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1、计算机原理与汇编上海海事大学信息工程学院 1第3篇 存储系统与 输入/输出系统 硬件组成角度: 了解存储器及各种I/O设备 的组成原理,以及连接整机的方法控制I/O传送的角度 :3种控制方式,以 及控制方式对接口和I/O程序的影响软件组成角度: 3个层次:用户程序对 I/O设备的调用,OS中的驱动程序, I/O设备控制器中的控制程序2Chapter 6 存储系统存储器的基本概念主存储器的组织高速缓冲存储器Cache外部存储器虚 拟 存 储 器36.1 概述6.1.1 存储器分类按 存 取 方 式 分RAM:Random Access Memory 随机读写;断电信息即失ROM: Read-On
2、ly Memory 正常工作时,只读不写;断电不丢失SAM:Sequential Access Memory 磁带机DAM:Direct Access MemoryDAM访问时,读/写部件先直接指向一个小区域,再在 该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关访问时,读/写部件按顺序查找目标地址, 访问时间与数据位置有关4按 存 储 介 质 分磁芯存储器:早期半导体存储器:磁表面存储器:磁盘光存储器:CDROM、MO、WORM6.1 概述利用不同的剩磁状态存储信息, 容量小、速度慢、体积大、可靠性低双极型:集成度高、功耗低,作主存 MOS型:集成度低,功耗大,速度快,作Cache利用磁层上不同方向
3、的磁化区域表示信息, 容量大, 速度慢,长期保存信息,作外存激光控制,利用光斑的有无表示信息,容量 大速度慢,长期保存信息,作外存5按信息可保 存性分易失性:断电后即失 RAM非易失性:ROM,磁盘,光盘 (永久性)6.1 概述按读出方式分破坏性读出:读出后,原有信息 被破坏,需“再生”操作 如:动态RAM非破坏性读出:静态RAM,磁盘6按在机内作用分Cache:容量小,速度快主存:一定容量,速度较快辅存:海量,速度慢, CPU不直接访问6.1 概述三级存储体系7存储系统的层次结构问题提出:容量、速度、价格 解决办法:存储体系Memory HierarchyCPU高速缓存Cache主存辅存辅助
4、硬件辅助软、硬件Cache解 决速度辅存解决 容量86.1.2 主存的主要技术指标1. 主存储器处于全机中心地位 CPU直接从存储器取指令和数据 DMA技术等建立存储器与输入输出系统的通 路 共享存储器的多处理机强化了中心地位2.主存储器分类:使用半导体存储器RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM6.1 概述9三、主存储器的主要性能指标1. 存储容量:存储单元数每单元位数 256 M 642. 存储速度: 存取时间Ta:启动一次存储器读(写)操 作到完成该次读(写)操作所经历的时间。 存取周期Tm:连续启动独立的存储器操作 所需的最小间隔。略大于存取时间。6.1 概述103. 可靠
5、性:用MTBF衡量 Mean Time Between Failures4. 功耗:越小越好工作功耗、维持功耗性能指标:容量、速度、可靠、功耗6.1 概述5.存取宽度一次可以存取的数据位数或字节数11选中控制数据out主存储器基本操作读:存储单元ready写 :存储单元控制数据in选中ready122、主存储器的基本结构:地址线地 址 译 码存储体I/ O 读 写 电 路数据线读/写控制136.2 存储原理6.2.1 半导体存储器的存储原理MOS型电路结构PMOS NMOS CMOS 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
6、机制存 储信息。功耗较小,容量大,速度较快,作主存功耗较大,速度快,作Cache制造 工艺双极型依靠电容存储电荷的原理存储信息。141、SRAM(静态)存储单元(存一位信息) Vcc字线Z (地址线)位 线 W位 线 WT1T2T3T4T5T6T1 T2 工作管T3 T4 负载管T5 T6 门控管SRAM:利用双稳态触发器保存信息6.2 存储原理152、DRAM 存储单元:利用电容字线Z位 线 WC控制MOS管 T 和电容CC上有电荷“1”;反之“0”写入:字线Z加高电平,位线加高,写入1暂存信息:需定时刷新读出:破坏性读出,需重 写(再生)6.2 存储原理16写 0 :使位线为低电平,若CS
7、 上无电荷,则 CS 无充放电动作,若CS 上有电荷,则 CS 把所存电放完。写 1 :使位线为高电平,若CS 上无电荷,则 通过T 向 CS 充电;若CS 上有电荷,则 CS 无充放电动作。读操作: 首先使位线低电平,当字线来高电平后,T导通,. 若 CS 上无电荷,则位线上无电位变化 (读出为 0);. 若 CS 上有电荷则会放电,并使位线有电流流过,接在位线上的读出放大器会感知这种变化,读出为1。 + - -CS字线位 线T高,T 导通, 低,T 截止。 源极漏极柵极6.2 存储原理173、动态RAM的刷新:由读出放大器来完成刷新间隔:根据电容上电荷泄放速度来决定。 标准:2ms注意:刷
8、新 与 重写(再生)有区别重写:在某单元内容读出后进行(对某单元)刷新:定时,整体进行破坏性读出:读操作后,被读单元的内容一定被 清为零,必须把刚读出的内容立即写回去。 影响存储器的工作频率,在重写结束前不能开始 下一次读。6.2 存储原理18刷新方法 :各芯片同时,片内按行刷新一行所用时间刷新周期 : 对主存 的访问由CPU提供行、列地 址,随机访问读/写/保持 : 动态刷新 :由刷新地址计数器提 供行地址,定时刷新2ms内集中安排所有刷新周期死区用在实时 要求不高 的场合(1)集中刷新R/W刷新R/W刷新 2ms 50ns19(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
