计算机存储系统.ppt

1、2020/7/15，1，第4章存储系统、存储的主要功能是存储计算机程序和数据。它不仅用于存储用户程序，还用于存储操作系统等系统程序。通常，主机内部的存储称为内部或主存储，主机外部的存储称为外部或辅助存储。很多时候我们说存储器，实际上是指主存储器，经常用M表示。2020/7/15，2，存储通常指存储硬件。管理存储硬件和存储的软件构成了存储系统。主内存和外部内存是两个独立工作的内存。主存储速度高，存储容量小，外部存储容量大，速度低。使用硬件和软件控制将主内存和次内存有机配置为满足CPU的存储容量和速度要求，从而配置存储系统。2020/7/15，3，缓存：芯片上，芯片外，内存，内存：硬盘，磁盘，US

2、B磁盘，网络存储/云存储，内存元素？纸吗？2020/7/15，4，内存元素，美国物理学家王安于1950年提出了利用磁性物质制造存储器的想法。福雷斯特把这个思想变成了现实。为了储存核心，福雷斯特需要有非常明确的磁化阈值的物质。他找了一家在新泽西生产电视用铁氧体转换器的公司的德国老陶瓷专家，利用熔融铁矿和氧化物获得了特定的磁性。磁化的明确阈值是设计的核心。这种电线的网格和灯芯编织在电线网上，被称为灯芯存储，相关专利对计算机开发非常重要。这个方案可靠稳定。磁化是相对永久的，因此即使系统断电，存储的数据也保持不变。磁场能以电子的速度读取，所以能进行交互式计算。此外，由于是线框，因此可以访问存储阵列的任

3、何部分。也就是说，徐璐其他数据可以存储在导线网络上的徐璐其他位置，只要读取该位置的一束位就可以立即访问。这称为随机存取记忆体(RAM)，是互动式运算的创新概念。福雷斯特把这项专利转让给了麻省理工学院，大学每年获得1500万2000万美元。首先获得这些专利许可的是IBM，IBM最终得到了在北美防卫军事基地设置“旋风”的商业合同。更重要的是，自20世纪50年代以来，所有大型和中型计算机也采用了该系统。核心存储是20世纪50年代和60年代到70年代初计算机主内存的标准方式。2020/7/15，5，2020/7/15，6，4.1概述二进制位。多个存储组件构成一个存储单元。二进制数由多个位组成，当一个数

4、字作为一个整体存储在内存中或从内存中删除时，此数字称为存储单词。(David aser，Northern Exposure，二进制)地址：存储设备的编号。2020/7/15，7，存储单元可以存储整个单词、半形或多个字节，从而改变单词、字节和地址之间的寻址关系。徐璐其他寻址方式也可以获得相应的存储组织。字节、单词和存储组织(a)单词寻址；(b)字节寻址(C)字节寻址，2020/7/15，8，4.1.1存储的性能指标存储的性能指标是评估存储优劣的主要因素和存储选择的主要依据，主要性能指标包括存储容量、访问时间、可靠性、功耗和性能价格比，2000每个字节8位(位)。半导体存储器是由内存芯片以一定的方

5、式组成的。内存容量是构成内存的所有芯片容量的总和。2020/7/15，10，内存芯片的容量通过地址单位数乘以每个单元的数据位计算得出。SRAM 2114，地址行数=10，地址单位数=210=1024(1k)；数据位=4，因此容量为1K4。DRAM 4164，地址线数=8，由于地址重用技术，地址线数=16，地址单元数=216=64k2根数据线表示1位数据，因此容量为64K1。EPROM 2716，地址行11个，地址单位数211=2K是。数据位=8，因此容量为2KB。2020/7/15，11，2020/7/15，12；位容量：位容量的单位是位。因此，SRAM 2114、DRAM 4164和EPRO

