计算机组成原理

1、计算机组成原理计算机组成原理第四章第四章 存储器存储器本章内容本章内容4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 主存储器主存储器 4.3 4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器 4.4 4.4 辅助存储器辅助存储器4.3 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）1. Cache-存储器映象存储器映象2. 替换算法替换算法问题的提出问题的提出1.CPU和和I/O争抢访问主存争抢访问主存2.主存速度始终跟不上主存速度始终跟不上CPU的发展的发展100MHz的的Pentium处理器平均处理器平均10ns就执行一条指令，就执行一条指令，而而DRAM的典型访问时间是的典型访问时间是60120ns。 Ca

2、che的出现主要使的出现主要使CPU不直接访问主存，只不直接访问主存，只与高速与高速Cache交换信息。交换信息。程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理时间局部性：最近的访问项（指令时间局部性：最近的访问项（指令/数据）很可能在数据）很可能在不久的将来再次被访问（往往会引起对最近使用区域不久的将来再次被访问（往往会引起对最近使用区域的集中访问）的集中访问）空间局部性：一个进程访问的各项其地址彼此很近空间局部性：一个进程访问的各项其地址彼此很近（往往会访问在存储器空间的同一区域）（往往会访问在存储器空间的同一区域）Cache/主存存储空间的基本结构主存存储空间的基本结构主存储器主存储器主存块号

3、主存块号字块字块0字块字块1字块字块2m-1 主存块号 块内地址 n位m位b位M块B个字 块号 块内地址 c位b位C块B个字Cache标记标记字块字块0字块字块1字块字块2c-1块长块长：块的大小：块的大小B（=2b），即块内字数。），即块内字数。命中、不命中、命中率命中、不命中、命中率 Cache命中（命中（hit） CPU欲访问的数据已在缓存中，即可直接访问欲访问的数据已在缓存中，即可直接访问Cache Cache不命中（不命中（miss） CPU欲访问的数据不在欲访问的数据不在Cache内，此时需将该内，此时需将该数所在的主存整个子块一次调入数所在的主存整个子块一次调入Cache中。中。

4、 命中率命中率是指是指CPU要访问的信息已在要访问的信息已在Cache内的比率。通常用命中率来衡量内的比率。通常用命中率来衡量Cache的的效率。效率。Cache效率效率 Cache的的容量容量和和块长块长是影响是影响Cache效率的重效率的重要因素。要因素。 Cache容量越大，命中率越高。容量越大，命中率越高。 当当Cahce容量达到一定值时，命中率不会因容量容量达到一定值时，命中率不会因容量的增大而明显提高。的增大而明显提高。 Cache容量大，成本增加。容量大，成本增加。Cache的命中率与的命中率与cache容量的关系容量的关系 C H 1Cache容量容量命中率命中率块容量与命中率

5、块容量与命中率 容量大 BC 1 H 容量小 命中率命中率块大小块大小Cache的读数操作流程的读数操作流程开始开始CPU发出访存地址发出访存地址访问访问Cache取取出信息送出信息送CPU命命中中?结束结束访问主存取出访问主存取出信息送信息送CPU将新的主存块将新的主存块调入调入Cache中中执行替换算执行替换算法腾出空位法腾出空位Cache满满?YNNYCache的写操作的写操作命中命中写直达法（写直达法（Write-through、Store-though）每次写入每次写入Cache的同时，也写入主存。的同时，也写入主存。写回法（写回法（Write-back）：）：执行写操作时，信息只写

6、入执行写操作时，信息只写入Cache；当当Cache块被替换时，先将该块内容写回主存，然后再调入新页。块被替换时，先将该块内容写回主存，然后再调入新页。信息只写入主存，同时将相应的信息只写入主存，同时将相应的Cache块块有效位有效位置置“0”不命中：被修改的单元根本不在不命中：被修改的单元根本不在Cache内，此时写操作内，此时写操作只能对主存进行。只能对主存进行。比较比较写回法的开销是在块替换时的回写时间，而写直达法则在每次写回法的开销是在块替换时的回写时间，而写直达法则在每次写入时，都要附加一个比写写入时，都要附加一个比写Cache长得多的写主存时间。长得多的写主存时间。一般来说，写直达

7、法的开销大一些，但其一般来说，写直达法的开销大一些，但其一致性一致性保持的要好一保持的要好一些。些。关键在于如何使关键在于如何使Cache与主存内容保持一致。与主存内容保持一致。Cache的基本结构的基本结构Cahce存储体、地址映象变换机构、替换机构存储体、地址映象变换机构、替换机构 Cahce存储体存储体 以块为单位和主存交换信息以块为单位和主存交换信息 Cache访存的优先级最高访存的优先级最高 地址映象变换机构地址映象变换机构 主要是主要是 主存块号和主存块号和Cache块号之间的转换。块号之间的转换。 四种映象：直接映象、全相联映象、组相联映象和四种映象：直接映象、全相联映象、组相联

8、映象和段相联映象。段相联映象。 替换机构替换机构 Cache内容已满时，无法接受来自主存块的信内容已满时，无法接受来自主存块的信息，需由息，需由Cache内的替换机构按一定的内的替换机构按一定的替换算替换算法法来确定从来确定从Cache内移出某个块写回主存。内移出某个块写回主存。Cache的改进的改进 近年来多采用多个近年来多采用多个Cache，其含义有两个，其含义有两个方面：一是增加方面：一是增加Cache的级数；二是将统的级数；二是将统一的一的Cache变成分开的变成分开的Cache。 单一缓存和两级缓存单一缓存和两级缓存 统一缓存和分开缓存统一缓存和分开缓存单一缓存和两级缓存单一缓存和两

