1、本章需解决的主要问题：（1）存储器如何存储信息？（2）在实际应用中如何用存储芯片组成具有一定容量的存储器？存储子系统存储器分类半导体存储器磁表面存储器存储原理存储器设计动态刷新存储原理磁盘存储器4.1.1 存储器分类4.1.1.1 按存储介质分类(1)半导体存储器半导体存储器(2)磁表面存储器磁表面存储器(3)磁芯存储器磁芯存储器(4)光盘存储器光盘存储器易失易失TTL、MOS磁头、载磁体磁头、载磁体硬磁材料、环状元件硬磁材料、环状元件激光、磁光材料激光、磁光材料非非易易失失 1951年，中国移民王安发明了磁芯存储器，IBM于1956年购买了这项技术专利。(1)存取时间与物理地址无关（随机访问
2、）存取时间与物理地址无关（随机访问）顺序存取存储器顺序存取存储器 磁带磁带4.1.1.2 按存取方式分类(2)存取时间与物理地址有关（串行访问）存取时间与物理地址有关（串行访问）随机存储器随机存储器 只读存储器只读存储器 直接存取存储器直接存取存储器 磁盘磁盘在程序的执行过程中在程序的执行过程中 可可 读读 可可 写写在程序的执行过程中在程序的执行过程中 只只 读读磁盘、磁带、光盘磁盘、磁带、光盘 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）Flash Memory存存储储器器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM静态静态 RAM动态动态 RAM
3、4.1.1.3 按在计算机中的作用分类 1、存储器三个主要特性的关系、存储器三个主要特性的关系:速度、容量、价格位,而这三种指标是相互矛盾的。为了解决这种问题，选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，按一定的层次结构组织成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势，从而综合达到最优性能价格比，即把这样一个存储器组织作为一个整体看，具有容量大、速度快、位价低的综合指标。这样一个存储整体称为这样一个存储整体称为“存储系统存储系统”。4.2.存储器的层次结构存储器速度、容量和价位的关系存储器速度、容量和价位
4、的关系高高低低小小大大快快慢慢辅存辅存寄存器寄存器缓存缓存主存主存磁盘磁盘光盘光盘磁带磁带光盘光盘磁带磁带速度速度容量容量 价格价格 位位CPUCPU主机主机1)通用寄存器组通用寄存器组：处于CPU内部，为执行指令方便而设，通常由几个、十几个、几十个寄存器组成，各种机器不等。其速度最快、容量最小、位价最高，但由于容量太小，并不被看成是独立的存储级。2）主存：）主存：是存储系统的核心，是计算机自动、高速运行程序必不可少的功能部件，是计算机传统的五大部件之一。因此，计算机对主存的要求是比较高的，但在目前的存储技术水平下，主存只能做到容量比较大、速度比较快、位价适中，仍然远远满足不了CPU运行程序的
5、要求。3）高速缓存（）高速缓存（Cache）：为了平滑主存与CPU之间的速度之差，加速CPU访存的速度，在性能较好的计算机中，主存与CPU之间增设了一个缓冲存储器，其容量比通用寄存器组大得多，比主存小得多，速度接近CPU，位价介于寄存器与主存之间Cache与主存一起构成内存。与主存一起构成内存。寄存器、寄存器、Cache、主存由不同指标的半导体存储器实现。、主存由不同指标的半导体存储器实现。4）辅助存储器（外部存储器）辅助存储器（外部存储器）；为了存放大量备用的程序和数据，在主机之外设置了一级辅助存储器，其容量比主存大得多，速度比主存慢得多，但位价也便宜得多。辅存通常由磁表面存储器实现，目前大
6、多数计算机使用磁盘，但由于磁盘的容量实际上也有限，因此有些系统使用磁带等速度更低、容量更大（磁带等设备带盘可换，容量可无限延伸）的磁表面存储器作为硬盘的后备。由于辅存与主机的连接方式和I/O设备相同，因此主机通常以I/O管理方式管理外存。缓存缓存CPU主存主存辅存辅存缓存缓存主存主存辅存辅存主存主存虚拟存储器虚拟存储器10 ns20 ns200 nsms虚地址虚地址逻辑地址逻辑地址实地址实地址物理地址物理地址主存储器主存储器（速度）（速度）（容量）（容量）1）Cache主存层次主存层次：根据程序运行的局部性原理，：根据程序运行的局部性原理，可以在计算机运行程序时，通过合理的调度将当前可以在计算