6、M 2716的位容量分别为4K位、64K位和16K位。存储容量单位包括b(字节)、KB、MB、GB和TB。它们之间的关系为1tb=1024 GB=(1024)4b=240 b 1gb=1024 MB=(1024)3b=230 b 1mb=1024 kb=(1024)2记录和通常是MCTMAT。MCT几乎等于MAT加上从M传递到CPU内部寄存器的时间。2020/7/15，15，3使用了检查码以提高可靠性存储。存储的可靠性用平均无故障时间平均平均平均平均平均平均故障时间平均故障时间平均(Mean Time Between Failures，MTBF)表示。2020/7/15，16，4性能/价格比其

7、他用途，对M性能的要求也不同。很多情况下，使用以下公式购买存储：单位：元/KB、元/MB、元/GB、2020/7/15，17，4.1.2存储分类1按存储介质分类，磁性内存：用磁性材料涂在托架表面，主要有磁盘、磁带、鼓。磁芯存储器磁表面存储器光存储器：利用光学原理用光学材料制造的存储器称为光存储器，主要是光盘。2020/7/15，18，半导体内存双极：访问速度可能很高(10ns以下)，但整合率低，功耗高，成本高，可以用作缓存(缓存)。MOS类型：整合程度高、耗电量低、成本低，但存取速度低，通常用作主要记忆体。2020/7/15，19，2按访问分类可分为RAM、SAM、DAM和ROM。1)随机访问

8、内存随机访问内存(RAM):可以随机访问任何设备上的信息，访问时间与存储的地址(位置)无关。主内存和高速缓存通常是RAM。核心内存也属于随机访问内存。2020/7/15，20，2)顺序访问存储序列访问内存(SAM):存储信息时，必须按地址顺序访问。因此，访问时间与存储单元所在的存储位置相关，或每个存储单元的访问时间不同。典型的SAM是磁带内存和只读光盘(CDROM)。2020/7/15，21，3)直接访问内存直接访问内存(DAM):兼具随机访问和顺序访问的特点。典型的DAM是磁盘内存。RAM只能访问特定的字节，DAM和SAM都可以访问数据区域。DAM类似于查找道路和扇区时的RAM寻址。扇区内访

9、问按顺序进行，类似于SAM。2020/7/15，22，4)只读内存只读存储器(ROM):只能读取存储的信息的存储。通常用于存档不需要长期更改的程序和数据。前者像ROMBIOS，后者像字符发生器。ROM可以由半导体材料和核心组成。2020/7/15，23，3按信息保留时间对非易失性存储进行分类：停电后信息丢失称为非易失性或非永久性存储。半导体ram之类的。其中动态RAM内存(DRAM)即使断电，存储信息也需要大约2毫秒。要长期存储信息，必须持续更新DRAM。非易失性存储：不丢失信息的永久性或非易失性存储。磁内存、光内存、半导体ROM都是非易失性内存。，2020/7/15，24，4按性能(速度/容

10、量)分类1)寄存器内存CPU经常配置数十到数百个通用寄存器。它的速度与CPU一致。用于存档要运行的数据和指令。2)缓存(缓存)高速小容量存储。速度接近CPU。CPU和M之间的缓冲内存。用于存储最常用且当前正在运行的命令和数据。对于PC，缓存容量通常为8256KB。2020/7/15，25，3)PC的主内存通常为32512MB存储容量。用于存档常用程序和数据。访问周期大约在数百ns到数十ns之间。4)外部内存(辅助存储)用于存档当前不常用的信息，如各种软件工具。容量非常大，达数十GB，速度慢，用作主内存的备份和补充。经常被分类为外围设备。此分类方法确定存储系统的层次结构。2020/7/15，26

11、，图4-2存储分类表，2020/7/15，27，4.1.3存储系统的分层，以及存储的三个主要功能的价格、容量和速度之间需要平衡，这是使用存储分层结构解决的，而不是仅依靠单个存储部件或技术解决的。图4-3(a)显示了(a)发生每次降价的典型分层结构。(b)容量增加(c)访问时间增加；(d)降低CPU访问内存的频率。2020/7/15，28，图4-3存储层(A)传统存储层(B)现代存储层，2020/7/15，29，大、便宜、慢的存储可以补充小、贵、快的存储。这个结构成功的关键是访问频率的减少。如果可以根据上述第1-3项配置存储，并且数据和说明可以根据第4项分布在存储上，那么显然，此方案可以在保持给

