第二片地址范圍為：4000H～7FFFH 第三片地址范圍為：8000H～BFFFH 第四片地址范圍為：C000H～FFFFH （3）字和位同時擴展的連接方式： ① 所有芯片的片內地址線、讀/寫控制線并聯(lián)。 ② 不同地址區(qū)域內（組間），同一位芯片的數(shù)據(jù)線對應地并接在一起，連接到數(shù)據(jù)總線

8、的對應位上。不同位芯片的數(shù)據(jù)線分別連接到數(shù)據(jù)總線的不同位上。 ③ 同一地址區(qū)域內（組內），不同芯片的片選信號連在一起，接到片選譯碼器的同一輸出端；不同地址區(qū)域內的芯片的片選信號分別接到片選譯碼器的不同輸出端。 例：用2114(1K×4位)芯片構成4K×8位的存儲器。 結果： 例1:用512K*1位的存儲器芯片構成2MB的存儲器(存儲器按字節(jié)編址)，則共需選_32_塊芯片。在這些芯片中，其中_32_塊芯片的A1地址線應對應地接在一起；_32_塊芯片的讀寫控制線應接在一起；每_8_塊芯片的片選信號線應接在一起；每_4_塊芯片的數(shù)據(jù)輸入線DIN應接在一起。該存儲器地址總線至少_21_位，其

9、中_2_位用于選片尋址，_19_位用于片內尋址。若存儲器按芯片容量劃分若干個地址區(qū)域且從0連續(xù)編址，則第一個地址區(qū)域的最后一個地址為__07FFFF__H，最后一個地址區(qū)域的第一個地址為_180000_H。該存儲器應選擇具有_2_個輸入_4_個輸出的譯碼器用于選片，一個輸出端控制_8_塊芯片的片選信號。 例2:用256K*1位的存儲器芯片構成16MB的存儲器(存儲器按字節(jié)編址)，則共需選512塊芯片。在這些芯片中，其中512塊芯片的A1地址線應對應地接在一起；512塊芯片的讀寫控制線應接在一起；每8塊芯片的片選信號線應接在一起；每64塊芯片的數(shù)據(jù)輸入線DIN應接在一起。該存儲器地址總線至少2

10、4位，其中6位用于選片尋址，18位用于片內尋址。若存儲器按芯片容量劃分若干個地址區(qū)域且從0連續(xù)編址，則第一個地址區(qū)域的最后一個地址為03FFFFH，最后一個地址區(qū)域的第一個地址為FC0000H。該存儲器應選擇具有6個輸入64個輸出的譯碼器用于選片，一個輸出端控制8塊芯片的片選信號。 例3:某微機系統(tǒng)有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，地址空間安排為：16KB系統(tǒng)程序存儲區(qū)，用ROM芯片，安排在地址最低區(qū)；接著留出16KB的設備地址空間；其后的32KB作為用戶程序區(qū)，采用RAM芯片。給定芯片如下，請畫出連線圖，給出各存儲區(qū)的地址范圍。 ROM區(qū)：16K×8位，需1片16K×8位ROM

11、芯片 RAM區(qū)：32K×8位，需2片16K×8位RAM芯片 I/O區(qū)：16K×8位，主存不應使用 RD WR CS … A0 A13 CS DE … A0 A13 RAM ROM D7～D0 D7～D0 A15A14 A13A12………A2A1A0 00 00000000000000 00 11111111111111 0000H～3FFFH

12、 ROM區(qū) 01 00000000000000 01 11111111111111 4000H～7FFFH I/O區(qū) 10 00000000000000 10 11111111111111 8000H～BFFFH RAM區(qū)1 11 00000000000000 11 11111111111111 C000H～FFFFH RAM區(qū)2 八、 輔助存儲器 1、輔存主要