7、机运行程序时，通过合理的调度将当前使用最多的一小段程序和数据放在使用最多的一小段程序和数据放在Cache中，使中，使 CPU大部分时间访问高速缓存大部分时间访问高速缓存Cache，只有个别的，只有个别的指令或数据从缓存中读不到，需要到主存去取。这指令或数据从缓存中读不到，需要到主存去取。这样，从整体运行的效果分析，样，从整体运行的效果分析，CPU访存速度接近于访存速度接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。程序运行时的局部性原理程序运行时的局部性原理表现在表现在：在一小段在一小段时间时间 内，内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；在最
8、近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；在空间空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；在片存储区；在访问顺序访问顺序上，指令顺序执行比转移执上，指令顺序执行比转移执行的可能性大行的可能性大(大约大约 5:1)2）主存）主存辅存层次辅存层次：为了更好地对主存、辅存统一调度，目前广泛采为了更好地对主存、辅存统一调度，目前广泛采用虚拟存储技术，即将主存与辅存的一部份通过软用虚拟存储技术，即将主存与辅存的一部份通过软硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间大得多的虚拟地址空间编程，当程比
9、主存实际空间大得多的虚拟地址空间编程，当程序运行时，再由软、硬件自动完成虚拟地址空间与序运行时，再由软、硬件自动完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。这个转换操作对于程序主存实际物理空间的转换。这个转换操作对于程序员来说是透明的员来说是透明的.因此，从程序员的角度看，他所使因此，从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。于主存。各级存储器存放的信息必须能够满足两个基本原则：各级存储器存放的信息必须能够满足两个基本原则：1.一致性原则一致性原则：同一个信息在各级存储器中必须保持相同的值。：同一个信息在各级存储器中必
10、须保持相同的值。2.包含性原则包含性原则：处在内层（更靠近：处在内层（更靠近CPU）存储器中的信息一定）存储器中的信息一定包含在各外层的存储器中。包含在各外层的存储器中。通过采用层次结构结合软硬件技术，从整个存通过采用层次结构结合软硬件技术，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。低的优化效果。数据线：双向，或两组单向线数据线：双向，或两组单向线地址线：单向地址线：单向控制线：两种控制线：两种 读读/写控制线：单向写控制线：单向 片选控制线：单向片选控制线：单向存储存储 体体驱动驱动 器器译码器译码器 MAR控制电路控制电路读读写写
11、电电路路MDR.地址总线地址总线数据总线数据总线控制信号控制信号译码器译码器74LS138(a)逻辑电路逻辑电路(18)(16)(14)(12)(9)(7)(5)(3)1Y31Y42Y12Y22Y32Y41Y21Y11A31A42A12A22A32A41A21A1_2G_1G(2)(4)(6)(8)(11)(13)(15)(17)(1)(19)1G 2G 1A31A42A12A22A32A41A21A11Y31Y42Y12Y22Y32Y41Y21Y1（b）引脚图）引脚图驱动器驱动器74LS244当1、19脚是H时，Y为高阻抗；是L时，Y=A。MDRMARCPU主主 存存读读数据总线数据总线地址
12、总线地址总线 写写地址总线地址总线 AB 的位数决定了可寻址的最大内存空间，的位数决定了可寻址的最大内存空间，数据总线数据总线 DB 的位数与工作频率的乘积正比于最高数据入出量，的位数与工作频率的乘积正比于最高数据入出量，控制总线控制总线 CB 指出总线周期的类型和本次入出操作完成的时刻。指出总线周期的类型和本次入出操作完成的时刻。（1）存储容量：存放二进制信息的数量）存储容量：存放二进制信息的数量 存储容量存储容量=存储单元个数存储单元个数*存储字长（按字）存储字长（按字）=字节数（按字节编址）字节数（按字节编址）目前计算机的存储容量大多以字节数来表示目前计算机的存储容量大多以字节数来表示
13、(2)存取速度：一般采用两种参数描述存取速度：一般采用两种参数描述 a.存取时间存取时间(TA)指从指从CPU给出有效地址启动一次存给出有效地址启动一次存取（读取（读/写）操作到该操作完成所需的时间。读、写分写）操作到该操作完成所需的时间。读、写分别为别为TAR、TAW 。b.存取周期存取周期(Tmc)指连续两次存储器操作之间的最小时指连续两次存储器操作之间的最小时间。间隔略大于间。间隔略大于TA（3）带宽）带宽：每秒从存储器进出的最大信息量每秒从存储器进出的最大信息量存取周期反映存储器的带宽存取周期反映存储器的带宽 例：TMC100ns 8位数据 带宽为1s/100ns8b=80Mb/s提高