12、定性能水平的情况下降低整体价格。2020/7/15，30、图4-3 (b)等现代存储的分层结构主要以软件形式添加分层，主要内存的一部分可以用作缓冲区以暂时存储写入磁盘的数据。此技术也称为磁盘缓存。高速缓存通过两种方式提高性能。1、写入磁盘以块的形式执行。2.指定输出中的某些数据可以在导出到磁盘之前由程序访问，因此可以从磁盘缓存而不是相对较慢的磁盘中快速检索。2020/7/15，31，4.1.4存储系统、主次存储系统、次存储系统，以及主内存和次内存(外部内存)。CPU和主内存可以交换信息，辅助内存和主内存可以交换信息，但CPU不能直接与辅助内存交换信息。2020/7/15，32，次存储系统解决了

13、主存储容量不足、成本高的缺点。但是，由于主内存速度不高，速度提高受容量和成本的限制，因此无法完全解决主内存和CPU之间的速度不匹配问题。因此，建议了三级存储系统。2020/7/15，33，2第三个存储系统第三个存储系统，第二个硬件，缓存，主内存之间的数据交换，第二个硬件，硬件，软件，软件，硬件，软件，软件，软件步骤3存储系统基本上解决了主内存的两个重要问题。主内存辅助结构解决了主内存容量不足的问题。主内存缓存结构解决了CPU与主内存速度不匹配的问题。2020/7/15，34，三阶段存储体系结构，说明：在缓存主内存结构中，CPU可以直接访问缓存信息和主内存信息。但是，在主内存辅助结构中，CPU和

14、辅助内存之间没有直接路径。因此，CPU不能直接访问辅助内存。2020/7/15，35，3多层存储系统，图4-9多层存储体系结构，2020/7/15，36，4.2主存储，4.2.1主存储基本结构和主存储是随机内存，随机内存是存储，地址解码和驱动系统，读/写系统和计时，2020/7/15，37，存储结构，存储通常为阵列结构。图4-11是按字母组织的二维存储结构。存储单元编号为Wij。2020/7/15，38，地址和存储单元之间的数量关系可以表示为：m根选择线需要log2 m位地址，n根选择线需要log2 n位地址，MAR的位数必须是log2m log2n log2 (Mn)、2020/7/15，3

15、9、2地址解码驱动器系统设计，因此内存外围电路系统的设计问题是制造内存成本的核心。设计原则：必须考虑系统的延迟时间必须小于指定的范围。第二，要注意降低系统成本。实践证明，阵列组织结构适合随机存储器。2020/7/15，40，一堆寻址方式，缺点：存储设备数量大时需要的驱动器数量太多，总存储成本大大增加。2020/7/15，41，单层2D寻址方法，存储设备数N，地址分为Nx和Ny N=满足NxNy Nx=Ny Nx=Ny。2020/7/15，42，辅助2D寻址，2020/7/15，43，三种存储阵列寻址方法的比较，2020/7/15，44，阵列配置方法概括为两种。将存储的地址代码分为两个方向组，使用地址解码器的“放大”功能将少量地址位转换为多个选择行，同时同步徐璐不同方向的驱动器，使用驱动电流信号匹配技术选择指定存储设备，从而有效减少驱动器数量并促进存储设备的扩展。2020/7/15，45，3个阵列的基本操作，RAM逻辑块图，2020/7/15，46，阵列的基本操作是读写操作。读取操作是自给地址从选定的存储设备中获取信息，并通过数据缓冲寄存器MDR将其发送到中央处理器CPU。具体程序如下：MARE，E是CPU表示有效的地址。MDR(MAR)，将从指定地址的存储设备读取的信息加载到MDR中。R(MDR)、位于CPU内部的通用寄存器r .2020/7/15，4