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1、第三章 存储系统,3.1 存储器概述存储器分类存储器的分级结构主存储器的技术指标,3.1.1 存储器分类,存储元(存储位)存储单元按字编址与按字节编址每一个存储单元的位数是不同的；按字编址可以增加存储空间；按字节编址便于对字符进行处理。存储器存储器所包含的存储单元个数称为存储器的容量，内存的容量与地址线的宽度有关；内存的容量通常是以字节来度量的(如：KB、MB、GB、TB等)，因此对于相同的地址线宽度，按字编址与按字节编址其最大存储空间是不同的。,十六位机的按字节编址与按字编址,按字节编址,按字编址,3.1.1 存储器分类,按存储介质分 半导体存储器：用半导体器件组成的存储器。磁介质存储器：磁
2、芯、磁鼓磁表面存储器：将磁性材料附着在基底表面制成的存储器。光反射材料存储器：光盘,3.1.1 存储器分类,按存储方式分 随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关。顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关。半顺序存储器：磁盘、光盘。,3.1.1 存储器分类,按存储器的读写功能分 (存储内容可变性)只读存储器(ROM)：存储的内容是固定不变的，只能读出而不能写入的半导体存储器；随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的半导体存储器、磁盘、磁带。,3.1.1 存储器分类,按信息的可保存性分(易失性)非永久记忆的存储器(易失性存储器
3、)：断电后信息即消失的存储器，半导体读写存储器(RAM) ；永久记忆性存储器(非易失性存储器) ：断电后仍能保存信息的存储器，半导体只读存储器(ROM)、磁盘、磁带、光盘。,3.1.1 存储器分类,按在计算机系统中的作用分 主存储器辅助存储器高速缓冲存储器控制存储器等。,3.1.2 存储器的分级结构,容量速度成本,计算机的多级存储层次,容量增大速度降低价格降低,存储系统的分级结构,存储系统的分级结构,计算机的基本存储层次,寄存器,专用寄存器： 指令寄存器 地址寄存器 程序计数器 状态寄存器 变址寄存器等；通用寄存器： 至少应有两个以上的通用寄存器，用于临时存放送入运算器的操作数。,寄存器,存取
4、速度最快；成本最高；容量最小；通用寄存器常用于存放运算的操作数和运算过程中的中间结果。,主存储器(内存),按地址进行访问；访问任何单元所需的时间相同；容量、速度和价格均介于寄存器和外存储器之间；属非永久性存储器，断开电源后，数据会丢失。,磁芯存储器,辅存储器(外存),磁盘：软盘Floppy disk硬盘Hard disk光盘Optical disk磁带Magnetic tape,磁盘与磁带被称为磁表面存储器,辅存储器(外存),存取时间与存储单元的物理位置有关；存储容量大，位价格低；磁表面存储器的记录介质可以重复使用；记录信息可以长期保存而不丢失，并可以脱机存档；采用非破坏性读出，读出时不需要再
5、生信息。,磁盘,由某种基质材料制成的薄的、可以旋转的盘片，表面有磁介质的涂层以存储数据。存放程序和数据；根据基质材料的不同可分为软盘和硬盘；硬盘又可根据组成系统的方式不同分为盘片、盘组、盘阵列。,磁盘存储系统,磁盘组,磁盘组,磁盘阵列,由若干个磁盘驱动器连接成一个阵列，用一个磁盘阵列控制器进行控制，并为此配置专门的高速缓冲存储器；磁盘阵列所用的单台驱动器容量不是很大，比较容易制造，而整个盘阵列的容量很大，数据传输高；磁盘阵列可以做成容错结构，一个或数个驱动器发生故障，盘阵列仍可工作因此可靠性高。,磁盘阵列,廉价冗余磁盘阵列RAID（Redundent Array of Inexpensive
6、Disks）是由美国加州大学伯克利分校的D.A. Patterson教授在1988年提出的。也简称为“磁盘阵列”。后来RAID中的字母I被改作了Independent，RAID就成了“独立冗余磁盘阵列”，实质性的内容并没有改变。,磁盘阵列,可以把RAID理解成一种使用磁盘驱动器的方法，它将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用。一般情况下，组成的逻辑磁盘驱动器的容量要小于各个磁盘驱动器容量的总和。,磁盘阵列,（1）冗余无校验的磁盘阵列(RAID0) （2）镜象磁盘阵列(RAID1)（3）并行海明纠错阵列(RAID2)（4）奇偶校验并行位交错阵列(RAID3)（5
7、）奇偶校验扇区交错阵列(RAID4)（6）循环奇偶校验阵列(RAID5)（7）二维奇偶校验阵列(RAID6),磁盘,磁道：盘旋转时，磁头沿着圆圈移动柱面：每一组磁道扇区：每个磁道划分为若干个弧区。记录在扇区上的信息是连续的二进制位。每个扇区的信息量是相同的。512字节或1024字节。格式化：重新分配磁道和扇区的位置,软盘,仅由一张软质聚酯塑料溥片为基质的盘片组成，双面记录数据；8英寸， 5.25英寸，3.5英寸，2.5英寸；3.5英寸软盘：封装在硬的塑料盒子里，容量1.44MB；Zip盘：几百MB ；,软盘：1.44MB,软驱 3.5寸软盘,硬盘,容量大，一般由多个刚性盘片组成盘组；磁头不与盘