14、存储器的带宽的途径提高存储器的带宽的途径a缩短存取周期，指制造工艺方面,TTL 为100ns;MOS为10nsb增加储字长c增加存储体芯片容量芯片容量译译码码驱驱动动存存储储矩矩阵阵读读写写电电路路1K4位位16K1位位8K8位位片选线片选线读读/写控制线写控制线地地址址线线数数据据线线地址线地址线（单向）（单向）数据线数据线（双向）（双向）1041411380,015,015,70,7 读读/写控制电路写控制电路 地地址址译译码码器器 字线字线015168矩阵矩阵07D07D 位线位线 读读/写选通写选通A3A2A1A000000,00,7007D07D 读读/写写选通选通A3A2A1A0A
15、40,310,031,031,31 Y 地址译码器地址译码器 X地地址址译译码码器器 3232 矩阵矩阵A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读读/写写00000000000,031,00,31I/OD0,0读读工艺双极型MOS型ECL型速度很快、功耗大、容量小电路结构PMOSNMOSCMOS功耗小、工作方式静态MOS动态MOS存储信息原理静态存储器SRAM动态存储器DRAM 依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息。（动态MOS型）：功耗较小,容量大,速度较快,作主存。TTL型P（衬底）（衬底）N（衬底）（衬底）1.六管单元（1）组成T1、T3：MOS反相器VccVcc触发器T3T
16、3T1T1T4T4T2T2T2、T4：MOS反相器T5T5T6T6T5、T6：控制门管Z ZZ Z：字线，：字线，选择存储单元选择存储单元位线，位线，完成读完成读/写操作写操作W WW WW W、W W：（2 2）定义）定义“0”“0”：T1T1导通，导通，T2T2截止；截止；“1”“1”：T1T1截止，截止，T2T2导通。导通。AB（3）工作T5、T6Z：加高电平，高、低电平，写1/0。（4）保持只要电源正常，保证向导通管提供电流，便能维持一管导通，另一管截止的状态不变，称静态。VccT3T1T4T2T5T6ZWW导通，选中该单元。写入：在W、W上分别加读出：根据W、W上有无电流，读1/0。
17、Z：加低电平，T5、T6截止，该单元未选中，保持原状态。静态单元是非破坏性读出，读出后不需重写。SRAMSRAM芯片芯片21142114（1K1K4 4位）位）地址端：地址端：21142114（1K1K4 4）1 19 910101818A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDA6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WEVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WEA9A9A0A0（入）（入）数据端：数据端：D3D3D0D0（入（入/出）出）控制端：控制端：片选片选CSCS=0=0 选中芯片选中芯片=1=1
18、未选中芯片未选中芯片写使能写使能WEWE=0=0 写写=1=1 读读电源、地电源、地1.1.四管单元四管单元（1）组成T1、T2：记忆管C1、C2：柵极电容T3、T4：控制门管Z：字线位线W、W：（2）定义“0”：T1导通，T2截止“1”：T1截止，T2导通T1T1T2T2T3T3T4T4Z ZW WW WC1C1C2C2（C1有电荷，C2无电荷）；（C1无电荷，C2有电荷）。（3）工作Z：加高电平，T3、T4导通，选中该单元。2.单管单元（1）组成（4）保持T1T2T3T4ZWWC1C2写入：在W、W上分别加高、低电平，写1/0。读出：W、W先预充电至再根据W、W上有无电流，高电平，断开充电
19、回路，读1/0。Z：加低电平，T3、T4截止，该单元未选中，保持原状态。需定期向电容补充电荷（动态刷新），称动态。四管单元是非破坏性读出，读出过程即实现刷新。C：记忆单元CWZTT：控制门管Z：字线W：位线3.存储芯片（2）定义（4）保持写入：Z加高电平，T导通，在W上加高/低电平，写1/0。读出：W先预充电，根据W线电位的变化，读1/0。断开充电回路。Z：加低电平，T截止，该单元未选中，保持原状态。单管单元是破坏性读出，读出后需重写。“0”：C无电荷，电平V0（低）CWZT外特性：“1”：C有电荷，电平V1（高）（3）工作Z加高电平，T导通，例.DRAM芯片2164（64K1位）V地址端：2