13、有磁表面存儲器和光存儲器兩類。 2、磁表面存儲器存儲信息的原理 ① 記錄介質:磁層 ② 基本原理:電磁轉換。 利用磁性材料在不同方向的磁場作用下，形成的兩種穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)來記錄信 息。 ③ 讀寫元件:磁頭是由高導磁率的材料制成的電磁鐵，磁頭上繞有讀寫線圈， 可以通過不同方向的電流。 3、磁記錄方式 ① 歸零制（RZ） 若寫入

14、“1”，則加正向寫入脈沖；若寫入“0”，則加負向寫入脈沖。每寫完一 位信息，電流歸零。 ② 不歸零制（NRZ） 若寫入“1”，則加正向寫入脈沖；若寫入“0”，則加負向寫入脈沖。寫完一位 信息后，電流不歸零。 ③ 不歸零—1制（NRZ—1） 若寫入“1”，則寫入電流改變一次方向；若寫入0”，則寫入電流方向維持不變。 不歸零—1制也稱為見1就翻的不歸零制。 ④

15、調相制（PM） A、若寫入“1” ，則在一個寫入周期中間使寫入電流從正變負（或相反）； 若寫入“0” ，則在一個寫入周期中間使寫入電流從負變正（或相反）。 B、若連續(xù)寫多個“0”或多個“1” ，則在兩個位周期交界處，寫入電流 改變一次方向。 ⑤ 調頻制（FM） A、若寫入“1” ，則在一個寫入周期中間使寫入電流改變一次方向（不管原 方向如何）；若寫入“0” ，

16、則在一個寫入周期中保持寫入電流方向不變。 B、不論寫“0”還是寫 “1”，在兩個位周期交界處，寫入電流均改變一次方 向。 ⑥ 改進調頻制（MFM） A、若寫入“1” ，則在一個寫入周期中間使寫入電流改變一次方向（不管原 來方向如何）；若寫入“0” ，則在一個寫入周期中保持寫入電流方向不變。 B、若連續(xù)寫多個“0”，則在兩個“0”的位周期交界處，寫入電流改變一次方 向。

17、 注：結論: 寫入線圈上的電流取決于磁記錄方式和所要記錄的信息。 九、磁記錄方式的主要評價標準 1、自同步能力： A、從讀出的脈沖信號序列中提取同步時鐘信號的能力。同步能力的大小可以用R 來衡量。 B、R=最小磁化翻轉間隔/最大磁化翻轉間隔 比值R越大，自同步能力越強。 2、編碼效率 A、指每次磁層磁化翻轉所存儲信息的位數(shù)。 B、編碼效率η=位密度/最大磁化翻轉密度η也說明了記錄

18、一位信息的最大磁化翻 轉次數(shù)。 十、磁盤存儲器 1、磁盤的分類 A、按盤片材料分 硬盤：載體是金屬，容量大，速度快。 軟盤：載體是塑料，對環(huán)境要求低，價格低。 B、按磁頭與盤組分 固定頭可卸盤組 磁頭固定，每磁道一個磁頭，環(huán)境要求高，沒有磁頭運動，速度快。 固定頭固定盤組 活動頭

19、可卸盤組 每個盤片一個磁頭，需運動尋道，結構簡單，成本低。 活動頭固定盤組 2、記錄面（盤面）：磁盤片表面稱為記錄面。盤片的上下兩面都能記錄信息。 磁道：記錄面上一系列同心圓。每個盤片表面通常有幾十到幾百個磁道。 磁道的編址：從外向內依次編號，最外一個同心圓叫0磁道，最里面的一個同心圓 叫n磁道，n磁道里面的圓面積不用來記錄信息。 柱面（圓柱面）：n個面上位于同一半徑的

20、磁道形成一個圓柱面。磁盤組的圓柱面 數(shù)等于一個盤面的磁道數(shù)。在讀/寫過程中，各個盤面的磁頭總是 處于同一個圓柱面上。存取信息時，可按圓柱面順序地進行操作。 扇區(qū)：將盤面沿垂直于磁道的方向劃分成若干個扇區(qū)。 扇區(qū)的編號方法：可以連續(xù)編號，也可間隔編號。 扇段：每條磁道在扇區(qū)內的部分稱為扇段，每個扇段存儲等量的信息。扇段是磁盤 信息的基本單位。由于各條磁道

