计算机组成原理存储子系统PPT课件.ppt

第4章存储子系统 本章讲述常见各类存储器的工作原理和使用特性 以及存储系统的组织 重点讨论用半导体存储器构成的主存储器 1 第4章存储子系统 基本知识点 三级存储体系的功能 所用存储器 存储方式 性能 主存储器逻辑设计 主存与CPU之间的连接 高速缓存与虚拟存储器的基本思想 外存储器的存储原理 重点 存储器逻辑设计 Cache CRC校验难点 存储系统的设计 高速缓存与虚拟存储器的地址映像 动态存储器的刷新 海明校验 CRC校验 Cache 磁记录方式 2 第4章存储子系统 4 1概述数字计算机的重要特点之一是具有存储能力 这是它能够自动连续执行程序 进行广泛的信息处理的重要基础 存储器虽然从概念上看比较简单 但是从计算机系统的类型 技术 组织 性能和价格几方面的特点来看范围是最广的 目前还没有一种最佳的能满足计算机系统对存储器需求的技术 3 第4章存储子系统 4 1概述就存储位置而言 计算机存储器有内部和外部之分 内存储器通常等同于主存储器 但还有其他形式 处理器需要自己的内存储器 它们以寄存器的形式存在 处理器的控制器部分也需要自己的内存储器 高速缓存是另一种形式的内存储器 外存储器由外围存储设备 如磁盘和磁带组成 它们通过I O控制器和处理器连接 4 4 1概述 4 1 1存储系统的层次结构对存储器的最基本要求是 存储容量大 存取速度快 成本价格低 在同一存储器中通常难以同时满足这些要求 解决方法 改进制造工艺 寻求新的存储机理 以提高存储器的性能 将整个存储系统由几个层次组成 经过合理的搭配组织 对用户来说 整个存储系统能提供足够大的存储容量和较快的有效速度 这基于程序访问的局部性原理 5 4 1概述 4 1 1存储系统的层次结构程序运行时的局部性原理表现在 在一小段时间内 最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问 在空间上这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区 在访问顺序上 指令顺序执行比转移执行的可能性大 大约5 1 由此 可以合理地把程序和数据分配在不同存储介质中 6 4 1概述 4 1 1存储系统的层次结构层次之间应满足的原则 一致性原则处在不同层次存储器中的同一个信息应保持相同的值 包含性原则处在内层的信息一定被包含在其外层的存储器中 反之则不成立 即内层存储器中的全部信息 是其相邻外层存储器中一部分信息的复制品 7 4 1概述 4 1 1存储系统的层次结构三级存储体系结构 8 4 1概述 4 1 1存储系统的层次结构1 主存储器主存储器是能由CPU直接编程访问的存储器 因为它通常位于主机的范畴之内 常称为内存 主存 为满足CPU编程直接访问的需要 对主存储器的基本要求有 随机访问 工作速度快 具有一定的存储容量 9 4 1概述 4 1 1存储系统的层次结构2 辅助储器由于主存的容量有限 通常设置一级大容量存储器 作为对主存的补充和后援 它们位于传统主机的范畴之外 常称为外存 辅存 10 4 1概述 4 1 1存储系统的层次结构3 高速缓存 Cache 为了解决CPU与主存之间的速度匹配 计算机中通常设置一种高速缓冲存储器 其中存放着最近要使用的程序与数据 作为主存中当前活跃信息的副本 11 4 1概述 4 1 2物理存储器与虚拟存储器物理存储器真正在物理上存在的主存储器物理地址访问主存的真实地址虚拟存储器提供给用户使用的 在软件编程上可用的存储器虚拟地址面向虚拟存储器的编程地址虚拟存储器依靠操作系统的支持来实现 它把地址空间和物理内存区分开 自动完成信息在主存和辅存间的调度 12 4 1概述 4 1 3存储器的分类1 按存储介质分类 半导体存储器 静态存储器依靠双稳态触发器的两个稳定状态保存信息 动态存储器依靠电容上的电荷暂存信息 磁表面存储器 磁盘 磁带 光盘存储器 13 4 1概述 4 1 3存储器的分类2 按存取方式分类 随机存取存储器 RAM SRAM DRAM 可按地址随机访问任一存储单元 随机性 访问各存储单元所需的读 写时间相同 地址无关性 只读存储器 ROM 直接存取存储器 DAM 顺序存取存储器 SAM 14 4 1概述 4 1 3存储器的分类3 按信息的可保存性分类 易失性存储器 非永久性 非易失性存储器4 按存储器在系统中的位置分类 高速缓存 主存 辅存 15 4 1概述 4 1 4存储系统的关键特性1 存储容量2 存取速度 存取时间TA从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间 即 从一次读操作命令发出到该操作完成 将数据读入数据缓冲寄存器为止所经历的时间 即为存储器存取时间 16 4 1概述 4 1 4存储系统的关键特性2 存取速度 存取周期TM连续启动两次独立的存储器操作 如连续两次读操作 所需间隔的最小时间 数据传输率数据写入或读出存储器的速率 随机存储器 1 读写周期非随机存储器 TN TA N R 17 4 2半导体存储原理及存储芯片 目前广泛使用的半导体存储器是MOS半导体存储器 根据存储信息的原理不同 又分为静态MOS存储器 SRAM 和动态MOS存储器 DRAM 半导体存储器的优点 存取速度快 存储体积小 可靠性高 价格低廉 缺点 断电后存储器不能保存信息 18 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 1双极型存储单元与芯片1 TTL型存储单元举例定义 当T1通导而T2截止时 存储信息为0 当T1截止而T2通导时 存储信息为1 二极管集电极耦合式双极型单元 19 