20、164（64K1）18916GND CAS Do A6 A3 A4 A5 A7A7A0（入）数据端：Di（入）控制端：片选写使能WE=0 写=1 读电源、地空闲/刷新 Di WE RAS A0 A2 A1 Vcc分时复用，提供16位地址。Do（出）行地址选通RAS列地址选通CAS：=0时A7A0为行地址高8位地址：=0时A7A0为列地址低8位地址1脚未用，或在新型号中用于片内自动刷新。需解决：芯片的选用、例1.用2114（1K4）SRAM芯片组成容量为4K8的存储器。地址总线A15A0（低）,双向数据总线D7D0（低）,读/写信号线R/W。给出芯片地址分配与片选逻辑,并画出M框图。1.计算芯片
21、数动态M的刷新、（1）先扩展位数，再扩展单元数。主存的组织涉及：主存的校验。地址分配与片选逻辑、信号线的连接。2片1K4 1K8 4组1K8 4K8 8片 M的逻辑设计、存储器寻址逻辑2.地址分配与片选逻辑（2）先扩展单元数，再扩展位数。4片1K4 4K4 2组4K4 4K8 8片 芯片内的寻址系统(二级译码)芯片外的地址分配与片选逻辑为芯片分配哪几位地址，以便寻找片内的存储单元由哪几位地址形成芯片选择逻辑，以便寻找芯片存储空间分配：4KB存储器在16位地址空间（64KB）中占据任意连续区间。64KB1K41K41K41K41K41K41K41K4需12位地址寻址：4KBA15A12A11A1
22、0A9A0A11A00 0 0 0任意值 0 0 1 10 1 1 11 0 1 10 1 0 01 0 0 01 1 0 01 1 1 1片选 芯片地址 低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。芯片 芯片地址 片选信号 片选逻辑1K1K1K1KA9A0A9A0A9A0A9A0CS0CS1CS2CS3A11A10A11A10A11A10A11A103.连接方式（1）扩展位数4 1K4 1K4410 1K4 1K4410 1K4 1K44104 1K4 1K441044A9A0D7D4D3D044R/WA11 A10CS3A11 A10CS0A11 A10CS1A11 A10CS2（2）扩展单
23、元数（3）连接控制线（4）形成片选逻辑电路某半导体存储器，按字节编址。其中，0000H 07FFH为ROM区，选用EPROM芯片（2KB/片）；0800H13FFH为RAM区，选用RAM芯片（2KB/片和1KB/片）。地址总线A15A0（低）。给出地址分配和片选逻辑。例2.1.计算容量和芯片数ROM区：2KB RAM区：3KB 存储空间分配：2.地址分配与片选逻辑先安排大容量芯片（放地址低端），再安排小容量芯片。便于拟定片选逻辑。共3片 A15A14A13A12A11A10A9A00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1
24、0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。芯片 芯片地址 片选信号 片选逻辑2K2K1KA10A0A10A0A9A0CS0CS1CS2A12A11A12A11A12A115KB需13位地址寻址：ROMA12A064KB1K2K2KRAMA10A15A14A13为全0刷新定义和原因定义：刷新。动态存储器依靠电容电荷存储信息。平时无电源供电，时间一长电容电荷会泄放，需定期向电容补充电荷，以保持信息不变。定期向电容补充电荷原因：注意刷新与重写的区别。破坏性读出后重写，以恢复原来的信息。最大刷新间隔在此期间，必须对所有动态单元刷新一遍。非破坏性
25、读出的动态M，需补充电荷以保持原来的信息。2ms。刷新方法按行读。刷新一行所用的时间刷新周期（存取周期）刷新一块芯片所需的刷新周期数由芯片矩阵的行数决定。对主存的访问由CPU提供行、列地址，随机访问。2ms内集中安排所有刷新周期。CPU访存：刷新周期的安排方式死区用在实时要求不高的场合。动态芯片刷新：由刷新地址计数器提供行地址，定时刷新。（1）集中刷新R/W刷新R/W刷新2ms50ns（2）分散刷新各刷新周期分散安排在存取周期中。R/W刷新R/W刷新100ns用在低速系统中。2ms（3）异步刷新例.各刷新周期分散安排在2ms内。用在大多数计算机中。每隔一段时间刷新一行。128行15.6 微秒
