第六章-存储系统.ppt

1、1，第六章存储系统，本章主要内容：内存分类，技术指标，各种存储原理，主内存组织，高速缓冲存储器，外部内存，物理存储系统组织，虚拟存储系统组织，2，第一节概要，6.1.1内存分类， 存储有速度快、容量有限的(内存、主内存)、(2)外部存储器、大量的备份程序和数据。 (3)高速缓冲存储器，保存CPU在当前短时间内多次使用的程序和数据。速度快、容量小、3、2 .按访问方式、随机访问：可按地址读写任意存储器单元、(1)随机访问存储器(RAM )、访问时间与单元地址无关。 (2)只读存储器(ROM )、随机访问存储器等特殊情况下，不能读写。 (3)顺序访问存储器(SAM )时，读取/写入单元依次查找目标

2、地址，访问时间与数据的位置有关。 (4)直接访问存储器(DAM )时，读取/写入单元首先指定小的区域，然后在该区域内依次进行检索。 访问时间取决于数据的位置。 4，3 .按存储介质分类，(1)核心存储器利用不同的剩馀磁化状态存储信息，容量小，速度慢，体积大，可靠性低。 被淘汰的(2)半导体存储器、MOS型、双极型、集成度高、功耗低、主存储、集成度低、功耗大、速度快、Cache、容量大、长期保存信息，在磁层上不同方向的磁化区域显示信息。 无损读取，外部保存。 (3)磁表面存储器的速度慢。 5、(4)磁盘存储器，速度慢。 通过激光控制、有无光点来显示信息。 容量大，无损读取，长期保存，外部保存。

3、4 .按信息的可保存性进行分类，关机后信息消失，易失性(易失性)存储器，关机后信息也被保存，永久存储器，6.1.2主存储的主要技术指标，1 .存储容量，主存储能存储的二进制信息总量。 6、2 .存取速度、存取时间、存取周期、存取时间、读写时间、读写周期、3 .可靠性、在规定时间内内存没有故障的读写概率。 用平均故障时间测量。 4 .访问宽度，一次可以访问的数据的位数或字节数。 常用容量单位：字节、KB、MB、GB、TB、7、第2节的存储原理、6.2.1半导体存储器的存储原理、MOS型、电路构成、PMOS、NMOS、CMOS、工作方式、静态MOS、动态MOS、存储信息原理、静态存储器Sr 功耗小

4、，容量大，速度快，是主记忆。 功耗大，速度快，Cache。 按照制造过程、双极型、电容积蓄电荷的原理来积蓄信息。 8、1 .半导体静态存储器的存储原理，(1)构成，T1、T3:MOS反相器，Vcc，触发器，T2、T4:MOS反相器，T5、T6 :控制栅，z、z :字线，选择存储单元，w，(2)。 有1:t1关闭，T2打开。a、b、9、(3)动作、T5、T6 on，选择此设备。 z :加上高电平，(4)保持，Vcc、w、z加上低电平，T5、T6截止，位线和触发器电路分离，保持原来的状态。 静态单元是非破坏读出，读出后不需要改写。 10、2 .半导体动态存储器的存储原理、(1)四管单元、(a )组

5、成、T1、T2 :存储管、C1、C2 :栅极电容、T3、T4 :控制栅、z :字线、(b )定义、“0”:T1接通、T2断开、“1”:T1断开，(c-1没有电荷，c-2有电荷)。 (c )动作，z变为高电平，T3、T4接通，对该单元进行检查。11、(d )保持，z为低电平，T3、T4断开，该单元未被选择而保持原来的状态。 因为有必要定期地向容量补充电荷(动态更新)，所以被称为动态。 四管单元为无损读出，读出过程实现刷新。(12 )单管单元，组成，c :存储器单元，t :控制栅，z :字线，w :位线，定义，保持，写入： z高电平，t导通，w写入高电平/低电平，1/0。 读取： w先预充电，关闭