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 1双极型存储单元与芯片1 TTL型存储单元举例 写入字线Z加负脉冲 其电平从3伏下降至0 3伏 写1位线电平上升至高电平3伏 而W维持1 6伏不变 二极管D1处于正向偏置而通导 写入电流从经D1流入T2基极 使T2通导 W与Z间电平差远低于与Z之间的电平差值 且T2通导 经交叉反馈使T1截止 20 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 1双极型存储单元与芯片1 TTL型存储单元举例 写入字线Z加负脉冲 其电平从3伏下降至0 3伏 写0位线 电平上升至高电平3伏 而维持1 6伏不变 二极管D2通导 写入电流从W经D2流入T1基极 使T1通导 经交叉反馈使T2截止 21 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 1双极型存储单元与芯片1 TTL型存储单元举例 保持字线Z为高电平3伏 而位线 W均为1 6伏 则D1与D2均处于反偏状态而截止 和W这一对位线与双稳态电路隔离不通 T1 T2通过交叉反馈维持原态不变 22 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 1双极型存储单元与芯片1 TTL型存储单元举例 读出字线Z加负脉冲 电平0 3伏 位线 W保持1 6伏读1若原存信息为1 即T1截止 T2通导 W经D2到T2有较大电流通过 而T1不通 线上基本无电流 通过读出放大器将W线上信号放大 可检测出原存信息为1 23 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 1双极型存储单元与芯片1 TTL型存储单元举例 读出字线Z加负脉冲 电平0 3伏 位线 W保持1 6伏读0若原存信息为0 即T1通导 T2截止 经D1到T1有较大电流通过 而T2不通 W线上基本无电流 通过读出放大器将线上信号放大 称为0信号 24 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 1双极型存储单元与芯片2 TTL型存储芯片举例 1K静态存储器框图 25 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 2静态MOS存储单元与芯片1 静态MOS存储单元举例定义 若T1通导而T2截止 存储信息为0 若T1截止而T2通导 存储信息为1 NMOS六管静态存储单元 26 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 2静态MOS存储单元与芯片1 静态MOS存储单元举例 写入字线Z加高电平 使门管T5与T6导通写1加高电平 W加低电平 通过T6使B点的结电容放电至低电平 使T1截止 而通过T5对A点结电容充电至高电平 使T2通导 27 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 2静态MOS存储单元与芯片1 静态MOS存储单元举例 写入字线Z加高电平 使门管T5与T6导通写0加低电平 W加高电平 通过T5使A点的结电容放电 A点变为低电平 使T2截止 而W通过T6对B点结电容充电至高电平 使T1通导 交叉反馈将加快这一状态的变化 28 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 2静态MOS存储单元与芯片1 静态MOS存储单元举例 保持字线Z加低电平 门管T5与T6断开 位线与双稳态电路隔离 双稳态电路依靠自身的交叉反馈保持原有状态不变 29 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 2静态MOS存储单元与芯片1 静态MOS存储单元举例 读出先对位线与W充电至高电平 充电所形成的电平是可浮动的 可随充放电而变 然后对字线Z加正脉冲 使门管T5与T6导通 读1即T2通导 W通过T6与T2对地放电 W上还有电流 经放大为1信号 表明原存信息为1 此时因T1截止 上无电流 30 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 2静态MOS存储单元与芯片1 静态MOS存储单元举例 读出先对位线与W充电至高电平 充电所形成的电平是可浮动的 可随充放电而变 然后对字线Z加正脉冲 使门管T5与T6导通读0即T1通导 则字线Z为高后 将通过T5 T1到地形成放电回路 有电流经流入T1 经放大为0信号 表明原存信息为0 此时因T2截止 所以W上无电流 31 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 2静态MOS存储单元与芯片2 静态MOS存储芯片举例Intel2114 32 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片1 动态MOS四管存储单元依靠T1与T2的栅极电容存储电荷来存储信息 若C1充电至高电平使T1通导 而C2放电至低电平使T2截止 存入信息为0 若C1放电至低电平使T1截止 而C2充电至高电平使T2通导 存入信息为1 33 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片1 动态MOS四管存储单元 动态MOS四管存储单元 34 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片1 动态MOS四管存储单元 