8、片表面接触，而是靠气流“浮”在上面；划道,划道,硬盘,寻道时间：读/写磁头从当前磁道移到目的磁道所需要的时间；等待时间/旋转延迟：到达目的扇区所需要的时间；存取时间：寻道时间+等待时间传输速率：数据从磁盘上读出或写入磁盘的时间,硬盘：,光盘,5英寸盘，由反射材料组成，通过在反射层上创建反射偏差的方法在上面记录信息。这种信息可以通过激光束检测出来；螺旋形磁道(从内向外)、扇区2KB：长而连续的数据串；如需要随机存取，同心圆磁道的磁盘较好。,光盘,CD-ROM 光盘,光 驱 光盘背面 光盘正面,磁带,信息存储在一条细薄的塑料带的磁介质涂层上；通常有9条磁道。,磁带,磁带,U盘存储器,为半导体存储器
9、，它的存储介质是快闪存储器(Flash Memory)；可重复擦写达100万次；防潮，耐高低温(-40C+70C)；有写保护功能；使用USB2.0接口，无需外接电源，不使用驱动器；支持即插即用和热插拔；存取速度大约是软盘的15倍，读写大文件要比小文件快；体积小，重量轻，便于携带；防震性能好，因为它采用无机械装置、结构坚固；多种规格：32MB、64MB、128MB、256MB、512MB、1GB、2GB、4GB、8GB、16GB等。,U盘存储器,高速缓冲存储器(Cache),被集成在CPU内，也可在CPU与主存之间设置；Cache及Cache与主存之间的信息交换对于程序设计者(包括系统程序员)都
10、是透明的；它的存储速度高于主存，成本高于主存，容量小于主存；它主要用来解决CPU与主存之间的速度匹配问题;在系统需要时，将内存中的数据整批调入Cache，其调度的算法由系统设计者完成，CPU直接对Cache进行数据存取，从而提高速度。,3.1.3 存储器的技术指标,容量 速度(存取速度) 价格(位价格),设计存储系统的主要目标是：在尽可能低的价格下，提供尽可能高的速度及尽可能大的存储容量。,表3.2 主存储器的主要几项技术指标,第三章 存储系统,随机读写存储器静态MOS存储器(SRAM)动态MOS存储器(DRAM) 3.2 SRAM存储器,3.2.1 基本静态存储元阵列,静态存储器,SRAM存
11、储器的构成,行译码器X,列译码器Y,SRAM存储器的构成,地址译码的两种方式,采用单译码结构的存储单元,采用双译码结构的存储单元矩阵,3.2.1 SRAM存储器,驱动器I/O电路片选与读/写控制电路输出驱动电路,2114逻辑结构图,存储器的读、写周期,存储器的读、写周期,第三章 存储系统,3.3 DRAM存储器,3.3 DRAM存储器,动态存储器,单管DRAM基本存储电路,图29 单管DRAM基本存储电路,单管DRAM的存储矩阵,表3.4 单管存储元电路和四管存储元电路对比,DRAM存储元的读、写刷新操作,DRAM存储元的读、写刷新操作,DRAM存储元的读、写刷新操作,DRAM存储元的读、写刷
12、新操作,3.3.2 DRAM芯片的逻辑结构,3.3.2 DRAM芯片的逻辑结构,3.3.3 读/写周期、刷新周期,3.3.3 读/写周期、刷新周期,DRAM的刷新,集中刷新方式,DRAM的刷新,分散刷新方式,DRAM的刷新,异步刷新方式前两种方式的结合，在规定的刷新时间内将所有单元刷新一遍。,DRAM的刷新,两种标准刷新操作只用RAS信号刷新；CAS在RAS之前的刷新。这种方式是在RAS之前使CAS有效，启动内部刷新计数器，产生需要刷新的行地址，而忽略外部地址线上的信号。,存储器控制电路,存储器控制电路,(1)地址多路开关：刷新时需要提供刷新地址，非刷新时需提供读写地址，由多路开关进行选择。(
13、2)刷新定时器： 定时电路用来提供刷新请求。(3)刷新地址计数器：只用RAS信号的刷新操作，需要提供刷新地址计数器。(4)仲裁电路：对同时产生的来自CPU的访问存储器的请求和来自刷新定时器的刷新请求的优先权进行裁定。(5)定时发生器：提供行地址选通信号RAS、列地址选通信号CAS和写信号WE.,3.3.4 存储器容量的扩充,位扩展法字扩展法字位同时扩展法,位扩展法组成8K RAM,字扩展法组成64K RAM,高性能主存储器,高性能主存储器,EDRAM芯片EDRAM芯片又称增强型DRAM芯片，它在DRAM 芯片上集成了一个SRAM实现的小容量高速缓冲存储器，从而使DRAM芯片的性能得到显著改进。
14、以SRAM保存一行内容的办法，对成块传送非常有利。如果连续的地址高11位相同， 意味着属于同一行地址，那么连续变动的9位列地址就会使SRAM中相应位组连续读出，这称为猝发式读取。,高性能主存储器,EDRAM内存条一片EDRAM的容量为1M4位，8片这样的芯片可组成1M32位的存储模块。8个芯片共用片选信号Sel、行选通信号RAS、刷新信号Ref和地址输入信号A0A10。当某模块被选中，此模块的8个EDRAM芯片同时动作，8个4位数据端口D3D0同时与32位数据总线交换数据，完成一次32位字的存取。上述存储模块本身具有高速成块存取能力,这种模块内存储字完全顺序排放，以猝发式存取来完成高速成块存取的方式，在当代微型机中获得了广泛应用。,高性能主存储器,1M*32位EDRAM模块组成,主存物理地址的存储空间分布,谢谢！,