9、级缓存 单一缓存单一缓存：在：在CPU和主存之间只设一个缓和主存之间只设一个缓存。存。 片内缓存（片载缓存）片内缓存（片载缓存）：让出存储总线：让出存储总线 速度快、容量受限。速度快、容量受限。 两级缓存两级缓存：在主存和片内缓存之间在加一：在主存和片内缓存之间在加一级缓存（即级缓存（即片外缓存片外缓存）。）。 这种由片外缓存和片内缓存组成的这种由片外缓存和片内缓存组成的Cache，叫，叫做两级缓存，并称片内缓存为第一级，片外缓做两级缓存，并称片内缓存为第一级，片外缓存为第二级。存为第二级。统一缓存和分开缓存统一缓存和分开缓存统一缓存统一缓存：指令和数据存放在同一：指令和数据存放在同一Cach

10、e内内分开缓存（分开缓存（Harvard结构）结构）：指令和数据分别存：指令和数据分别存放在放在I_Cache和和D_Cache内。内。选用时要考虑的两个主要因素：选用时要考虑的两个主要因素：1.与主存结构有关：如果计算机的主存是统一的（指令与主存结构有关：如果计算机的主存是统一的（指令和数据在同一主存内），则相应的和数据在同一主存内），则相应的Cache采用统一缓采用统一缓存；如果主存采用指令、数据分开存放的方案，则相存；如果主存采用指令、数据分开存放的方案，则相应的应的Cache采用分开缓存。采用分开缓存。2.与机器对指令执行的控制方式有关：当采用与机器对指令执行的控制方式有关：当采用超前

11、控制超前控制或或流水线控制流水线控制方式时，一般都采用分开缓存。方式时，一般都采用分开缓存。超前控制、流水线控制超前控制、流水线控制 超前控制超前控制：是指在当前指令执行过程尚未结束时，：是指在当前指令执行过程尚未结束时，就提前将下一条准备执行的指令取出，这一过程就提前将下一条准备执行的指令取出，这一过程叫超前取指或叫指令预取。叫超前取指或叫指令预取。 流水线控制流水线控制：实质上是多条指令同时执行。：实质上是多条指令同时执行。 超前控制和流水线控制特别强调指令的预取和指超前控制和流水线控制特别强调指令的预取和指令的并行执行。因此，这类机器必须将指令令的并行执行。因此，这类机器必须将指令Cac

12、he和数据和数据Cache分开，分开，否则可能出现取指和否则可能出现取指和执行过程对统一缓存的争用执行过程对统一缓存的争用。 如果采用统一缓存，执行部件向缓存发出取数请求时，如果采用统一缓存，执行部件向缓存发出取数请求时，一旦指令预取机构也向缓存发出取指请求，那么统一一旦指令预取机构也向缓存发出取指请求，那么统一缓存只有先满足执行部件要求，将数据送到执行部件，缓存只有先满足执行部件要求，将数据送到执行部件，而取指请求暂时等待，显然达不到预取指令的目的。而取指请求暂时等待，显然达不到预取指令的目的。Cache主存地址映象主存地址映象 由主存地址映象到由主存地址映象到CacheCache地址称为地

13、址映象。地址称为地址映象。 直接映象直接映象 全相联映象全相联映象 组相联影响组相联影响 段相连映象段相连映象1. 直接映象直接映象CacheCache字块数为：字块数为：C=2C=2c c主存字块数为：主存字块数为：M=2M=2m m映射关系式：映射关系式：i=j mod Ci=j mod C 或或 i=j mod 2i=j mod 2c c字块字块0 0字块字块1 1字块字块2 2c c-1-1字块字块2 2c c字块字块2 2c c+1+1字块字块2 2c+1c+1-1-1字块字块2 2c+1c+1字块字块2 2m m-1-1主存储器主存储器字块字块0 0字块字块1 1字块字块2 2c

14、c-1-1Cache缓存块号缓存块号i主存块号主存块号j00，C，2m-C11， C1，2m-C1C-1C-1，2C-1, ，2m-11. 直接映象（续）直接映象（续）1. 直接映象（续）直接映象（续）访问顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 块地址 22 26 22 26 16 4 16 18 块分配情况 操作状态 调进 调进 命中 命中 调进 调进 命中 替换 - - - - - - 22 - - - 26 - - - 22 - - - 26 - - - 22 - - - 26 - - - 22 - 16 - 26 - - - 22 - 16 - 26 - 4 - 22 - 16 - 26

15、 - 4 - 22 - 16 - 18 - 4 - 22 - 字块号012345671. 直接映象（续）直接映象（续） 优点：实现简单，只需利用主存地址的某些位直优点：实现简单，只需利用主存地址的某些位直接判断，就可确定所需字块是否在缓存中。接判断，就可确定所需字块是否在缓存中。 缺点：效率低。因为每个主存块固定地对应某个缺点：效率低。因为每个主存块固定地对应某个缓存块（有缓存块（有2t个主存字块对应同一个个主存字块对应同一个Cache字字块），如果这块），如果这2t个字块中有两个或两个以上的主个字块中有两个或两个以上的主存字块要调入存字块要调入Cache，必然会发生冲突。这时，必然会发生冲突

16、。这时，即使即使Cache中还有很多空闲块也无法占用，使缓中还有很多空闲块也无法占用，使缓存的空间得不到充分的利用。存的空间得不到充分的利用。2. 全相联映像全相联映像 主存 cache 第 0 块 第 1 块 第 0 块 第 1 块 第 2c-1 块 第 2m- 1 块 标记标记标记主存字块标记主存字块标记字块内地址字块内地址主存地址主存地址m=t+c位位b位位m=t+c位位Cache“标记位标记位”增多，比较位数增加；而且访问增多，比较位数增加；而且访问Cache时需要和时需要和Cache的全的全部部“标记标记”进行比较，才能判断出所访问的主存地址的内容是否已在进行比较，才能判断出所访问的