26、每隔15.6微秒提一次刷新请求，刷新一行；2毫秒内刷新完所有行。R/W刷新R/W刷新R/WR/WR/W15.6 微秒15.6 微秒15.6 微秒刷新请求刷新请求（DMA请求）（DMA请求）DRAMSRAM存储原理存储原理集成度集成度芯片引脚芯片引脚功耗功耗价格价格速度速度刷新刷新电容电容触发器触发器高高低低少少多多小小大大低低高高慢慢快快有有无无主存主存缓存缓存SDRAMDDR内存内存DDR2内存内存DDR3内存内存行列选择线交叉处有行列选择线交叉处有 MOS 管为管为“1”行列选择线交叉处无行列选择线交叉处无 MOS 管为管为“0”VCCVCC行线行线列线列线熔丝熔丝熔丝断熔丝断为为“0”为
27、为“1”熔丝未断熔丝未断特点特点：出厂时为通用形式，用户可通过加高压、大电流的方法一次结构破坏性写入信息，写入的内容为永久的。G 栅极栅极S 源源D 漏漏紫外线全部擦洗紫外线全部擦洗SGDN+N+P基片基片GDS浮动栅浮动栅SiO2+_ _ _ D 端加端加25V正电压正电压形成浮动栅形成浮动栅S 与与 D 不导通为不导通为“0”D 端不加端不加25V正电压正电压 不形成浮动栅不形成浮动栅S 与与 D 导通为导通为“1”初态初态：出厂时所有FAMOS管浮栅都不带电荷，表示全存“1”；编程编程：通常脱机采用专门的编程器进行。写写“0”：源、漏间加25V高压，字线加编程脉冲，形成浮栅，阻止沟道使源
28、、漏不导通，存“0”；写写“1”：存储元保持初态既可；保持保持：当高压去除后，由于硅栅被绝缘层包围，电荷无处泄漏，故FAMOS管一直保持导通，使存入信息长期维持下去。（2）EPROM工作原理：控制逻辑控制逻辑Y 译码译码X 译译码码数据缓冲区数据缓冲区Y 控制控制128 128存储矩阵存储矩阵PD/ProgrCSA10A7A6A0.DO0DO7112A7A1A0VSSDO2DO0DO127162413VCCA8A9VPPCSA10PD/ProgrDO3DO7PD/ProgrPD/Progr功率下降功率下降/编程输入端编程输入端 读出时读出时 为为 低电平低电平特点：擦除和编程均可联机进行，更加
29、方便。电可擦写局部擦写全部擦写特点：擦除和写入速度更快（1M位的芯片擦、写时间小于5s）。与EEPROM不同的是只能整体擦或分区擦。由于闪速存储器具有非电易失性，且读取速度与DRAM接近，写入速度与硬盘接近，因此目前逐渐用来替代软、硬盘，称为半导体盘，具有无机械运动，抗震性好，可靠性高等优点，发展前景看好（1）地址线的连接：CPU通过地址总线向存储器发送地址，理论上地址总线的低位可直接与各存储芯片的地址引脚相连，高位和片选译码器输入端相连；（2）数据线的连接：CPU通过数据总线与存储器交换数据，因此存储器的数据引出线与数据总线按位连通即可；（3）读/写线的连接：CPU通过控制总线中的相应信号线
30、向存储器发读/写令，则存储器的-WE线与控制总线中的读/写命令线连通即可。对ROM没有WE。(4)片选线的连接：CPU控制总线中的-MREQ（访存请求）信号与片选译码器使能输入端相连即可。(5)合理选用芯片：通常ROM存放系统程序，RAM存放用户程序(6)其他:时序、负载1.读操作：CPU从指定的存储单元取出信息的过程（1）CPU将地址信号发送到地址总线（2）CPU发出读命令（3）读出信息经数据总线送至CPU2.写操作：CPU将要写入的信息存入指定的存储单元（1）CPU将地址信号发送到地址总线（2）CPU将要写入的数据发送到数据总线（3）CPU发出写命令（4）等待信息经数据总线送至CPU 2K
31、 8位位 ROM 1K 4位位 RAM1K 4位位 RAM&PD/ProgrY5Y4G1CBAG2BG2AMREQA14A15A13A12A11A10A9A0D7D4D3D0WR74hc13874hc138缓存缓存CPU主存主存解决解决CPU与与I/O的访存冲突的访存冲突解决高性能与低价位的矛盾解决高性能与低价位的矛盾1）依据：）依据：CPU访存的局部性原理访存的局部性原理2）目的：用小容量的）目的：用小容量的SRAM与大容量的与大容量的DRAM构成一构成一个性能近似于个性能近似于SRAM价格相当于价格相当于DRAM的存储系统。的存储系统。主存和缓存按块存储块的大小相同主存和缓存按块存储块的大
32、小相同B 为块长为块长 主存块号主存块号主存储器主存储器012m1字块字块 0字块字块 1字块字块 M1主存块号主存块号块内地址块内地址m位位b位位n位位M块块B个字个字缓存块号缓存块号块内地址块内地址c位位b位位C块块B个字个字 字块字块 0字块字块 1字块字块 C1012c1标记标记Cache缓存块号缓存块号CPUCacheMEMORY主存地址主存地址字字块块(2)命中与未命中命中与未命中缓存共有缓存共有 C 块块主存共有主存共有 M 块块M C主存块主存块 调入调入 缓存缓存主存块与缓存块主存块与缓存块 建立建立 了对应关系了对应关系用用 标记记录标记记录 与某缓存块建立了对应关系的与某