写入字线Z加高电平 使门管T3与T4导通 写1加高电平 W加低电平 通过T3对C2充电至高电平 使T2通导 而C1通过两个放电回路放电 一条是通过T2放电 另一条是通过T4对W放电 C1放电至低电平 T1截止 35 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片1 动态MOS四管存储单元 写入字线Z加高电平 使门管T3与T4导通 写0加低电平 W加高电平 通过T4对C1充电至高电平 使T1通导 而C2通过两个放电回路放电 一条是通过T1放电 另一条是通过T3对放电 C2放电至低电平 T2截止 36 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片1 动态MOS四管存储单元 暂存信息字线Z加低电平 门管T3与T4断开 基本上无放电回路 仅存在泄漏电流 信息可暂存数毫秒 37 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片1 动态MOS四管存储单元 读出先对位线与W预充电 也就是对位线的分布电容充电至高电平 然后断开充电回路 使与W处于可浮动状态 继而对字线Z加高电平 使T3与T4导通 与W此时成为读出线 38 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片1 动态MOS四管存储单元 读出若原存信息为0即C1上有电荷为高电平 T1通导 则通过T3 T1对地放电 电平下降 上将有放电电流流过 放大后作为0信号 简称为读出0 与此同时 W通过T4对C1充电 补充电荷 39 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片1 动态MOS四管存储单元 读出若原存信息为1即C2上有电荷为高电平 T2通导 则W通过T4 T2对地放电 W线上有电流 放大后作为1信号 简称为读出1 与此同时 通过T3对C2充电 补充电荷 40 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片2 单管动态存储单元电容C用来存储电荷 充电到高电平时 存入信息为1 放电到低电平时 存入信息为0 控制管T用来控制读写 读写时字线加高电平 T通导 暂存信息时 字线加低电平使T断开 C基本上无放电回路 41 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片2 单管动态存储单元 单管动态MOS存储单元 42 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片2 单管动态存储单元 写入写0 W线加低电平 电容C通过T对W放电 呈低电平V0 写1 W线加高电平 W通过T对C充电 C上有电荷呈高电平V1 43 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片2 单管动态存储单元 读出先对位线W预充电 使其分布电容C 充电至Vm 其浮动值等于然后对字线加高电平 T通导 44 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片2 单管动态存储单元 读出若原存信息0 则W将通过T向电容C充电 W本身的电容将下降 按C与分布电容C 的电容值决定新的电平值 若原存信息为1 则电容C将通过T向位线W放电 使W电平上升 根据W线电平变化的方向及幅度 可鉴别原存信息是0还是1 45 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片2 单管动态存储单元 暂存信息字线加低电平 T断开 电容C基本上没有放电回路 其上的电荷 信息 可暂存数毫秒 或者维持无电荷的0状态 46 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 3动态MOS存储单元与芯片3 DRAM芯片举例 16K 1动态存储器框图 47 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 4半导体只读存储器与芯片1 掩模型只读存储器MROM2 可编程 一次编程型 只读存储器PROM3 可编程只读存储器EPROM4 电擦除可重写只读存储器EEPROM 48 4 2半导体存储原理及存储芯片 4 2 4半导体只读存储器与芯片5 闪速存储器FlashMemory90年代末Intel公司发明的闪速存储器是一种高密度 非易失性的读 写半导体存储器 它突破了传统的存储器体系 改善了现有存储器的特性 是一种全新的存储器技术闪速存储器的特点 固有的非易失性 廉价的高密度 可直接执行 固态性能 49 4 3主存储器的组织 主存储器组织涉及到 存储器基本逻辑设计地址线 数据线 控制线的连接 动态存储器的刷新 与CPU的连接 主存的校验 50 4 3主存储器的组织 4 3 1主存储器设计的一般原则1 驱动能力2 存储器芯片类型选择3 存储器芯片与CPU的时序配合4 存储器的地址分配和片选译码5 行选信号RAS和列选信号CAS的产生 51 4 3主存储器的组织 4 3 2主存储器的逻辑设计一个存储器的芯片的容量是有限的 它在字数或字长方面与实际存储器的要求都有很大差距 所以需要在字向和位向进行扩充才能满足需要 52 4 3主存储器的组织 4 3 2主存储器的逻辑设计1 位扩展16K 4 16K 8 53 4 3主存储器的组织 4 3 2主存储器的逻辑设计2 字扩展16K 8 64K 8 54 4 3主存储器的组织 4 3 2主存储器的逻辑设计3 