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1、存储体系和结构详解演示文稿存储体系和结构详解演示文稿1页，共122页，星期一。优选存储体系和结构优选存储体系和结构2页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第5章章5.1存储系统的组成存储系统的组成5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.3半半导导体随机存体随机存储储器器和只读存储器和只读存储器5.4主存储器的连接与控制主存储器的连接与控制5.5提高存储系统性能的技术提高存储系统性能的技术3页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1存储系统的组成存储系统的组成 存储系统和存储器是两个不同的概存储系统和存储器是两个不同的概念，下面首先
2、介绍各种不同用途的存储器，念，下面首先介绍各种不同用途的存储器，然后讨论它们是如何构成一个存储系统的。然后讨论它们是如何构成一个存储系统的。5.1.1存储器分类存储器分类1.按存储器在计算机系统中的作用分类按存储器在计算机系统中的作用分类(1)高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器位于主存和位于主存和CPU之之间，间，用来存放正在执行的程序段和数据，用来存放正在执行的程序段和数据，以便以便CPU高速地使用它们。高速地使用它们。4页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成(2)主存储器主存储器用来存放计算机运行期间所
3、需要的程用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，序和数据，CPU可直接随机地进行读写访可直接随机地进行读写访问。问。(3)辅助存储器辅助存储器用来存放当前暂不参与运行的程序和用来存放当前暂不参与运行的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息。数据，以及一些需要永久性保存的信息。CPU不能直接访问它。不能直接访问它。5页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成2.按存取方式分类按存取方式分类(1)随机存取存储器随机存取存储器RAMCPU可以对可以对RAM单元的内容随机地读单元的内容随机地读写访问。写访问。CPU对任何一个存储单元的读
4、写时对任何一个存储单元的读写时间是一样的，即间是一样的，即存取时间是相同的存取时间是相同的。(2)只读存储器只读存储器ROMROM可以看作可以看作RAM的一种特殊方式，的一种特殊方式，存储器的内容只能随机读出而不能写入。存储器的内容只能随机读出而不能写入。(3)顺序存取存储器顺序存取存储器SAMSAM的内容只能按某种顺序存取，的内容只能按某种顺序存取，存存取时间与信息在存储体上的物理位置有关取时间与信息在存储体上的物理位置有关。注意6页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成(4)直接存取存储器直接存取存储器DAM当要存取所需的信息
5、时，第一步直接当要存取所需的信息时，第一步直接指向整个存储器中的某个小区域（如磁盘指向整个存储器中的某个小区域（如磁盘上的磁道），第二步在小区域内顺序检索上的磁道），第二步在小区域内顺序检索或等待，直至找到目的地后再进行读写操或等待，直至找到目的地后再进行读写操作。作。7页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成3.按存储介质分类按存储介质分类(1)磁芯存储器磁芯存储器利用两种不同的剩磁状态表示利用两种不同的剩磁状态表示“1”或或“0”。磁芯存储器的特点是信息可以。磁芯存储器的特点是信息可以长期存储，不会因断电而丢失；但磁芯存长期存
6、储，不会因断电而丢失；但磁芯存储器的读出是破坏性读出。储器的读出是破坏性读出。(2)半导体存储器半导体存储器采用半导体器件制造的存储器，主要采用半导体器件制造的存储器，主要有双极型（有双极型（TTL电路或电路或ECL电路）存储器电路）存储器和和MOS型存储器两大类。型存储器两大类。8页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成(3)磁表面存储器磁表面存储器在金属或塑料基体上，涂复一层磁性在金属或塑料基体上，涂复一层磁性材料，用磁层存储信息，常见的有磁盘、材料，用磁层存储信息，常见的有磁盘、磁带等。磁带等。(4)光存储器光存储器采用激光
7、技术控制访问的存储器，如采用激光技术控制访问的存储器，如CD-ROM（只读光盘）（只读光盘）、WORM（CD-R，写一次多次读光盘），写一次多次读光盘）、CD-RW（可读可（可读可写光盘）。写光盘）。9页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成4.按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类断电后，存储信息即消失的存储器，断电后，存储信息即消失的存储器，称易失性存储器。断电后信息仍然保存的称易失性存储器。断电后信息仍然保存的存储器，称非易失性存储器存储器，称非易失性存储器。如果某个存储单元所存储的信息被读如果某个存储单元所存储的信息被读
8、出时，原存信息将被破坏，则称破坏性读出时，原存信息将被破坏，则称破坏性读出。具有破坏性读出的存储器，每当一次出。具有破坏性读出的存储器，每当一次读出操作之后，必须紧接一个重写（再生）读出操作之后，必须紧接一个重写（再生）的操作，以便恢复被破坏的信息。的操作，以便恢复被破坏的信息。如果读出时，被读单元原存信息不被如果读出时，被读单元原存信息不被破坏，则称非破坏性读出。破坏，则称非破坏性读出。10页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成5.1.2存储系统层次结构存储系统层次结构为了解决存储容量、存取速度和价格为了解决存储容量、存取速度