33、缓存块建立了对应关系的 主存块号主存块号命中命中未命中未命中主存块与缓存块主存块与缓存块 未建立未建立 对应关系对应关系主存块主存块 未调入未调入 缓存缓存(3)Cache 的命中率的命中率CPU 欲访问的信息在欲访问的信息在 Cache 中的中的 比率比率命中率命中率 与与 Cache 的的 容量容量 与与 块长块长 有关有关 一般每块可取一般每块可取 4 8 个字个字块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度 CRAY_1 16体交叉体交叉 块长取块长取 16 个存储字个存储字 IBM 370/168 4体交叉体交叉 块长取块长取 4 个存储字个存储字
34、（64位位4 =256位）位）(4)Cache 主存系统的效率主存系统的效率效率效率 e 与与 命中率命中率 有关有关 设设 Cache 命中率命中率 为为 h，访问访问 Cache 的时间为的时间为 tc ，访问访问 主存主存 的时间为的时间为 tm 则则 e=100%tc h tc+(1h)tm 访问访问 Cache 的时间的时间 平均访问时间平均访问时间 e=100%2）如何实现地址的转换，将访问的主存地址转换成Cache地址3）访问Cache未命中时，若Cache没有满，如何调入Cache；Cache满时，块如何替换4）Cache的一致性问题，即块的更新策略4.3.1.3 实现Cach
35、e的功能要解决的问题数据总线数据总线Cache替换机构替换机构可装进？可装进？命中？命中？主存主存Cache 地址映象地址映象 变换机构变换机构 主主 存存访问主访问主存替换存替换Cache Cache 存储体存储体块号块号块内地址块内地址直接通路直接通路访问主存装入访问主存装入CacheNNYY块号块号块内地址块内地址CPU主存地址主存地址地址总线地址总线Cache地址地址Cache替换机构替换机构由由 CPU 完完 成成 Cache 存储体存储体主存主存Cache 地址映象地址映象 变换机构变换机构 基本地址映象方式:直接映象、全相联映象、直接映象、全相联映象、组相联映象、段相联映象等组相
36、联映象、段相联映象等 访问访问Cache取出信息送取出信息送 CPU 访问主存访问主存取出信息送取出信息送 CPU将新的主存块将新的主存块调入调入Cache中中执行替换算法执行替换算法 腾出空位腾出空位 结结 束束命命 中？中？Cache 满？满？CPU发出访问地发出访问地 址址 开开 始始是是否否是是否否读读 Cache 和主存的一致性和主存的一致性 写写 写直达法写直达法（Write through）写回法写回法（Write back）写操作时数据既写入写操作时数据既写入Cache又写入主存又写入主存 写操作时只把数据写入写操作时只把数据写入 Cache 而不写入主存而不写入主存当当 Ca
37、che 数据被替换出去时才写回主存数据被替换出去时才写回主存 写操作时间就是访问主存的时间写操作时间就是访问主存的时间，读操作时不，读操作时不涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现写操作时间就是访问写操作时间就是访问 Cache 的时间的时间，读操作读操作 Cache 失效发生数据替换时，失效发生数据替换时，被替换的块需写回主存，增加了被替换的块需写回主存，增加了 Cache 的复杂性的复杂性(1)增加增加 Cache 的级数的级数片载（片内）片载（片内）Cache片外片外 Cache(2)统一缓存和分开缓存统一缓存和分开缓存指令指令 Cache数据数
38、据 Cache与主存结构有关与主存结构有关与指令执行的控制方式有关与指令执行的控制方式有关是否流水是否流水Pentium 8K 指令指令 Cache 8K 数据数据 CachePowerPC620 32K 指令指令 Cache 32K 数据数据 Cache 与主存相比容量大与主存相比容量大,速度慢速度慢,价格低价格低,可脱机保存信息。可脱机保存信息。辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息,一旦需要一旦需要,再再和主存成批地交换数据。因此，和主存成批地交换数据。因此，辅存不直接和辅存不直接和CPU交换信息交换信息。辅助存储器主要有辅助存储器主要有磁表面存