21、的半徑不同，各條磁道的存儲密度不同。外 圈存儲密度低，內圈存儲密度高。 扇段的記錄格式：磁盤存儲器的每個扇段記錄定長的數(shù)據(jù)，讀/寫操作是以扇段為單 位一位一位串行進行的。每一個扇段記錄一個記錄塊。 例：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)域內徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內層位密度400位/cm，轉速2400轉/分，平均尋道時間為10ms 。問： (1)共有多少柱面? (2)盤組總存儲容量是多少？ (

22、3)數(shù)據(jù)傳輸率多少? (4)平均尋址時間是多少？ (5)采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址? (6)如果某文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個 柱面上? 解：(1)共有多少柱面? 有效存儲區(qū)域＝16.5－11＝5.5(cm) 因為道密度＝40道/cm，所以共有40×5.5＝220道，即 220個圓柱面。 (2)盤組總存儲容量是多少？ 內層磁道周長為2πR＝2×3.14×11＝69.08（cm）

23、 每道信息量＝400位/cm×69.08cm＝27632位＝3454B 每面信息量＝3454B×220＝759880B 盤組總容量＝759880B×l0＝7598800B＝7.25MB (3)數(shù)據(jù)傳輸率多少? 磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr＝r×N N為每條磁道容量，N＝3454B r為磁盤轉速，r＝2400轉/60秒＝40轉/秒 Dr＝r×N＝40×3454B＝13816B/s (4)平均尋址時間是多少？ 磁盤旋轉一圈的時

24、間為 平均尋址時間TA＝10ms＋25/2ms＝22.5ms 十一、高速緩沖存儲器(Cache) 1、命中、不命中、命中率 Cache命中(hit)：CPU欲訪問的數(shù)據(jù)已在Cache中。 Cache不命中(miss)：CPU欲訪問的數(shù)據(jù)不在Cache內。 命中率：CPU 欲訪問的信息在 Cache 中的比率。 2、 Cache 的讀寫操作 A、讀操作 B、替換算法 （1）先進先出 （ FIFO ）算法 （2）近期最少使用（ LRU）算法 C、寫操作 如果Cache命中，會遇

25、到如何保持Cache與主存中的內容一致的問題。 ⑴ 寫直達法：即同時寫入主存和高速存儲器。 寫操作時間就是訪問主存的時間，讀操作時不涉及對主存的寫操作，更新策略較 容易實現(xiàn)。 ⑵ 寫回法：只寫入高速存儲器并標記該組修改過。當淘汰該組時需將內容寫回主存 儲器。 寫操作時間就是訪問 Cache 的時間，讀操作 Cache 失效發(fā)生數(shù)據(jù)替換時，被替 換的塊需寫回主存，增加了 Cache 的復雜性。 如果Cache不命中，就直接把信息寫入主存

26、，而與Cache無關。 3、 Cache – 主存的地址映射 A、直接映射：某一 主存塊 只能固定 映射到 某一 緩存塊 B、全相聯(lián)映射：某一 主存塊 能 映射到 任一 緩存塊 C、組相聯(lián)映射：某一 主存塊 只能 映射到 某一 緩存 組 中的 任一塊 例題：CPU執(zhí)行一段程序時，Cache完成的存取次數(shù)為5000次，主存完成的存取次數(shù)為200次（當Cache不命中時才啟動主存）。已知Cache的存取周期Tc=40ns，主存存取周期Tm=160ns，求Cache的命中率，平均訪問時間和系統(tǒng)訪問效率。 1）Cache的命中率H H=Nc/（Nc+Nm）= 5000/5200≈96.2% 2）平均訪問時間TA TA=Tc+（1-H）*Tm = 40+（1-0.96）*160=46.4 3）系統(tǒng)的訪問效率E E=Tc/TA = 40/46.4 ≈ 86.2% 8