17、主存地址的内容是否已在Cache内。内。2. 全相联映像（续）全相联映像（续）访问顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 地址 22 26 22 26 16 4 16 18 块分配情况 操作状态 调进 调进 命中 命中 调进 调进 命中 调进 22 - - - - - - - 22 26 - - - - - - 22 26 - - - - - - 22 26 - - - - - - 22 26 16 - - - - - 22 26 16 4 - - - - 22 26 16 4 - - - - 22 26 16 4 18 - - - 字块号012345673. 组相联映象组相联映象字块0字块1字

18、块2c-r-1字块2c-r字块2c-r+1字块2c-r+1字块2m-1主存储器主存储器标记字块0标记字块1标记字块2标记字块3标记字块2c-2标记字块2c-1Cache（r1）第第0组组第第1组组第第2c-r-1组组主存地址主存地址主存子块标记组地址子块内地址s=t+r位q=c-r位b位m位3. 组相联映象（续）组相联映象（续） 原理：把Cache分为Q(=2q)组，每组有R(=2r)块，且 i=j mod Q 其中，i为缓存的组号，j为主存的块号 r0，直接相联；rc，全相联。 在主存块和Cache的各组之间，属于直接映象关系；而主存块可以映射到对应组内的任何一块，这又体现出了全相联映象的关

19、系。4.段相联映象段相联映象 它将主存和它将主存和Cache都分成若干段，且使得都分成若干段，且使得它们每段包含的块数都相等它们每段包含的块数都相等 段之间采用全相联映象，段内块之间采用段之间采用全相联映象，段内块之间采用直接映象直接映象。 当段数与当段数与Cache块数相等时（即每段只包块数相等时（即每段只包含一块），便为全相联映象；当段数为含一块），便为全相联映象；当段数为1时，时，便为直接映象。便为直接映象。四种映象方式比较四种映象方式比较 直接映象直接映象：优点是实现简单，缺点是不够灵活。：优点是实现简单，缺点是不够灵活。 全相联映象全相联映象：实现电路较多：实现电路较多,成本较高，实

20、际的成本较高，实际的Cache还要采用各种措施来减少地址的比较次还要采用各种措施来减少地址的比较次数。数。 组相联映象和段相联映象组相联映象和段相联映象：是直接映象和全相：是直接映象和全相联映象相结合的两种形式。联映象相结合的两种形式。Cache的性能和类型的性能和类型 地址映象与命中率地址映象与命中率直接相联全相联CH组相联和段相联组相联和段相联替换算法 替换算法替换算法 先进先出算法（先进先出算法（FIFO）：选择最早装入的选择最早装入的Cache字块替换出来。这种算法实现起来比较字块替换出来。这种算法实现起来比较方便，但不能正确反映程序的局部性。因为最方便，但不能正确反映程序的局部性。因

21、为最先进入的字块也可能是目前经常要用的字块，先进入的字块也可能是目前经常要用的字块，因此，采用这种算法，有可能产生较大的失效因此，采用这种算法，有可能产生较大的失效率。率。 近期最少使用算法（近期最少使用算法（LRU）：选择选择“近期最少近期最少使用使用”块作为调出块，这种算法能比较正确反块作为调出块，这种算法能比较正确反映程序的局部性，因为当前最少使用的块一般映程序的局部性，因为当前最少使用的块一般来说也是未来最少被访问的块。但是它的具体来说也是未来最少被访问的块。但是它的具体实现比实现比FIFO要复杂一些。要复杂一些。 随机替换随机替换FIFO替换算法替换算法 访问顺序 1 2 3 4 5

22、 6 7 8 地址块号 2 11 2 9 7 6 4 3 块分配情况 操作状态 调进 调进 命中 调进 调进 替换 替换 替换 2 - - - 2 11 - - 2 11 - - 2 11 9 - 2 11 9 7 6 11 9 7 6 4 9 7 6 4 3 7 颠簸现象颠簸现象 访问顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 地址块号 2 11 9 7 6 2 11 9 块分配情况 操作状态 调进 调进 调进 调进 替换 替换 替换 替换 先进先出替换方式下的cache内容颠簸情况 2 - - - 2 11 - - 2 11 9 - 2 11 9 7 6 11 9 7 6 2 9 7 6 2 1

23、1 7 6 2 11 9 近期最少使用算法近期最少使用算法 访问顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 地址块号 2 11 2 9 7 6 4 3 块分配情况 操作状态 调进 调进 命中 调进 调进 替换 替换 替换 2* - - - 2* 11 - - 2 11* - - 2 11* 9 - 2 11* 9 7 2* 6 9 7 4 6 9* 7 4 6 3 7 例：选最近例：选最近4 4次访问期间最少使用次访问期间最少使用CacheCache块作为被替换的块。块作为被替换的块。Pentium处理器框图处理器框图指令指令Cache(8KB)Cache(8KB)分支预测分支预测预取指令缓冲区预取

24、指令缓冲区整数整数ALUALU整数整数ALUALU整数寄存器组整数寄存器组数据数据Cache(8KB)Cache(8KB)浮点单元浮点单元除法器加法器乘法器寄存器组6464位总位总线接口线接口3232323232位64位U管道V管道256位Pentium处理器的片内处理器的片内Cache00010000F4901158AC01LRULRU位位标记标记 状态状态标记标记 状态状态000F50100F59011271270 01271270 0主存地址结构主存地址结构（共（共32位）位）20732标记标记 组号组号 双字双字 字节字节PowerPC 620处理器框图处理器框图指令Cache32KB

