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1、第6章存储系统,6.1存储系统概述 6.2主存储器 6.3高速缓冲存储器 6.4磁表面存储器 6.5光盘存储器,6.1.1存储器的分类,1.按功能分类 主存储器 高速缓冲存储器 辅助存储器 控制存储器 2.按存储介质分类 磁芯存储器 半导体存储器 磁表面存储器 光盘存储器,3.按存取方式分类 随机存取存储器 只读存储器 顺序访问存储器 直接访问存储器 4.按信息可保存性分类 易失性存储器 非易失性存储器,6.1.2存储系统的层次结构,主存储器 ( 动态随机存储器DRAM ),辅助存储器 ( 磁盘存储器、光盘存储器等 ),通用寄存器组,高速缓冲存储器Cache ( 静态随机存储器SRAM ),C
2、PU内部,辅助硬件,辅助 软、硬件,6.2.1主存储器的分类,1.随机存储器 静态随机存储器SRAM 动态随机存储器DRAM 2.只读存储器 掩模型只读存储器ROM 可一次编程只读存储器PROM 可重编程只读存储器EPROM 电擦除可重编程只读存储器E2PROM 闪速存储器(Flash Memory),6.2.2动态RAM基本单元电路,1.动态RAM基本单元电路,行选择线,列选择线,数据线,T1,C1,C2,T2,WE,6.2.2动态RAM基本单元电路,2.DRAM存储器芯片逻辑框图,读出放大器,存储阵列 ( 64128 ),存储阵列 ( 64128 ),列地址译码器,列地址译码器,列地址锁存
3、器,行 地 址 译 码 器,行 地 址 锁 存 器,I/O 控制,输出 缓冲,列时钟 发生器,行时钟 发生器,写时钟 发生器,行时钟,列时钟,写时钟,RAS,CAS,A6A0,列时钟,行时钟,列时钟,Dout,输入 锁存,Din,写时钟,6.2.2动态RAM基本单元电路,3.DRAM存储器芯片内部逻辑结构,读出再生 放大电路,读出再生 放大电路,读出再生 放大电路,第1行,第2行,第64行,第65行,第66行,第128行,第1列,第2列,第128列,I/O 缓冲,Din,Dout,6.2.2动态RAM基本单元电路,4.动态存储器读写周期时序图,A6A0,行地址,行地址,列地址,列地址,RAS,
4、CAS,WE,Dout,读出数据,Din,写入数据,读周期,写周期,6.2.3存储容量的扩展,1.位扩展 位扩展是指只进行位数扩展，芯片的单元数与存储器的单元数一致。其连接方法是将各存储芯片的地址线、片选线和读写控制线并联，各芯片的数据线单独引出。,16M1位,16M1位,16M1位,16M1位,A23A0,CS,WE,D0,D1,D30,D31,CS7,CS6,CS1,CS0,6.2.3存储容量的扩展,2.字扩展 字扩展是指增加存储器的单元数，而位数不变。其连接方法是将各存储芯片的地址线、数据线和读写控制线并联，由片选信号分别选择各存储芯片。,2M8位,2M8位,2M8位,2M8位,WE,3
5、-8 译码器,A20A0,A23 A22 A21,D7D0,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,6.2.3存储容量的扩展,3.字和位同时扩展 既增加存储器的单元数，又扩展存储器的位数，是字扩展与位扩展的结合。,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,16M1位 32片,D0,D1,D30,D31,WE,A23A0,4-16 译码器,A27 A26 A25 A24,CS0,C
6、S1,CS14,CS15,500ns,500ns,6.2.4动态存储器的刷新,1.集中式刷新,读写 周期,读写 周期,读写 周期,读写 周期,读写 周期,500ns,500ns,500ns,刷新 周期,刷新 周期,刷新 周期,500ns,500ns,500ns,3872个,128个,2ms,2.分散式刷新,2ms,读写 周期,刷新 周期,读写 周期,刷新 周期,读写 周期,刷新 周期,读写 周期,刷新 周期,读写 周期,刷新 周期,500ns,500ns,500ns,500ns,500ns,500ns,500ns,500ns,500ns,500ns,500ns,500ns,500ns,6.2.