字位扩展1K 4 4K 8 55 4 3主存储器的组织 4 3 3主存储器与CPU 系统总线的连接1 系统模式2 速度匹配与时序控制3 数据通路匹配数据通路宽度数据总线一次能并行传送的二进制数据位数4 有关主存的控制信号 56 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术有许多种DRAM存储器 而生产厂商试图跟上迅速增长的处理器速度 市场上会定期推出新的种类 每种都是基于传统的DRAM单元 并进行了一些优化 改进了访问基本DRAM单元的速度 57 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术1 FPMDRAM fastpagemodeDRAM 快页模式DRAM 传统的DRAM将存储单元的一整行拷贝到它的内部行缓冲区中 使用一个 然后丢弃剩余的 FPMDRAM允许对行缓冲区 DRAM的同一行 进行连续访问 58 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术2 同步突发静态随机存储器SBSRAM一般用作二级缓存 主要特点 支持统一时钟下的同步操作 采用可以多次突发访问的多级流水线结构 具有片内地址计数器 片内地址缓冲器和控制寄存器 自定时的写周期 59 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术2 同步突发静态随机存储器SBSRAM 既支持按字节写入 也支持全总线宽度写入 支持交替突发和线性突发 异步输出使能控制 SBSRAM主要用于支持按突发地址访问的微处理器系统 所有的输入均在时钟信号的上升沿采样 60 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术3 多端口SRAMMulti SRAM主要为需要进行数据共享的场合所设计 4 先进先出存储器FIFO是一种允许以不同速率进行读 写操作的存储器 主要用作两种或多种速度不匹配接口电路的中间缓冲 如CPU主总线到PCI总线之间的转换 PCI到ISA总线之间的转换 61 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术5 扩展数据输出动态随机访问存储器EDODRAMFPMDRAM的一个增强的形式 它允许单独的CAS信号在时间上靠得更紧密一点 62 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术6 同步动态随机访问存储器SDRAM就它们与存储控制器通信使用的一组显式的控制信号来说 常规的 FPMDRAM和EDORAM都是异步的 SDRAM用与驱动存储控制器相同的外部时钟信号的上升沿来代替许多这样的控制信号 63 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术 同步动态随机访问存储器SDRAM 64 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术7 DDRSDRAM doubledata ratesynchronousDRAM 双倍数据速率同步DRAM DDRSDRAM是对SDRAM的增强 它通过使用时钟的两个边沿作为控制信号 从而使DRAM的速度翻倍 65 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术8 RambusDRAM RDRAM 另一种私有技术 它的最大带宽比DDRSDRAM更高 66 4 3主存储器的组织 4 3 4主存储器芯片技术9 VRAM VideoRAM 视频RAM 它是在图形系统的帧缓冲区中 VRAM的思想与FPMDRAM类似 二者主要的区别是 VRAM的输出是通过依次对内部缓冲区的整个内容进行移位得到的 VRAM允许对存储器并行地读和写 因此 系统可以在写下一次更新的新值 写 的同时 用帧缓冲区中的像素刷屏幕 读 67 4 3 5动态存储器的刷新泄漏电流的各种因素会导致DRAM单元在10 100毫秒时间内失去电荷 4 3主存储器的组织 68 4 3 5动态存储器的刷新1 集中刷新方式前一段时间读 写 保持 后一段集中进行刷新 优点 主存利用率高 控制简单 缺点 刷新时不能使用存储器 存在死区 4 3主存储器的组织 69 4 3主存储器的组织 4 3 5动态存储器的刷新2 分散刷新方式把系统周期ts分为两半 前半段用来读 写 保持 后半段作为刷新时间 每次刷新一行优点 时序控制简单 主存没有长的死区 缺点 主存利用率不高 只用于低速系统中 70 4 3主存储器的组织 4 3 5动态存储器的刷新3 异步刷新方式将以上两种方式结合起来 便形成异步刷新方式 它是先用要刷新的行数对2ms进行分割 然后再将分割的每段时间分为两部分 前段时间用于读 写 保持 后一个读写周期刷新一行 这样既没有死区 又使刷新次数最少 71 4 3主存储器的组织 4 3 5动态存储器的刷新3 异步刷新方式优点 对主存速度影响最小 没有明显死区缺点 控制复杂 72 4 3主存储器的组织 Intel8203DRAM控制器简化图 73 4 3主存储器的组织 4 3 6主存储器的校验采用冗余校验思想码字 若干位代码组成的一个字距离 两码字间代码不同位的个数称为这两个码字间的距离码距 一种码制中 合法码字间的最小距离1 奇偶校验奇校验 使整个校验码中1的个数为奇数偶校验 使整个校验码中1的个数为偶数 74 4 3主存储器的组织 4 3 6主存储器的校验2 奇偶校验逻辑 75 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 