25、指令单元128位L2/总线接口整数寄存器整数ALU整数ALU整数ALU存/取单元浮点寄存器浮点ALU数据Cache32KB64bits64bits128bits128bits4.4 辅助存储器辅助存储器1.磁表面存储器磁表面存储器l磁记录原理和记录方式磁记录原理和记录方式l硬磁盘存储器硬磁盘存储器l软盘存储器软盘存储器l磁带存储器磁带存储器2.光盘存储器光盘存储器3.循环冗余校验码、奇偶校验码循环冗余校验码、奇偶校验码辅助存储器的特点辅助存储器的特点 外存外存 硬盘、软盘、磁带、光盘（硬盘、软盘、磁带、光盘（CD ROM） 容量大容量大，GigaBytes 速度慢速度慢, 7200转转/min

26、，速率，速率100Mb/s RAM：几百兆：几百兆(存取周期几十纳秒存取周期几十纳秒) 价格低价格低，80G/￥800.00 内存：内存：256M/￥400.00 可脱机保存信息，具有非易失性的特点可脱机保存信息，具有非易失性的特点磁表面存储器磁表面存储器主要内容主要内容1. 技术指标技术指标记录密度、容量、寻址时间、传输率、误码率记录密度、容量、寻址时间、传输率、误码率2. 磁记录原理磁记录原理3. 磁盘记录格式磁盘记录格式4. 评价记录方式的主要指标评价记录方式的主要指标5. 硬磁盘存储器硬磁盘存储器6. 软磁盘存储器软磁盘存储器7. 磁带存储器磁带存储器磁记录设备磁记录设备盘片磁道磁头磁

27、盘磁带磁盘驱动器移动技术指标记录密度技术指标记录密度 记录密度：道密度（磁盘）、位密度（磁盘、记录密度：道密度（磁盘）、位密度（磁盘、磁带）磁带） 道密度：沿半径方向单位长度磁道数道密度：沿半径方向单位长度磁道数 单位：道单位：道/英寸（英寸（ TPI，Tracks Per Inch） P：道距：道距 位密度：单位长度磁道所记录的数据位数，单位位密度：单位长度磁道所记录的数据位数，单位为位为位/英寸（英寸（bpi）或位）或位/毫米（毫米（bpm）PDt1mindfDtb每道总位数，各道相同同心圆最小直径技术指标容量技术指标容量 容量：存储的信息总量容量：存储的信息总量 以磁盘为例以磁盘为例 磁

28、盘总容量磁盘总容量Cnks n：盘面数，：盘面数，k：每面磁道数，：每面磁道数，s：每道记录代码数：每道记录代码数 非格式化容量：磁表面可以利用的磁化单元总数。非格式化容量：磁表面可以利用的磁化单元总数。 格式化容量：按某种特定的记录格式所能存储信息的格式化容量：按某种特定的记录格式所能存储信息的总量，约为非格式化容量的总量，约为非格式化容量的60%70技术指标寻址时间技术指标寻址时间 磁盘寻址过程：先寻道，再定位记录磁盘寻址过程：先寻道，再定位记录 寻址时间寻道时间（寻址时间寻道时间（ts）等待时间（）等待时间（tw） 平均寻址时间平均寻址时间 寻道：最外、最内、相邻，各不相同寻道：最外、最

29、内、相邻，各不相同 等待时间：外道、内道长度不同等待时间：外道、内道长度不同 磁带寻址过程：顺序存取，磁头不动，磁带空磁带寻址过程：顺序存取，磁头不动，磁带空转到指定位置。转到指定位置。 寻址时间空转时间寻址时间空转时间22minmaxminmaxwwsswasaattttttT技术指标传输率、误码率技术指标传输率、误码率 传输率传输率： 单位时间传输的数据量（字节、位）单位时间传输的数据量（字节、位） Dr记录密度（记录密度（D）介质运行速度（介质运行速度（V） 误码率误码率： 读出时，出错位数读出时，出错位数/读出的总位数读出的总位数 为了减少出错率，磁表面存储器通常采用循环冗为了减少出错

30、率，磁表面存储器通常采用循环冗余码来发现并纠正错误。余码来发现并纠正错误。磁记录原理磁记录原理 磁记录机制磁记录机制 写：将磁层表面单元磁化，极性区别写：将磁层表面单元磁化，极性区别“0”、“1” 读：磁化单元的磁通，产生感应电势，方向区别读：磁化单元的磁通，产生感应电势，方向区别“0”、“1” 水平记录、垂直记录水平记录、垂直记录磁记录原理磁记录原理读、写过程读、写过程 写入：写入：记录介质在磁头下匀速通过记录介质在磁头下匀速通过,磁头线圈中通入一定方磁头线圈中通入一定方向和大小的电流向和大小的电流,则会在介质上形成一个磁化单元则会在介质上形成一个磁化单元. 电流方电流方向不同向不同,则磁化

31、方向也不同则磁化方向也不同.一个磁化方向规定为一个磁化方向规定为“0”,另一另一个磁化方向就规定为个磁化方向就规定为“1”. 读出：读出：记录介质在磁头下匀速通过时记录介质在磁头下匀速通过时,读出线圈会感应出电读出线圈会感应出电压压,磁化方向不同磁化方向不同,则感应电压就不同则感应电压就不同,对感应电压进行放大对感应电压进行放大和整型和整型,就可以读出就可以读出“0”或或“1”.磁表面记忆原理磁表面记忆原理记录方式记录方式磁记录方式又称为编码方式磁记录方式又称为编码方式，它是按某种规律，它是按某种规律，将一串二进制数字信息变换成磁表面相应的磁将一串二进制数字信息变换成磁表面相应的磁化状态。化状