39、储器磁表面存储器和和光存储器光存储器两大类两大类.磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片(或带或带)的基体上形成的基体上形成记录介质记录介质,并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或读出信息读出信息.磁表面存储器有数字式磁记录磁表面存储器有数字式磁记录,如硬盘如硬盘,软盘和磁带软盘和磁带.模拟式磁模拟式磁记录记录,如录音如录音,录像设备录像设备 光存储器主要是光盘光存储器主要是光盘,它是利用激光束在具有感光特性的表它是利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息面上存储信息.1）记录密度记录密度：单位长度或单位面积内
40、所存储二进制信息量。对磁盘存储器用道密度和位密度表示,也可以用两者的乘积面密度表示.对磁带存储器,则主要用位密度表示.磁道磁道是磁盘表面上的许多同心圆.在有多个盘片构成的盘组中,由处在同一半径的磁道组成的一个圆柱面,称为柱面柱面.道密度：道密度：沿磁盘半径方向单位长度的磁道数。单位是道沿磁盘半径方向单位长度的磁道数。单位是道/英寸英寸(简简称称TPI)或道或道/毫米毫米（TPM）。）。磁道具有一定的宽度,叫道宽道宽.它取决于磁头的工作间隙长度及磁头定位精度等因素.为避免干扰,磁道与磁道之间需保持一定距离,相邻两条磁道中心线之间的距离叫道距道距.位密度或线密度位密度或线密度：单位长度磁道所能记录
41、二进制信息的位数。单位是位/英寸（bpi)或位/毫米（bpm）注意：各磁道上所记录的信息量是相同的而位密度不同对于磁带,其磁道是沿着磁带长度方向的直线,存储密度主要用位密度来衡量.例如,常用磁带的记录密度有800bpi,1600bpi和6250bpi等多种.2）存储容量）存储容量：辅存所能存储的二进制信息总量以磁盘存储器为例 c=n*k*s c存储总容量，n存放信息的盘面数，k每盘磁道数，s每道二进制数。格式化容量格式化容量:指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量,也就是用户真正可以使用的容量。非格式化容量非格式化容量:磁记录表面可以利用的磁化单元总数.将磁盘存储器用于计算机系统中,必须首
42、先进行格式化操作,然后才能供用户记录信息,格式化容量一般约为非格式化容量的60%70%。3)数据传输率数据传输率：磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数，它与记录密度D和记录介质的运动速度V有关：DrDV。4）误码率）误码率：误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数.它等于从辅存读出时,出错信息位数和读出的总信息位数之比5）平均寻址时间）平均寻址时间 磁盘存储器采取直接存取方式时,寻址时间包括两部分:一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间找道时间ts;二是找到磁道以后,磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所需要的等待时间等待时间tw.由于寻找相邻磁道和从最外面磁道找到最里面磁道所
43、需的时间不同,磁头等待不同区段所花的时间也不同,因此,取它们的平均值,称作平均寻址时间Ta,它由平均找道时间Tsa和平均等待时间Twa组成:Ta=Tsa+Twa=(tsmax+tsmin)/2+(twmax+twmin)/2 磁带存储器采取顺序存取方式,不需要寻找磁道,但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间,寻址时间指的是磁带空转到磁头应访问记录区所在位置的时间.4.4.2 磁记录原理和记录方式 写：写：在磁头线圈中加入磁化电流在磁头线圈中加入磁化电流（写电流）（写电流），并使磁层移动，并使磁层移动，在磁层上形成连续的小段磁化区域。在磁层上形成连续的小段磁化区域。局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁
44、体写线圈写线圈SNI局部磁化单元局部磁化单元写线圈写线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层写入写入“0”写入写入“1”I磁记录原磁记录原 理理N读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出“0”读出读出“1”读读磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的转变区转变区经过磁头下方经过磁头下方时，在线圈两端产生时，在线圈两端产生感应电势。感应电势。磁通变化的区域磁通变化的区域读出信号读出信号磁记录方式又称编码方式，它是按某种规律将一串二进制数字信息变成磁表面相应的磁化状态。1）归零制（）归零制（RZ）