1记录介质与磁头1 基体与磁层磁记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体 可以脱机保存信息 并且可以作为不同系统之间信息交换的手段 因此又称为磁记录媒体 76 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 1记录介质与磁头1 基体与磁层 软质基体与磁层 硬质基体与磁层好的记录介质应该具有记录密度高 输出信号幅度大 噪声低 表面组织紧密 光滑 无麻点 薄厚均匀 对周围环境的温度 湿度不敏感 能长期保持磁化状态等特点 77 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 1记录介质与磁头2 读 写磁头磁头是实现电 磁转换的装置 用电脉冲表示的二进制代码通过磁头转换成磁记录介质上的磁化格式 而介质上的磁化信息又要通过磁头转换成电脉冲 介质上已记录信息的清除 则是通过磁头将介质上磁层向某一方向饱和磁化或去磁而得到 78 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 1记录介质与磁头2 读 写磁头在一个具有缝隙的环形导磁体上绕上线圈 就构成了磁头 磁头的工作间隙一般装有非磁性材料 如云母 玻璃或二氧化矽等以增大磁阻 使导磁体的磁力线绕过工作间隙形成漏磁场 从而可以磁化记录介质而存储信息 间隙越大 漏磁通就越多 记录的信息越可靠 但间隙过大 磁化单元面积大 又将影响记录密度 79 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 1记录介质与磁头2 读 写磁头磁记录介质与磁头的发展方向是采用 双薄 技术 即薄膜介质与薄膜磁头 薄膜介质是利用一种制造工艺使记录材料生长在基片上形成一层连续的薄膜 这种连续薄膜比非连续的颗粒介质具有更高的记录密度 80 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 1记录介质与磁头2 读 写磁头薄膜磁头是采用薄膜形成技术 例如蒸发 溅射和电镀等 和部分集成电路工艺 例如制版 刻蚀等 制成的磁头 与常规的铁氧体磁头相比 其感应系数小 高频特性好 体积减小到铁氧体磁头的三十分之一 重量为铁氧体磁头的二十分之一 因此易于获得高道密度和高位密度 81 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 1记录介质与磁头2 读 写磁头MR磁头利用磁致电阻效应 magnetoresistive 简称MR 磁头能在高密度记录的情况下读出信号 MR磁头是专用于读出的磁头 需要与专用的写入磁头配合使用 MR磁头具有高的输出灵敏度和与磁盘转速无关的输出特性 82 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 2读写原理磁表面存储器中信息的写入和读出过程就是电和磁之间的转换过程 83 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 2读写原理磁表面存储器的特点 记录信息可长期保存 非易失性存储器 非破坏性读出 记录介质可以重复使用 采用直接存取方式或顺序存取方式 需要比较复杂的新制定位系统 运动中读写 可靠性低于半导体存储器 需要比较复杂的校验技术 84 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式磁记录方式是一种编码方法 指的是按照某种变换规律将一串二进制数字信息变换成存储介质磁层的相应的磁化状态 采用高效可靠的记录方式是提高记录密度的有效途径之一 85 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式1 归零制给磁头写入线圈送入的一串脉冲电流中 正脉冲表示 1 负脉冲表示 0 从而使磁层在记录 1 时从未磁化状态转变到某一方向的饱和磁化状态 而在记录 0 时从未磁化状态转变到另一方向的饱和磁化状态 特点 在两位信息之间 线圈里的电流为零 86 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式 典型的归零制 RZ 归饱和制 RB 87 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式2 不归零制在记录信息时 磁头线圈里如果没有正向电流就必有反向电流 而没有无电流的状态 为不归零制 磁层不是正向被饱和磁化就是反向被饱和磁化 当连续写入 1 或 0 时 写电流的方向是不改变的 这种记录方式比归零制减少了磁化翻转的次数 88 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式 典型的不归零制 NRZ 89 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式 不归零 1制 NRZ 1 流过磁头的电流只有在记录 1 时变化方向 使磁层磁化方向翻转 记录 0 时 电流方向不变 磁层保持原来的磁化方向 因此称为 见1就翻的不归零制 90 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式 调相制 PE 又称相位编码 PE 它是利用两个相位相差180 的磁化翻转方向代表数据 0 和 1 假定记录数据 0 时 规定磁化翻转的方向由正变为负 则记录数据 1 时从负变为正 当连续出现两个或两个以上 