32、态。磁记录方式对记录密度和可靠性都有很大影响。磁记录方式对记录密度和可靠性都有很大影响。常用的编码方式有：常用的编码方式有：1. 1.归零制（归零制（NZNZ）2.2.不归零制（不归零制（NRZNRZ） 3.3.见见 1 1 就翻的就翻的 NRZ1NRZ14.4.调相制调相制 （PMPM）5.5.调频制调频制 （FMFM）6.6.改进调频制（改进调频制（MFMMFM）磁表面存储器的磁记录原理磁表面存储器的磁记录原理 （1） 归零制（归零制（RZ） 正脉冲电流表示正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示，负脉冲电流表示“0”； 不论记录不论记录“0”或或“1”，在记录下一个信息前，记录电，在记录下一

33、个信息前，记录电流恢复到零电流。流恢复到零电流。 简单易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，简单易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，一般是先去磁后写入。一般是先去磁后写入。 具有自同步能力（能从磁头读出信号中分离获得同步信具有自同步能力（能从磁头读出信号中分离获得同步信号）号） （2）不归零制（）不归零制（NRZ） 磁头线圈始终有电流，电流方向见变就翻磁头线圈始终有电流，电流方向见变就翻 对连续记录的对连续记录的“1”和和“0”，写电流的方向是不改变的。，写电流的方向是不改变的。 无自同步能力。无自同步能力。011100010011100010磁表面存储器的磁记录原理磁表面存储器

34、的磁记录原理 （3 3）见）见“1”1”就翻的不归零制（就翻的不归零制（NRZ1NRZ1） 磁头线圈始终有电流通过。磁头线圈始终有电流通过。 在记录在记录“1”时，电流改变方向，写时，电流改变方向，写“0”电流保持不变。电流保持不变。 不具备自同步能力，需要引用外同步信号不具备自同步能力，需要引用外同步信号 （4）调相制（）调相制（PM）：又称为相位编码（）：又称为相位编码（PE） 记录数据记录数据“0”时，规定磁化翻转的方向由负变为正，记时，规定磁化翻转的方向由负变为正，记录数据录数据“1”时从正变为负时从正变为负 “0”，“1”的读出信号相位不同，抗干扰能力强的读出信号相位不同，抗干扰能力

35、强磁带多用此方式磁带多用此方式 具有自同步能力具有自同步能力011100010011100010磁表面存储器的磁记录原理磁表面存储器的磁记录原理 （5）调频制（）调频制（FM） 频率变化（频率变化（“1”的频率是的频率是“0”的两倍）的两倍） 在位与位之间的边界处都要翻转一次在位与位之间的边界处都要翻转一次 具有自同步能力。具有自同步能力。 用于软硬磁盘用于软硬磁盘 （6）改进调频制（）改进调频制（MFM） 不是在每个位周期的起始处都翻转。当连续两不是在每个位周期的起始处都翻转。当连续两个或两个以上个或两个以上“0”时，在位周期的起始位置翻时，在位周期的起始位置翻转一次。转一次。 具有自同步能

36、力具有自同步能力011100010011100010磁记录方式编码方式磁记录方式编码方式NRZ1MFM 写电流波形的形式011100010RZNRZPMFM在每一位的起点电流都反转只有在连续多个“0”时，起点电流才反转，密度高。见1就翻见变就翻无电流、空白，密度低评价记录方式的主要指标评价记录方式的主要指标 编码效率编码效率：是指位密度与磁化翻转密度的比值，用：是指位密度与磁化翻转密度的比值，用记录一位信息的最大反转次数表示记录一位信息的最大反转次数表示 FM、PM：最多反转：最多反转2次，效率次，效率50 NRZ、NRZ1、MFM：最多反转：最多反转1次，效率次，效率100 自同步能力自同步

37、能力 自同步能力是指从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步自同步能力是指从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步脉冲的难易程度。脉冲的难易程度。 外同步：从专门设置的用来记录同步信号的磁道中取得外同步：从专门设置的用来记录同步信号的磁道中取得同步脉冲。同步脉冲。 NRZ、NRZ1 自同步：记录方式中隐含同步信息自同步：记录方式中隐含同步信息 PM、FM、MFM 自同步能力自同步能力(R)最小反转间隔最小反转间隔/最大反转间隔最大反转间隔 FM：R=1/2NRZ1的读出代码波形的读出代码波形0 1 1 0 0 1 0数据序列数据序列驱动电流驱动电流磁通变化磁通变化同步脉冲同步脉冲读出代码读出代码感应电势感

38、应电势( (写入写入) )( (磁化单元磁化单元) )( (读出读出) )硬磁盘存储器硬磁盘存储器硬盘的发展硬盘的发展和几个指标和几个指标1956年，美国IBM公司研制成第一个商品化的硬磁盘。1973年，IBM又发明了温彻斯特(温氏)磁盘，简称温盘。80年代以来，硬盘随微机的普及而广泛使用。硬盘的几个指标： 体积：体积：5.25英寸/全高、3.5英寸/半高(台式PC)；2.5英寸(笔记本PC)容量：容量： 1040MB(8086/286) 80GB(目前)传输速率：传输速率： 100KB/s 50MB/s平均寻道时间：平均寻道时间： 80ms 5ms转速：转速： 目前大约为7200转/s。磁盘

39、类型磁盘类型 固定磁头磁盘存储器和移动磁头磁盘存储器固定磁头磁盘存储器和移动磁头磁盘存储器 固定磁头磁盘存储器固定磁头磁盘存储器：磁头位置固定不变，磁盘：磁头位置固定不变，磁盘上每个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换。上每个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换。 移动磁头磁盘存储器移动磁头磁盘存储器：磁头在片面上做径向运动。：磁头在片面上做径向运动。 可换盘磁盘存储器和固定盘磁盘存储器可换盘磁盘存储器和固定盘磁盘存储器 可换盘磁盘存储器可换盘磁盘存储器：盘片可以更换，脱机保存。：盘片可以更换，脱机保存。 固定盘磁盘存储器固定盘磁盘存储器：盘片不可更换。：盘片不可更换。磁盘类型（示意图）磁盘类型（