45、记录“1”时通正向脉冲电流；“0”时通反向脉冲电流在记录两位信息之间驱动电流归零2）不归零制（）不归零制（NRZ）记录1时电流正向流动，记录0时电流反向流动。当连续记录1或0时电流方向不变，当相邻两位代码不同时电流方向翻转，称为“见变就翻”的不归零制。3）见）见“1”就翻的不归零制（就翻的不归零制（NRZ1）记录1时电流改变方向；记录0时保持原来的电流方向。4）调相制（）调相制（PM）记录“0”时电流由负变正；“1”时由正变负。且电流变化出现在一位信息记录时间的中间时刻。这样在两个相邻位记录信息相同时在交界处电流方向变化，不同时不变5）调频制（）调频制（FM）在记录单元起始处不论是记录0还是1
46、，都要改变电流方向，产生翻转；在一个记录单元中间点，记录1时改变电流方向，产生翻转，记录0时不改变电流方向，不产生翻转。这样记录1的频率是记录0的频率的1倍。6）改进调频制（）改进调频制（MFM）当二进制信息中出现连续0时，其记录单元的交界处翻转一次。在其它情况下（0-1,1-0,1-1)其记录单元的交界处不翻转；在一个记录单元的中间点，记录1时改变电流方向，产生磁化翻转，记录0时不改变电流方向，不产生磁化翻转。3.评价记录方式的主要指标评价记录方式的主要指标1）编码效率）编码效率：位密度与磁化翻转密度的比值，可用记录一位信息的最大磁化翻转次数来表示。例：FM、PM：一个位周期磁化最多翻转2次
47、，则编码效率为50%；MFM、NRZ、NRZ1：一个位周期磁化最多翻转1次，则编码效率为100%；2）自同步能力）自同步能力：指从单个磁道读出信息提取同步脉冲的难易程度。磁表面存储器的同步方式：两种外同步外同步：专门设置用来记录同步信息的磁道（同步磁道）。这种同步方式读出时，同步磁道与被访磁道一起读出，读出信息经放大整形后和同步信号相“与”，产生读出数据代码。此方式影响记录密度的提高。自同步自同步：不设同步磁道，同步信息从读出信息中提取，然后反过来再对读出信息进行同步，并选通出读出数据（自己同步自己）。自同步要求读出信息在一个位周期时间内至少有一个感应信号，因此，NRZ和NRZ1制均无自同步能
48、力，而RZ、PM、FM和MFM制均有自同步能力。磁表面存储器的记录方式的时序磁表面存储器的记录方式的时序011100010数据序列数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期位周期1）按磁头的工作方式）按磁头的工作方式移动磁头磁盘存储器移动磁头磁盘存储器:存取数据时存取数据时,磁头在磁盘盘面上径向移动磁头在磁盘盘面上径向移动,磁磁头与盘面不接触头与盘面不接触,且随气流浮动且随气流浮动,称为浮动磁头称为浮动磁头.盘片的每面都有一盘片的每面都有一个磁头个磁头.固定磁头磁盘存储器固定磁头磁盘存储器:磁头位置固定磁头位置固定,磁盘的每一个磁道都对应一磁盘的每一个磁道都对应一个磁头个磁头,盘片也不可
49、更换盘片也不可更换.其特点是存取速度快其特点是存取速度快.省去了磁头沿盘省去了磁头沿盘片径向运动找道时间片径向运动找道时间.2）按磁盘的可替换性）按磁盘的可替换性可换盘存储器可换盘存储器:指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存.这种这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据,由于可脱机保存故便于由于可脱机保存故便于扩大存储容量扩大存储容量.为了达到可靠地交换数据的目的磁盘的道密度要适为了达到可靠地交换数据的目的磁盘的道密度要适当降低当降低.固定盘存储器固定盘存储器:是指磁盘不能从驱动器中取出是指磁盘不能从驱动器中取出,更换
50、时要把整个更换时要把整个“头盘组合体头盘组合体”一起更换一起更换温彻斯特磁盘（温盘）温彻斯特磁盘（温盘）1973年，年，IBM研制成功了一种新型的研制成功了一种新型的硬盘硬盘IBM3340这种硬盘拥有几个同轴这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材料。的金属盘片，盘片上涂着磁性材料。它们和可以移动的磁头共同密封在一它们和可以移动的磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上读出磁信号的变化读出磁信号的变化-这就是我们今天这就是我们今天是用的硬盘的祖先，是用的硬盘的祖先，IBM把它叫做温把它叫做温彻斯特硬盘。彻斯特硬盘。1980年，希捷年，希捷(Sea