1 或 0 时 为了维持上述原则 在位周期起始处也要翻转一次 91 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式调相制写电流波形图 92 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式 调频制 FM 记录规则 记录 1 时 不仅在位周期的中心产生磁化翻转 而且在位与位之间也必须翻转 记录 0 时 位周期中心不产生磁化翻转 但位与位之间的边界处要翻转一次 由于记录数据 1 时磁化翻转的频率为记录数据 0 时的两倍 因此又称 倍频制 93 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式调频制写电流波形图 94 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式 改进型调频制 MFM 与调频制基本相同 记录数据 1 时在位周期中心磁化翻转一次 记录数据 0 时不翻转 二者的区别 只有连续记录两个或两个以上 0 时 MFM才在位周期的起始位置翻转一次 而不象FM在每个位周期的起始处都翻转 95 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式MFM写电流波形图 96 4 4磁表面存储器的存储原理 群码制 GCR 97 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式游程长度受限码RLLC RunLengthLimitedCode 游程 数据序列中连续0的个数RLLC编码可用5个参数描述其结构特性 数据码长度m位 记录序列长度n位 m n 在记录序列中两个1之间至少存在d个零 最多存在k个0 一次变换的最大数据长度与最小数据长度之比值为r 游程长度受限即是指对d与k的值作出限制 98 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式不同的磁记录方式性能各异 评定一种记录方式的优劣标准主要是编码效率 自同步能力等 99 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式自同步能力是指从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步时钟脉冲的难易程度 从磁表面存储器读出信号时 为了分离出数据信息必须要有时间基准信号 称为同步信号 100 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式同步信号可以从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得 这种方法称为外同步 但对于高密度的记录系统来说 还希望能直接从磁盘读出的信号中提取同步信号 这种方法称为自同步 如果说某种编码方法具有自同步能力 就是指能从读出数据 脉冲序列 中提取同步信号 101 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值R来衡量 比值R越大 自同步能力越强 102 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式编码效率 是指位密度与最大磁化翻转密度之比 位密度 最大磁化翻转密度编码效率高低是指每次磁层状态翻转所存储的数据信息位的多少 103 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 3磁记录方式除编码效率和自同步能力之外 还要考虑 读分辨率 即磁记录系统对读出信号的分辨能力 信息的相关性 即漏读或错读一位是否能传播误码 以及信道带宽 抗干扰能力 编码译码电路的复杂性等 这些都对记录方式的取舍评价产生影响 104 4 4磁表面存储器的存储原理 4 4 4磁表面存储器的校验1 海明校验2 循环冗余校验CRC CyclicRedundancyCheck 105 4 5光存储原理 光盘 opticaldisk 指的是利用光学方式进行读写信息的圆盘 计算机系统中所使用的光盘存储器是从激光视频唱片 又叫电视光盘 和数字音频唱片 又叫激光唱片 基础上发展起来的 60年代初发明了激光 随后就开始了高密度光学数据存储的研究工作 应用激光在某种介质上写入信息 然后再利用激光读出信息的技术称为光存储技术 106 4 5光存储原理 如果光存储使用的介质是磁性材料 亦即利用激光在磁记录介质上存储信息 就称为磁光存储 激光的一个主要特点就是可以聚焦成能量高度集中的小光点 直径小于1 m 因此采用激光写入的每位信息所占的面积小于1平方微米 107 4 5光存储原理 光盘存储器与磁盘存储器类似 也是由盘片 驱动器和控制器组成 驱动器同样有读 写头 寻道定位机构 主轴驱动机构等 除了机械电子机构以外 还有光学机构 108 4 5光存储原理 4 5 0光盘存储器分类只读型光盘 CD ROM 其盘片是由生产厂家预先写入数据或程序 出厂后用户只能读取 而不能写入修改 109 4 5光存储原理 4 5 0光盘存储器分类只读型光盘 CD ROM CD ROM在娱乐领域里主要用于电视唱片和数字音频唱片 可以获得高质量的图像和高保真度的音乐 在计算机领域里 主要用于检索文献数据库或其他数据库 也可用于计算机辅助教学等 由于这种光盘具有ROM的性质 因此称只读型光盘 compactdisk ROM 简称CD ROM 110 4 5光存储原理 4 5 0光盘存储器分类只写一次型光盘 WORM 这种光盘可由用户写入信息 