6、充电电路，提高z:l电平，t off，该单元未被选择，保持原来的状态。 单管单元是破坏性的读取，读取后需要改写。 “0”:C无电荷、电平V0 (低)、“1”:C有电荷、电平V1 (高)、动作、z上升电平、t导通； 根据w线电位的变化，读取1/0。 13，6.2.2磁表面存储器的存储原理，1 .记录介质和磁头，介质：磁层(磁薄膜)附着在基体上，磁头：读写单元，2 .读写原理，(1)向写入、磁头线圈施加磁化电流(写入电流)，移动磁层，使磁(2)读取、磁头线圈没有电流流过，磁层移动。 当位单元的迁移区域通过磁头下时，在线圈的两端产生感应电位。 14、3 .磁记录编码方式、写入电流波形的构成方式。 提

7、高可靠性，提高记录密度，、2 )归零制(NRZ )、001101、0、t、迁移区少，没有自同步能力。 不是15，(3)零-1制(NRZ1)，写1时电流极性不变，写0时电流极性不变。 001101、迁移区少，没有自同步能力。 的双曲正切值。 (4)相位调制(PM )，001101，、迁移区多，有自同步能力。 的双曲正切值。 的双曲正切值。 (5)频率调制(FM )也称为相位编码(PE )，在每一个单元中有极性的变化，当写入16，1时，位单元的中间电流发生变化，相邻的0边界电流发生变化。 迁移区少，具有自我同步能力。 的双曲正切值。 (6)改良型频率调制方式(MFM )，001101，(7)分组编

8、码方式(GCR )，记录编码中连续的0为2个以下，用NRZ1写入。 迁移区少，具有自我同步能力。 的双曲正切值。 17，6.2.3光存储器存储原理，1 .变形型光盘，(1)定义，有孔1，无孔0，(2)写入，写入1，高功率激光照射介质，坑形成，写入0，不发射激光束，介质不变。 (3)读取、低功率激光器扫描轨道，根据反射光的强弱判断是1还是0。 应变不可逆，不可重写，2 .相变型光盘，写，写1，高功率激光照射介质，结晶粒径变大写0，不发射激光束，晶粒不变。 读取、低功率激光器扫描光路，根据反射率的不同判断是1还是0。 相变可逆，可改写，18，3 .光磁型光盘，可改写，写入前：施加磁场将介质改变磁化

9、方向，读取，热磁效应写入，光磁效果读取，写入1，通过激光照射和施加磁场改变磁化方向，写入0，不照射的区域低功率激光器扫描光路，根据反射光的偏转角度判断是1还是0。 第三节主内存组织，6.3.1主内存逻辑设计，需要解决：芯片选择，地址分配和芯片选择逻辑，信号线连接。 写入，19，例如某半导体存储器，总容量4KB。 其中硬化区域为2KB，选择EPROM芯片2716(2Kx8/张)的工作空间为2KB，选择SRAM芯片2114(1Kx4/张)。 地址总线A15A0(行)、双向数据总线D7D0。 给出了地址分配和切片逻辑，并绘制了逻辑框图。 (1)计算芯片数，ROM区域： 2Kx81张2716，RAM区

10、域：位扩展，2张1Kx4，1kx8，2组1kx 8，2KB，4张2114，字扩展，(2)地址分配和芯片选择逻辑，存储器地址逻辑，芯片内地址分配存储空间分配： a 15 a 14 a 13 a 12a 11 a9a 0，0000，1011，1000，4kb是12位地址：ROM，a1a 0，64kb，2KB，1Kx4，RAM，1kx 4，1kx 4，芯片地址芯片选择信号芯片选择逻辑，2K，1K，1K，a1a0a0，A9A0，A9A0，CS0，CS1，CS2，A11，a1a10，a1a10，21，(3)连接方式，扩展位数，4，a1a0a0， 连接控制线，4，4，4，4， 芯片选择逻辑电路，22，2

11、.动态存储器的刷新，单管理存储器单元：定期向容量补充电荷，最大刷新周期：2ms，刷新方法：各芯片同时在芯片内逐行刷新时间，刷新、读/写/保持：动态更新：从更新地址计数器提供行地址、定时更新。 在2ms内集中配置所有更新周期、死区，在实时要求不高的情况下使用。 (1)集中更新，2ms，50ns，23，(2)分散更新，各更新周期被分散配置在访问周期。 在100ns、低速系统中，2ms、例子.各更新周期分散配置在2ms以内。 大多数计算机每隔128行、15.6微秒和15.6微秒发出一次刷新请求，以在刷新一行的2毫秒内刷新所有行。15.6微秒、15.6微秒、15.6微秒、更新请求、(DMA请求)、(3