40、示意图）磁道磁道固定磁头固定磁头移动磁头移动磁头移动磁头多盘片磁盘移动磁头多盘片磁盘温 彻 斯 特 磁 盘 存 储 器温 彻 斯 特 磁 盘 存 储 器（温盘）（温盘）是一种可移动是一种可移动磁头固定盘片的磁盘存磁头固定盘片的磁盘存储器，采用密封组合式储器，采用密封组合式结构，将磁头、驱动部结构，将磁头、驱动部件、盘体、读写电路及件、盘体、读写电路及主轴驱动机构等封装在主轴驱动机构等封装在一起形成一个不能随意一起形成一个不能随意拆卸的整体（叫做拆卸的整体（叫做头盘头盘组合体组合体），具有防尘性），具有防尘性好、可靠性高等优点。好、可靠性高等优点。温盘温盘硬磁盘存储器的结构硬磁盘存储器的结构 硬

41、磁盘存储器有磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片组成。主机磁盘控制器磁盘驱动器盘片磁盘驱动器的结构及定位驱动系统磁盘驱动器的结构及定位驱动系统磁盘驱动器又称磁盘机，包括主轴、定位驱动系统和数据控制等磁盘驱动器又称磁盘机，包括主轴、定位驱动系统和数据控制等.磁盘控制器磁盘控制器 磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。 磁盘控制器内部包含两个接口：磁盘控制器内部包含两个接口： 对主机的接口，称作系统级接口；二是对硬盘（设备）的接口，称作设对主机的接口，称作系统级接口；二是对硬盘（设备）的接口，称作设备级接口。备级接口。 磁盘控制器与主机之间的界面比较清晰，只与主机

42、的系统总线磁盘控制器与主机之间的界面比较清晰，只与主机的系统总线打交道，即数据的发送或接收，都是通过总线完成的。打交道，即数据的发送或接收，都是通过总线完成的。 磁盘控制器与驱动器之间的界面则可以放在多个不同的位置。磁盘控制器与驱动器之间的界面则可以放在多个不同的位置。驱动器驱动器硬磁盘的磁道记录格式硬磁盘的磁道记录格式 定长记录格式 不定长记录格式磁道磁道(Track(Track)：磁面上均匀分布的同心圆存储轨迹。最外层为0磁道。盘面盘面：磁盘组由多个同轴盘片组成，每个盘片都是双面存储，第一个盘片的第一面为0磁面，下一个为1磁面；第二个盘片的第一面为2磁面，以此类推。扇区扇区(Sector(

43、Sector)：磁道上等弧度划分的扇段。一般一个扇区的存储容量为512字节。柱面柱面(Cylinder(Cylinder)：各个盘面上同一编号磁道的组合。定长记录格式定长记录格式盘体、磁道、扇区和柱面盘体、磁道、扇区和柱面信息交换通常在柱面上进行。柱面个数等于磁道数。信息交换通常在柱面上进行。柱面个数等于磁道数。柱面号就是磁道号，磁头号则是盘面号。柱面号就是磁道号，磁头号则是盘面号。单个扇区磁道磁道磁道磁盘地址：台号磁道号盘面号扇段号定长记录格式定长记录格式硬盘上的数据分布硬盘上的数据分布磁盘地址：台号磁道号盘面号扇段号定长记录格式定长记录格式ISOT型磁道记录格式型磁道记录格式 结构简单，可

44、按柱面号、盘面号、扇段号进行直接寻址，但是记录区的利用率不高。头空 序标数据（512字节）检验字段尾空R0R1R2R11运动方向运动方向扇区标志0和磁道标志 扇区标志1扇区标志2扇区标志11扇标脉冲一个扇段（记录块）下一扇段不定长记录格式不定长记录格式IBM2311盘的不定长度磁道记录格式IDG1HAG2R0G3R1G2Rn磁道格式标志F柱面号C C磁头号C C块号 R键长KL数据长度DL DL校验C CG2关键字Key校验C CG2数据D校验C C起始标志间隙磁道地址块磁道标识块间隙间隙数据块间隙数据块数据块计数区关键字区数据区 定长记录格式：若文件长度不是定长记录的整数倍时，往往造成记录块

45、的浪费 不定长记录格式：根据需要来决定记录块的长度，如IBM2311、2314等磁盘驱动器。硬磁盘存储器的发展方向硬磁盘存储器的发展方向1.半导体盘半导体盘用半导体材料制成的用半导体材料制成的“盘盘”，实际上它并没有盘，而是，实际上它并没有盘，而是以半导体芯片为核心，加上接口电路和其他控制电路组以半导体芯片为核心，加上接口电路和其他控制电路组成的，在功能上模拟硬盘。成的，在功能上模拟硬盘。EEPROMFlash Memory2.提高磁盘记录密度提高磁盘记录密度3.提高传输率和缩短存取时间提高传输率和缩短存取时间提高主轴转速提高主轴转速磁盘磁盘Cache4.采用磁盘阵列采用磁盘阵列RAID将并行

46、处理技术引入磁盘系统。使用多台小型温盘构成将并行处理技术引入磁盘系统。使用多台小型温盘构成同步化的磁盘阵列，数据分开存放。但是从外部看来有同步化的磁盘阵列，数据分开存放。但是从外部看来有时一个整体，可以像操作一台温盘那样操作磁盘阵列，时一个整体，可以像操作一台温盘那样操作磁盘阵列，使数据传输时间为单台盘的使数据传输时间为单台盘的1/n(n为并行驱动器的个数为并行驱动器的个数)。软盘、磁带、光盘软盘、磁带、光盘软盘存储器软盘存储器 软盘，也称软磁盘（软盘，也称软磁盘（floppy disk）。）。 软盘盘片是用类似塑料薄膜唱片的柔性材料制成的，软盘盘片是用类似塑料薄膜唱片的柔性材料制成的，表面涂