写入后可以多次读出 但只能写一次 信息写入后不能修改 因此它被称为 写一次型 writeonce readmany 简称WORM 主要用于计算机系统中的文件存档或写入的信息不需修改的场合 111 4 5光存储原理 4 5 0光盘存储器分类可擦写型光盘 MO 这种光盘类似于磁盘 可以重复读写 是很有发展前途的辅助存储器 它采用的是磁光 M O 可重写技术 112 4 5光存储原理 4 5 1光存储部件 113 4 5光存储原理 4 5 2光存储基本原理1 形变型光盘对于只读型和只写一次型光盘 写入时 将激光束聚焦成直径为小于1 m的微小光点 以其热作用 融化盘表面上的光存储介质薄膜 在薄膜上形成小洞 凹坑 有洞的位置表示记录了 1 没有洞的位置表示 0 114 4 5光存储原理 4 5 2光存储基本原理1 形变型光盘读出时 在读出光束的照射下 在有凹坑处和无凹坑处反射的光强是不同的 利用这种差别 可以读出二进制信息 由于读出光束的功率只有写入光束功率的1 10 因此不会融出新的凹坑 115 4 5光存储原理 4 5 2光存储基本原理2 相变型光盘有些光存储介质在激光照射下 晶体结构会发生变化 利用介质处于晶态和非晶态区域的反射特性不同 而记录和读取信息的技术 称之为相变可重写技术 phasechange 3 磁光型光盘利用激光在磁性薄膜上产生热磁效应来记录信息 通过恢复原有磁化状态进行擦除 116 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器高速缓冲存储器是为了解决CPU和主存之间速度匹配问题而设置的 目的是给出逼近最快存储器的速度 同时以较便宜的半导体存储器的价格提供一个大存储器容量 下图说明了这个概念 117 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器 具有Cache的计算机框图 118 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器为了把信息放到Cache中 必须应用某种函数把主存地址映象到Cache中定位 称做地址映象 这些函数通常称做映象函数 在信息按这种映象关系装入Cache后 执行程序时 应将主存地址变换成Cache地址 这个变换过程叫做地址变换 地址的映像和变换是密切相关的 119 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器1 地址映像 直接映像在直接映像方式中 直接映像函数可定义为 j imod2c其中 j是cache的字块号 i是主存的字块号 在这种映像方式中 主存的第0块 第2c块 第2c 1块 只能映像到cache的第0块 而主存的第1块 第2c 1块 第2c 1 1块 只能映像到cache的第1块 120 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器 直接映像Cache组织 121 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器 全相联映像 全相联映像Cache组织 122 4 6提高存储系统性能的一些措施 组相联映像 组联映像Cache组织 123 4 6提高存储系统性能的一些措施 组相联映像举例与80386微处理器相匹配的主存 cache存储系统是由82385cache控制器来实现地址映像和变换 可全部映像80386的32位地址提供的4G 千兆 字节的地址空间 使CPU几乎无任何等待地读出数据 命中率可高达99 82385片内只含有cache控制器 cache数据保存在片外的SRAM中 82385提供了两种地址映像方式 直接映像和两路组相联映像 124 4 6提高存储系统性能的一些措施 采用直接映像方式时 80386的地址总线分配 125 4 6提高存储系统性能的一些措施 82385直接映像cache组织 126 4 6提高存储系统性能的一些措施 两路组相联映像方式下 80386地址总线分配 127 4 6提高存储系统性能的一些措施 82385两路组相联cache组织 128 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器2 替换算法当新的主存字块需要调入cache存储器而它的可用位置又已被占满时 就产生替换算法问题 常用替换算法 先进先出算法FIFOFIFO算法总是把一组中最先调入cache存储器的字块替换出去 它不需要随时记录各个字块的使用情况 所以实现容易 开销小 129 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器 近期最少使用算法LRULRU算法是把一组中近期最少使用的字块替换出去 LRU算法需随时记录cache存储器中各个字块的使用情况 以便确定那个字块是近期最少使用的字块 LRU替换算法的平均命中率比FIFO要高 并且当分组容量加大时 能提高LRU替换算法的命中率 130 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器3 Cache的读 写过程 读操作 写操作写回法 Writ back 写直达法 Write through 写一次法 Write once MESI协议 131 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器4 Cache的指标 命中率CPU要访问的信息已在Cache内的比率 132 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器4 