12、)异步更新、更新请求、(DMA请求)、24， 6.3.2主存储器与CPU的连接，(2)大系统模式，(1)最小系统模式，1 .系统模式，(3)专用存储器总线模式，2 .速度匹配和定时控制，总线周期，时钟周期，异步控制同步控制，扩展同步控制，CPU 访问动作，25，3 .数据路径匹配，解决主存储器和数据总线间的宽度匹配，8086存储器匹配方式如下：4 .主存储器的控制信号，读写命令，存储器选择命令等26， 6.3.3奔腾CPU和存储器组织1 .主存储器连接和读写组织通过系统控制器连接了CPU和主存储器，1 )非流水线周期，基本存储周期为2个时钟周期，非流水线的读周期定时，28 )，(2)待机状态周

13、期能够在四个待机状态的读周期定时中插入(29 )、(3)突发周期，并以该一个突发周期的五个时钟周期传输四个64位的数据，直至该数据变得有效。30、6.3.4高级DRAM、1 .增强DRAM、CMOS制造流程改进、小容量SRAMCache集成、带Cache的DRAM、SRAM内存矩阵集成、3 .同步DRAM(SDRAM )、两个交互式内存阵列和CP DLL技术5.RambusDRAM，主要解决内存带宽问题，6.RamLink，主要改进处理器和内存接口，31，第四节高速缓存Cache，6.4.1Cache的工作原理，原理：程序和数据访问的Cache和CPU与主记忆的关系，32，6.4.2 Cach

14、e的组织，1 .地址映像，(1)直接映像，主记忆的页面只能复制到某个一定的cache页面。 虽然实现起来容易，但却缺乏灵活性，Cache可以在Cache的任意页上图像与主存储区域大小相同的页(块)、33、(2)全连接图像，以及主存储的各页。 形象的关系很灵活，但速度很慢。 34、(3)组连接图像，主存储器和Cache分组，比直接图像灵活，比全相关图像快。 主页和Cache组编号的固定图像、Cache组中的自由图像、35，2 .替换算法、(1)高级先入先出算法FIFO，(2)最近使用算法LRU将页面捕获到Cache中的顺序最近使用最少的页面首先调用，3 .将Cache的读写过程、读取、主地址同时

15、发送到主地址和Cache、Cache，Cache失败，从主存储中读取、写回方法、写回方法，同时写入Cache和主存储，访问数据Cache页面交换后，写入主存储器，在36，4 .多级Cache存储器、片上Cache(L1 )、片上Cache(L2 )、CPU芯片内集成Cache，并在主板上实施Cache 指令和数据是单独的Cache，避免指令预取和执行单元之间的Cache冲突。l1、6.4.3奔腾ii CPU的Cache组织，L1(32K )将Cache分离，L2(512KB )、16K数据16K命令、四路组连接在一起，37、双独立总线、数据Cache的一致性，MESI协议第5节外部存储器、主要

16、技术指标、存储密度单位长度内存储的二进制位数、存储容量：一台外部存储器能存储的二进制信息总量、主要特征：大容量、永久存储、位密度、面密度、单位面积内存储的二进制位数、作用：暂时不执行访问的程序速度指标、平均地址时间、数据传输率、平均查找时间、平均旋转延迟、Kb/s、Kb/s、位错误率：读取时发生错误的概率为6.5.1硬盘存储器、1 .硬盘存储器的基本结构和分类在频繁地被调用的情况下硬盘，硬盘驱动器，硬盘适配器，硬盘控制逻辑和接口，磁盘，磁头，定位系统，驱动器系统，配置，39，判别是否可以更换硬盘，固定5.25、3.5、2.5英寸、1.8、1.3英寸、2 .信息分布、磁盘组：多张磁盘、双面记录。 各记录面上相同编号的轨道构成一个圆柱面。 圆柱面：扇区(固定长度记录格式)、数据块、记录块(不定长度记录格式)、未扇区化的轨道：盘旋转一周，磁化区域构成的闭合圆环、40、存储密度、轨道密度、位密度、单位长度内的轨道数、非格式容量、=内圈位密度内圈周长轨道数/面数、格式容量、=扇区