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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 )CPU内部辅助硬件辅助 软、硬件6.2.1 主存储器
2、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行选择线列选择线列选择线数据线数据线T T1 1C C1 1C C2 2T T2 2WE6.2.2 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器行 地 址 译 码 器行 地 址 锁 存 器I
3、/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RASCASA6A0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 Dout6.2.2 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RASCASWEDout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
4、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 WED0 D1D30 D31CS7CS6CS1CS06.2.3 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WE3-8 译码器A20A0A23 A22 A21D7D016M1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16M
5、1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 D1D30 D31WEA23A04-16 译码器A27 A26 A25 A24 CS0CS1CS14CS15500ns500ns6.2.4 动态存储器的刷新1.1.集中式刷新集中式刷新读写 周期读写 周期读写 周期读写 周期读写 周期500ns500ns500ns刷新 周期刷新 周期刷新 周期500ns500ns500ns38
6、72个128个2ms2.2.分散式刷新分散式刷新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500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns6.2.4 动态存储器的刷新3.3.异步式刷新异步式刷新读写 周期读写 周期刷新 周期读写 周期读写 周期500ns500ns500ns刷新 周期读写 周期刷新 周期500ns500ns15.6s2ms读写 周期500ns15.6s15.6s6.2.5 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
7、期 数据传输率 3.可靠性 4.功耗 5.制作工艺 6.价格6.3.1 Cache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，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。6.3.1 Cache的工作原理3.Cache的基本结构主主 存存 储储 器器块
8、号块内地址主存地址块内地址CPUCPU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NNYYCache地址6.3.2 Cache-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6.3.2 Cache-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
9、 31 块第 2032 块第 2033 块第 2047 块.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Cache6.3.2 Cache-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6.3.3 Cache替换算法1.FIFO算法0 02.LRU2.LRU算法算法0 00 01 10 00 00 05 55 55 55
10、 55 53 33 33 33 33 33 3第第 0 0 块块第第 1 1 块块第第 2 2 块块第第 3 3 块块第第 0 0 块块第第 1 1 块块第第 2 2 块块第第 3 3 块块0 00 00 00 00 0 1 11 11 11 15 51 11 11 11 11 10 00 00 00 00 02 22 22 22 23 33 33 33 33 33 31 11 11 11 11 10 00 00 02 22 22 22 22 24 44 44 44 44 41 11 10 00 00 00 00 00 02 22 22 22 25 55 55 55 53 33 33 33 3
11、3 33 33 33 33 33 31 11 11 11 11 11 11 11 11 11 12 22 22 22 22 24 44 44 44 40 00 00 00 01 13 30 02 25 51 10 01 14 43 31 12 20 01 13 3装入装入 装入装入 装入装入 命中命中 装入装入 替换替换 替换替换 命中命中 命中命中 替换替换 替换替换 命中命中 替换替换 替换替换 命中命中 命中命中0 01 13 30 02 25 51 10 01 14 43 31 12 20 01 13 3装入装入 装入装入 装入装入 命中命中 装入装入 替换替换 命中命中 替换替换 替
12、换替换 替换替换 替换替换 命中命中 替换替换 替换替换 替换替换 命中命中6.4.1 磁表面存储器的读写原理1 11 11 11 11 11 10 00 00 00 00 0载体载体磁层磁层写入线圈写入线圈读出线圈读出线圈I Iwwe ev v6.4.2 磁表面存储器的记录方式1 10 01 11 11 10 00 00 01 1RZRZNRZNRZNRZ-1NRZ-1PEPEFMFMMFMMFMMM2 2FMFM6.4.3 硬盘存储器的结构1.硬盘驱动器盘片和磁盘组：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。
13、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
14、盘存储器的信息分布1.硬盘地址格式驱动器号驱动器号磁道号磁道号记录面号记录面号扇区号扇区号1 1# #2 2# #3 3# #4 4# #5 5# #6 6# #7 7# #8 8# #6.4.4 硬盘存储器的信息分布2.磁道记录格式GG1 1扇区扇区1 1# #扇区扇区2 2# #扇区扇区n n# #GG4 4SYNCSYNC地址标志地址标志 圆柱面号圆柱面号 磁头号磁头号扇区号扇区号CRCCRCGG2 2数据区标志数据区标志GG3 3CRCCRC用户数据用户数据6.4.5 硬盘存储器的技术指标1.记录密度道密度：沿盘片半径方向在单位长度上刻划的磁道数量。位密度：沿磁道圆周在单位长度上记录的
15、二进制位数。面密度：指单位面积上记录的二进制位数。 2.存储容量非格式化容量：指硬盘存储器所能存储的总位数，包括各种格式信息的位数。格式化容量：指各个扇区用户数据字段的容量总和。 3.平均寻址时间平均寻道时间：启动硬盘后，将磁头定位于目标磁道所需的平均时间。磁头译码时间：根据磁盘地址提供的记录面号选择读写磁头所需的时间。平均等待时间：磁头等待要读写的扇区旋转到磁头所在位置的平均时间。 4.数据传输率内部数据传输率：磁头和硬盘高速缓存之间在单位时间内传送的位数或字节数 。外部数据传输率：主机和硬盘高速缓存之间在单位时间内传送的位数或字节数 。 5.高速缓存：即硬盘控制器中高速缓冲存储器的容量。 6.误码率：从硬盘读出的错误信息位数和读出的总位数的比值。6.5.1 盘片结构与光记录原理1.CD-ROM盘片结构图15 mm15 mm33 mm33 mm35 mm35 mm116 mm116 mm120 mm120 mm保护区保护区紧固区紧固区信息记录区信息记录区导入区导入区6.5.1 盘片结构与光记录原理2.光盘盘片的内部结构3030 mm光盘基片光盘基片（涂漆层涂漆层）铝反射层铝反射层1 1 mm1 1 mmmm透明塑料透明塑料