Cache的指标 Cache 主存系统平均访问时间 133 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器4 Cache的指标 访问效率 134 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器MESI协议原是为多处理器系统的cache一致性设计的 但也适用于单处理机的二级cache系统 数据cache的每一行包含两个状态位 每一cache行处于4种状态之一 135 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器MESI协议修改态 Modified 本cache行中的数据已被修改 与主存的内容不同 仅在本cache中的数据是正确的 互斥态 Exclusive 本cache行中的数据与主存中的数据相同 但不存在于其他cache中 136 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器MESI协议共享态 Shared 本cache行中的数据与主存中的数据相同 且可存在于其他cache中 无效态 Invalid 本cache行中的数据无效 137 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器4 Cache的设计要素 Cache的容量研究表明 Cache的容量为1K 512K字将是最有效的 因为Cache性能对工作负载的性质十分敏感 所以不可能有 最优 的Cache容量 映射功能其选择决定了Cache的结构 替换算法 写策略 138 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器 行的大小当一个数据块被检索并放入Cache时 不仅所要的字 而且一些相邻的字也被取出 当块的大小由很小变得较大时 命中率首先会增加 这是因为局部性原理 引用字附近的数据以后被引用的概率高 139 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器 行的大小当块大小增大时 更多有用的数据被装入Cache 但是 当块变得相当大 并且使用新取出的信息的概率变得小于重用已被替代的信息的概率时 命中率开始下降 140 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器 行的大小块的大小与命中率的关系是复杂的 它取决于特定程序的局部性特征 还没有找到确定的最优值 通常认为大小为2 8个可寻址单元接近最优值 141 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器 Cache的数目单级与两级Cache统一和分立Cache 142 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 1高速缓冲存储器 Cache的数目分立Cache设计的主要优点是取消了Cache在指令处理器和执行单元间的竞争 取指令和取数据可以并行 统一Cache的优点 对于给定的Cache容量 统一Cache比分立Cache有较高的命中率 只需设计和实现一个Cache 143 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 2虚拟存储器为了更加有效地管理存储器并且少出错 现代系统提供了一种对主存的抽象概念 叫做虚拟存储器 VM 虚拟存储器是硬件异常 硬件地址翻译 主存 磁盘文件和内核软件的完美交互 它为每个进程提供了一个大的 一致的 私有地址空间 144 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 2虚拟存储器虚拟存储器提供了三个重要的能力 将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存 在主存中只保存活动区域 并根据需要在磁盘和主存之间传送数据 通过这种方式 它高效地使用了主存 VM为每个进程提供了一致的地址空间 从而简化了存储器管理 VM保护了每个进程地址空间不被其他进程破坏 145 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 2虚拟存储器虚拟存储器指的是 主存 辅存 层次 它能使计算机具有辅存的容量 接近于主存的速度和辅存的每位成本 使得程序员可以按比主存大得多的空间来编制程序 即按虚存空间编址 146 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 2虚拟存储器1 页式虚拟存储器在页式虚拟存储系统中 把虚拟空间分成页 主存空间也分成同样大小的页 称为实页或物理页 而把前者称为虚页或逻辑页 147 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 2虚拟存储器1 页式虚拟存储器假设虚页号为0 1 2 m 实页号为0 1 l 显然有m l 由于页的大小都取2的整数幂个字 所以 页的起点都落在低位字段为零的地址上 可把虚拟地址分为两个字段 高位字段为虚页号 低位字段为页内字地址 148 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 2虚拟存储器1 页式虚拟存储器 页式虚拟存储器地址转换示意图 149 4 6提高存储系统性能的一些措施 4 6 2虚拟存储器2 段式虚拟存储器3 段页式虚拟存储器 150 4 6 2虚拟存储器4