47、有厚为表面涂有厚为2.33.0m的磁层。的磁层。 按直径有按直径有8英寸，英寸，5.25英寸，英寸，3.5英寸等几种。英寸等几种。 盘片尺寸越小，记录密度越高，受温度影响也小，盘片盘片尺寸越小，记录密度越高，受温度影响也小，盘片不易变形，能保证读写的精度。不易变形，能保证读写的精度。 随着技术的进步，随着技术的进步，8英寸，英寸，5.25英寸已经被淘汰。英寸已经被淘汰。目前尚在使用的软盘是目前尚在使用的软盘是3.5英寸的软盘，但是也已英寸的软盘，但是也已处于将被淘汰的地位。处于将被淘汰的地位。磁带存储器磁带存储器 磁带存储器由磁带和磁带机两部分组成。磁带存储器由磁带和磁带机两部分组成。 磁带磁

48、带 磁带长度：磁带长度：2400英尺、英尺、1200英尺、英尺、600英尺等英尺等 磁带宽度：磁带宽度：1/4英寸、英寸、1/2英寸、英寸、1英寸、英寸、3英寸等英寸等 记录密度：记录密度：800bpi、1600bpi、 6250bpi等等 磁带表面并行记录信息的道数：磁带表面并行记录信息的道数：7道、道、9道、道、16道道 磁带机磁带机 磁带机规模：标准半英寸磁带机、海量磁带机和盒式磁带机规模：标准半英寸磁带机、海量磁带机和盒式磁带机磁带机 磁带机走带速度：高速磁带机（磁带机走带速度：高速磁带机（45m/s）、中速磁带）、中速磁带机（机（23m/s）和低速磁带机（）和低速磁带机（2m/s以下

49、）。磁带的数以下）。磁带的数据传输率取决于记录密度和走带速度。据传输率取决于记录密度和走带速度。 按磁带记录格式分：起停式和数据流式两种。现代计按磁带记录格式分：起停式和数据流式两种。现代计算机系统中用的更多的是数据流磁带机。算机系统中用的更多的是数据流磁带机。数据流磁带机数据流磁带机 数据流磁带机数据流磁带机将数据连续写在磁带上，在数据块将数据连续写在磁带上，在数据块之间插入记录间隙，这样磁带机在数据块之间不之间插入记录间隙，这样磁带机在数据块之间不用起停。用起停。 而起停式磁带机在数据块之间是需要启动和停止。而起停式磁带机在数据块之间是需要启动和停止。 数据流磁带机采用串行读写方式。数据流

50、磁带机采用串行读写方式。 而起停式磁带机采用并行读写方式。而起停式磁带机采用并行读写方式。1道3道0道2道BOTEOT磁带的记录格式磁带的记录格式 磁带机与主机之间进行信息传送的最小单位是数据磁带机与主机之间进行信息传送的最小单位是数据块或叫块或叫记录块记录块。 记录块的长度可以是固定的，也可以是变化的。记录块的长度可以是固定的，也可以是变化的。 记录块之间有空白记录块之间有空白间隙间隙，是磁头停靠的地方（惯性缓，是磁头停靠的地方（惯性缓冲）。冲）。 记录块尾部有几行特殊的标记，表示数据结束。记录块尾部有几行特殊的标记，表示数据结束。 磁带信息的校验属于多重校验磁带信息的校验属于多重校验 由横

51、向奇偶校验（多道（位）、循环冗余校验（纵向，由横向奇偶校验（多道（位）、循环冗余校验（纵向，数据块）和纵向奇偶校验共同完成。数据块）和纵向奇偶校验共同完成。起始间隙数据块标记数据记录尾标记校验码块间间隙记录块BOT光盘存储器光盘存储器光存储技术是一种通过光学方法读出和写入数据的数字存储技术。 最早的光盘存储系统是CD(Compact Disc:数字激光唱片)和LD(Laser Disc:激光视盘，模拟方式)。将CD进行纠错方面的改进后用于计算机数据存储。数据轨道中心孔空白区7.5mm17.5mm60mmCDCD格式光盘格式光盘光盘存储器光盘存储器光盘存储技术特点光盘存储技术特点 记录密度高，存

52、储容量大。单张光盘一般容量都在记录密度高，存储容量大。单张光盘一般容量都在550MB以上。以上。 采用非接触方式读采用非接触方式读/写，没有磨损，可靠性高。写，没有磨损，可靠性高。 可长期保存信息。可长期保存信息。 成本低廉，易于大量复制。成本低廉，易于大量复制。 存储密度高，体积小。存储密度高，体积小。 属于易更换存储媒体，能自由更换盘片。属于易更换存储媒体，能自由更换盘片。 光盘的数据存取速率比磁盘低，因此还不能完全取代光盘的数据存取速率比磁盘低，因此还不能完全取代磁盘。磁盘。光盘存储器的分类光盘存储器的分类 第一代光存储技术第一代光存储技术：通常把采用非磁性介质进行：通常把采用非磁性介质

53、进行光存储的技术，称作第一代光存储技术（不能把光存储的技术，称作第一代光存储技术（不能把内容抹掉重写）。内容抹掉重写）。 第二代光存储技术第二代光存储技术：使用磁性材料作存储介质，：使用磁性材料作存储介质，利用激光在磁记录介质上存储信息（也叫做磁光利用激光在磁记录介质上存储信息（也叫做磁光存储技术）。其主要特点是可擦洗重写。存储技术）。其主要特点是可擦洗重写。 近几年出现了许多光盘产品，得到广泛使用的有近几年出现了许多光盘产品，得到广泛使用的有以下几种：以下几种： 只读光盘（只读光盘（CD-ROM） 写一次读多次光盘（写一次读多次光盘（WORM、CD-R） 可擦光盘（可擦光盘（ CD-RW）