9、新 100ns用在低速 系统中2ms例.各刷新周期分散安排在2ms内用在大多数计算机中128行15.6 微秒每隔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 (DMA请求 )(3)异步刷新刷新请求 (DMA请求 )206.2.2 磁表面存储器的存储原理1.记录介质与磁头介质:磁层(矩磁薄膜),依附在基体上 磁头:读写部件2.读写原理(1)写入 磁头线圈中加入磁化电流(写电流),并使磁层移 动,在磁层上形成连续的小段磁化区域(位单元)(2)读出 磁头线圈中不加电流,磁层移动。当位单元的转 变
10、区经过磁头下方时,在线圈两端产生感应电势 213.磁记录编码方式 P284 写电流波形的组成方式 提高可靠性 提高记录密度减少转变区数目具有自同步能力一种编码方式。指的是按照某种规律将一连串 数字信号转变为存储介质磁层的相应磁化翻转 形式,并经读写控制电路实现这种转换规律。 有RZ、NRZ、NRZ1、PM、FM、MFM等方式22磁记录原理和记录方式 RZ“1”正向磁化,“0”反相,每次写一位后归0 NRZ写1通正向,写0反相,但每次写一位后 不归0,由0到1和由1到0极性变化连续0或1需要外加同步电流才能识别是第几个现已不用RZ和NRZP284 图6-4RZNRZ10111000123磁记录原
11、理和记录方式 PM每位单元都存在极性转变,有自同步能力, 并根据极性变化方向不同区分0、1 NRZ1用变与不变区分0和1连续0或1需要外加同步电流才能识别是第几个NRZ1PM1011100010正向;1负向24磁记录原理和记录方式 FM每位单元都存在极性转变,有自同步能力, 并根据变化频率不同区分0、1FMMFM101110001 MFM写1时位中间改变写入电流方向;写0不变, 写入连续两个0时,交界处改变电流方向练习:P336 6.8 25101110001NRZ1FMPMMFMRZNRZ266.2.3 光存储器的存储原理 1.形变型光盘 (1)定义有孔为1,无孔为0(2)写入写1,高功率激
12、光照射介质,形成凹坑; 写0,不发射激光束,介质不变(3)读出低功率激光扫描光道,根据反射光强弱判 断是1或0形变不可逆,不可改写2.相变型光盘写入 写1,高功率激光照射介质,晶粒直径变大; 写0,不发射激光束,晶粒不变 读出 低功率激光扫描光道,根据反射率的差别 判断是1或0相变可逆,可改写273.磁光型光盘可改写写入前:外加磁场,使介质呈某种磁化方向读出热磁效应写,磁光效应读写1,激光照射并外加磁场改变磁化方向; 写0,未被照射区域,磁化方向不变 低功率激光扫描光道,根据反射光的偏转 角度判断是1或0写入286.3 主存储器的组织 6.3.1 主存储器的逻辑设计 (由若干存储单元组成存储器
13、) 容量2NM,有2N个存储单元,每单元存放M位数据 需要N位地址线,M根数据线例如:4 1的存储器cellcellcellcellA1A0地 址 译 码 电 路00 011011数据线D029CPURAM芯片(2NM)A0AN1(N位地址线)D0DM1(M位数据线)片选线CS 读写控制线R/WVccGNDCS0 选中该片工作,CS1该片不工作R/W1 读操作 R/W0 写操作;其他刷新控制线等6.3 主存储器的组织30CPUROM芯片(2NM)A0AN1(N位地址线)D0DM1(M位数据线)片选线CS VccGNDCS0 选中该片工作,CS1该片不工作与RAM不同,没有R/W;其他如输出允许
14、线OE等6.3 主存储器的组织31ROM非易失性的存储器ROM:MROM: 出厂时已写好,不可更改PROM:可写一次EPROM:正常工作时,只能读 紫外线照射,将数据擦除,重新写入EEPROM:电可擦除EPROMFlash ROM:闪存,低电压改写32一般存储芯片:DIP(Dual Inline Package)双列直插封装内存条:SIMM 单列直插存储模块DIMM 双列直插存储模块6.3 主存储器的组织33一、主存储器容量的扩展: 根据不同计算机的要求,主存具有不同容量要求, 目前生产的存储芯片规格有限,需要对实际的存储 器进行扩展给定一定容量芯片,连接成更大容量的主存需解决:芯片的选用 、
15、地址分配与片选逻辑 、信号线的连接6.3 主存储器的组织341、位扩展:存储单元数相同,但位数不足 例:用Intel 2114芯片(10244) 组成10248的存储器方法:总片数总容量 / 芯片容量10248 102442(片)位扩展方法:将各芯片的地址线、片选线、读写线 并联起来,芯片的数据线单独列出6.3 主存储器的组织356.3 半导体存储器的组成与控制2114A0 A1 A9 D0 D1 D2 D3CSWE 2114A0 A1 A9 D0 D1 D2 D3CSWEA0 A1 A9 CS WED3 D2 D1 D0D7 D6 D5 D4CPU362、字扩展:芯片字长相同,但存储单元不足 需要对地址空间进行扩展例:用Intel 2114芯片(10244) 组成40964的存储器40964 102444(片)需用芯片芯片CPU (主存)地址线线1012 数据线线44字扩展: 主存数据线与芯片相连 主存低位地址与芯片相连 主存高位地址经地址分配 后(通常是译码)与芯片的 CS端相连6.3 主存储器的组织374096212,需要12根地址线,A0A11 1024210,芯片带有10根地址线,即A0A9 A11 A10 A9。A1 A00 0 0 0 00 0 1 1 101 0 0 00 1