7、4动态存储器的刷新,3.异步式刷新,读写 周期,读写 周期,刷新 周期,读写 周期,读写 周期,500ns,500ns,500ns,刷新 周期,读写 周期,刷新 周期,500ns,500ns,15.6s,2ms,读写 周期,500ns,15.6s,15.6s,6.2.5主存储器的技术指标,1.存储容量 2.存取速度 存取时间 存取周期 数据传输率 3.可靠性 4.功耗 5.制作工艺 6.价格,6.3.1Cache的工作原理,1.采用Cache的原因 .主存速度的提高永远滞后于CPU速度的提高； .经常出现CPU和IO设备同时访问主存的现象。 2.程序访问的局部性原理 CPU从主存取指令或取数据
8、，在一定时间内，只是对主存局部地址区域进行访问。这是由于指令和数据在主存内部都是连续存放的，并且有些指令和数据往往会被多次调用，也即指令和数据在主存的地址分布不是随机的，而是相对的集中，使得CPU在执行程序时，访存具有相对的局部性，这就是程序访问的局部性原理。,6.3.1Cache的工作原理,3.Cache的基本结构,主 存 储 器,块号,块内地址,主存地址,块内地址,CPU,块号,地址总线,数据总线,主存-Cache 地址映象 变换机构,Cache 存储体,可装入？,命中？,Cache 替换机构,访问主存 替换Cache,访问主存装入Cache,直接通路,N,N,Y,Y,Cache地址,6.
9、3.2Cache-主存地址映像,1.直接映像,第 0 块,第 1 块,第 15 块,第 16 块,第 17 块,第 31 块,第 2032 块,第 2033 块,第 2047 块,. . .,. . .,. . .,. . .,第 0 块,第 1 块,. . .,第 15 块,第0组,第1组,第127组,. . .,标记,标记,标记,有效位,1位 7位,Cache,主存储器,6.3.2Cache-主存地址映像,2.全相联映像,第 0 块,第 1 块,第 15 块,第 16 块,第 17 块,第 31 块,第 2032 块,第 2033 块,第 2047 块,. . .,. . .,. . .,
10、. . .,主存储器,第 0 块,第 1 块,. . .,第 15 块,标记,标记,标记,有效位,1位 11位,Cache,6.3.2Cache-主存地址映像,3.组相联映像,第 0 块,第 1 块,第 7 块,第 8 块,第 9 块,第 15 块,第 2040 块,第 2041 块,第 2047 块,. . .,. . .,. . .,. . .,第0组,第1组,第255组,. . .,主存储器,第 0 块,第 1 块,. . .,第 15 块,标记,标记,标记,1位 8位,Cache,第 2 块,第 3 块,第 14 块,标记,标记,标记,第0组,第1组,第7组,6.3.3Cache替换算
11、法,1.FIFO算法,0,2.LRU算法,0,0,1,0,0,0,5,5,5,5,5,3,3,3,3,3,3,第 0 块,第 1 块,第 2 块,第 3 块,第 0 块,第 1 块,第 2 块,第 3 块,0,0,0,0,0,1,1,1,1,5,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,2,2,2,2,3,3,3,3,3,3,1,1,1,1,1,0,0,0,2,2,2,2,2,4,4,4,4,4,1,1,0,0,0,0,0,0,2,2,2,2,5,5,5,5,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,4,4,4,4,0,0,0,0,1,3
12、,0,2,5,1,0,1,4,3,1,2,0,1,3,装入 装入 装入 命中 装入 替换 替换 命中 命中 替换 替换 命中 替换 替换 命中 命中,0,1,3,0,2,5,1,0,1,4,3,1,2,0,1,3,装入 装入 装入 命中 装入 替换 命中 替换 替换 替换 替换 命中 替换 替换 替换 命中,6.4.1磁表面存储器的读写原理,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,载体,磁层,写入线圈,读出线圈,Iw,e,v,6.4.2磁表面存储器的记录方式,1,0,1,1,1,0,0,0,1,RZ,NRZ,NRZ-1,PE,FM,MFM,M2FM,6.4.3硬盘存储器的结构,1.硬盘驱动
13、器 盘片和磁盘组：存储各种程序和数据信息。 磁头：对盘片记录的信息执行读写操作。 磁头定位系统：驱动磁头沿盘片半径方向移动寻找目标磁道并精确定位。 主轴驱动系统：驱动盘片以额定转速围绕主轴高速、稳定地旋转。,6.4.3硬盘存储器的结构,2.硬盘控制器 读出放大器：对读出信号进行放大、整形，转变为数字信号。 写入电路：把要写入的数字信号转变为写入电流信号。 数据译码电路：把来自读出放大器的信号还原为数据信息，并进行CRC校验。 数据编码电路：按MFM制把数据信息编码为记录信息，并生成CRC校验码。 串并转换电路：把读出的串行数据转换为并行数据。 并串转换电路：把要写入的并行数据转换为串行数据。 数据缓存：为主机和硬盘驱动器之间进行数据传输提供缓冲。 DMA控制器：向主机提出DMA请求并响应主机的DMA允许，控制主机和硬盘驱动器之间的数据传送。,6.4.4硬盘存储器的信息分布,1.硬盘地址格式,驱动器号,磁道号,记录面号,扇区号,1#,2#,3#,4#,5#,6#,7#,8#,6.4.4硬盘存储器的信息分布,2.磁道记录格式,G1,扇区1