54、光盘的存取原理光盘的存取原理 只读型光盘的读/写原理 可擦写光盘的读/写原理只读型光盘的读只读型光盘的读/写原理写原理 形变形变 对对CD-ROM和和WORM光盘写入时，将激光束聚焦成直径小光盘写入时，将激光束聚焦成直径小于于1m的微小光点，以其热作用，融化盘表面上的光存储的微小光点，以其热作用，融化盘表面上的光存储介质薄膜，在薄膜上形成凹坑，有坑为介质薄膜，在薄膜上形成凹坑，有坑为“1”，无坑为，无坑为“0”。 读出时，凹坑边缘反射的光有变化，信息为读出时，凹坑边缘反射的光有变化，信息为“1”，平坦处，平坦处反射的光无变化，信息为反射的光无变化，信息为“0”。由于读出光束的功率只有写入光束功

55、率的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，因此不会融出新的凹坑。凹坑。 相变相变 有些光存储介质在激光照射下，晶体结构会发生变化，利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光学特性（如反射率和折用介质处于晶态和非晶态区域的光学特性（如反射率和折射率）不同，进而记录和读取信息。射率）不同，进而记录和读取信息。CD盘上凹痕和平面的转换盘上凹痕和平面的转换可擦写光盘的读可擦写光盘的读/写原理写原理 磁光磁光(MO)存储存储 记录原理：记录原理：在一定温度下在一定温度下,如果在磁记录介质的表面上加如果在磁记录介质的表面上加一强度低于该介质

56、矫顽力的磁场，则不会发生磁通翻转，一强度低于该介质矫顽力的磁场，则不会发生磁通翻转，也就不能记录信息。假如我们提高温度使得降低矫顽力，也就不能记录信息。假如我们提高温度使得降低矫顽力，使其低于外加磁场强度，则将发生磁通翻转。利用激光使其低于外加磁场强度，则将发生磁通翻转。利用激光照射磁性薄膜，被照射处温度上升，矫顽力下降，在外照射磁性薄膜，被照射处温度上升，矫顽力下降，在外加磁场加磁场HR的作用下发生磁通翻转，使该处的磁场方向与的作用下发生磁通翻转，使该处的磁场方向与外加磁场外加磁场HR一致，可视为寄存一致，可视为寄存“1”。而不被照射或。而不被照射或HR小于矫顽力处可视为寄存小于矫顽力处可视

57、为寄存“0”。 信息擦除：信息擦除：抹除信息和记录信息的原理一样，外加一个抹除信息和记录信息的原理一样，外加一个和记录方向相反的磁场，对已记录信息的介质用激光束和记录方向相反的磁场，对已记录信息的介质用激光束照射，使照射区反方向磁化，从而恢复到记录前的磁化照射，使照射区反方向磁化，从而恢复到记录前的磁化状态。状态。磁光记录原理磁光记录原理 读出信息：读出信息：在磁光记录中利用在磁光记录中利用克尔效应实现光学读出。根据克尔效应实现光学读出。根据磁化介质的相互作用，这种效磁化介质的相互作用，这种效应表现为光的偏振态的变化。应表现为光的偏振态的变化。反射时，克尔效应使偏振光的反射时，克尔效应使偏振光

58、的偏振面发生较小的转动。根据偏振面发生较小的转动。根据磁化方向不同，转动的方向可磁化方向不同，转动的方向可正可负，代表了介质上的记录正可负，代表了介质上的记录的的“0”、“1”信息。信息。 这种利用激光的热作用改变磁这种利用激光的热作用改变磁化方向来记录信息的光盘，叫化方向来记录信息的光盘，叫做做“磁光盘磁光盘”。光盘存储器的组成光盘存储器的组成 光盘存储器的组成 盘片 驱动器 控制器 驱动器：由读写头、寻道定位机构、主轴控制系统等组成。除了机械电子机构外，还有光学机构。写一次型光盘光学系统示意写一次型光盘光学系统示意CRC校验码校验码CRC（Cyclic Redundancy Check）

59、CRC：各类介质存储器、数据通信：各类介质存储器、数据通信 基于模基于模2运算：不考虑进位和借位运算：不考虑进位和借位 模模2加减运算：异或（相同为加减运算：异或（相同为“0”，不同为，不同为“1”） 模模2乘：按模乘：按模2加求部分积之和加求部分积之和 模模2除：按模除：按模2减求部分余数减求部分余数部分余数首位为部分余数首位为1，商，商1部分余数首位为部分余数首位为0，商，商0每上商一次，部分余数减少一位。部分余数位数少每上商一次，部分余数减少一位。部分余数位数少于除数位数时，结束于除数位数时，结束模模2运算举例运算举例011101000110 1010X 10110100000 1010

60、 1000101000010110110100100000100101001余数01CRC校验步骤校验步骤 CRC生成生成 将将n位数据位数据Dn-1,D0用用n-1次多项式次多项式M(x)表示，即表示，即M(x) Dn-1xn-1 + Dn-2xn-2 + D1 x1 + D0 x0 将将M(x)左移左移k位（补位（补0），即得：），即得：M(x)*xk 将将M(x)*xk除以除以k+1位的位的生成多项式生成多项式G(x)，余数即，余数即为为k位的位的CRC校验位校验位 将将CRC校验位拼装在校验位拼装在Dn-1,D0之后，成为之后，成为n+k位位数据，也称（数据，也称（n+k，n）码。）码