9、和价格之间的矛盾，通常把各种不同存储容量、不之间的矛盾，通常把各种不同存储容量、不同存取速度的存储器，按一定的体系结构组同存取速度的存储器，按一定的体系结构组织起来，形成一个统一整体的存储系统。织起来，形成一个统一整体的存储系统。11页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成 从从CPU的角度来看，的角度来看，n种不同的存储器种不同的存储器（M1Mn）在逻辑上是一个整体。其中：）在逻辑上是一个整体。其中：M1速度最快、容量最小、位价格最高；速度最快、容量最小、位价格最高；Mn速度最慢、容量最大、位价格最低。整个存速度最慢、容量最大、
10、位价格最低。整个存储系统具有接近于储系统具有接近于M1的速度，相等或接近的速度，相等或接近Mn的容量，接近于的容量，接近于Mn的位价格。在多级存的位价格。在多级存储层次中，最常用的数据在储层次中，最常用的数据在M1中，次常用中，次常用的在的在M2中，最少使用的在中，最少使用的在Mn中。中。12页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成13页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成由高速缓冲存储器、主存储器、辅助由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分
11、为两个存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次。其层次。其中高速缓存和主存间称为中高速缓存和主存间称为Cache- -主存存储层次（主存存储层次（Cache存储系统）；主存存储系统）；主存- -辅存存储层次（虚拟存储系统）。辅存存储层次（虚拟存储系统）。14页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成Cache存储系统是为解决主存速度不足存储系统是为解决主存速度不足而提出来的而提出来的。在。在Cache和主存之间，增加辅和主存之间，增加辅助硬件，让它们构成一个整体。从助硬件，让它们构成一个整体。从CPU看，看，速度接近速度接近Cach
12、e的速度，容量是主存的容量，的速度，容量是主存的容量，每位价格接近于主存的价格。由于每位价格接近于主存的价格。由于Cache存存储系统全部用硬件来调度，因此它对系统储系统全部用硬件来调度，因此它对系统程序员和应用程序员都是透明的。程序员和应用程序员都是透明的。15页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成16页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成 虚拟存储系统是为解决主存容量不足虚拟存储系统是为解决主存容量不足而提出来的而提出来的。在主存和辅存之间，增加辅。在主存和辅
13、存之间，增加辅助的软硬件，让它们构成一个整体。从助的软硬件，让它们构成一个整体。从CPU看，速度接近主存的速度，容量是虚看，速度接近主存的速度，容量是虚拟的地址空间，每位价格是接近于辅存的拟的地址空间，每位价格是接近于辅存的价格。由于虚拟存储系统需要通过操作系价格。由于虚拟存储系统需要通过操作系统来调度，因此对系统程序员是不透明的，统来调度，因此对系统程序员是不透明的，但对应用程序员是透明的。但对应用程序员是透明的。17页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存存储储系统系统的的组成组成18页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院
14、第第5章章5.1存储系统的组成存储系统的组成5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.3半半导导体随机存体随机存储储器器和只读存储器和只读存储器5.4主存储器的连接与控制主存储器的连接与控制5.5提高存储系统性能的技术提高存储系统性能的技术19页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织主存储器是整个存储系统的核心，它主存储器是整个存储系统的核心，它用来存放计算机运行期间所需要的程序和用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，数据，CPU可直接随机地对它进行访问。可直接随机地对它进行访问。20页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学
15、院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.1主存储器的基本结构主存储器的基本结构主存储器通常由存储体、地址译码驱主存储器通常由存储体、地址译码驱动电路、动电路、I/O和读写电路组成。和读写电路组成。存储体存储体地址线地址线读读/写控制线写控制线I/O地地址址译译码码驱驱动动和和读读写写电电路路数据线数据线21页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 存储体是主存储器的核心，程序和数存储体是主存储器的核心，程序和数据都存放在存储体中。据都存放在存储体中。地址译码驱动电路实际上包含译码器地址译码驱动电路实际上
16、包含译码器和驱动器两部分。译码器将地址总线输入的和驱动器两部分。译码器将地址总线输入的地址码转换成与之对应的译码输出线上的有地址码转换成与之对应的译码输出线上的有效电平，以表示选中了某一单元，并由驱动效电平，以表示选中了某一单元，并由驱动器提供驱动电流去驱动相应的读、写电路，器提供驱动电流去驱动相应的读、写电路，完成对被选中单元的读、写操作。完成对被选中单元的读、写操作。I/O和读写电路包括读出放大器、写入和读写电路包括读出放大器、写入电路和读电路和读/写控制电路，用以完成被选中存写控制电路，用以完成被选中存储单元中各位的读出和写入操作。储单元中各位的读出和写入操作。22页，共122页，星期一。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织存储器的读存储器的读/写操作是在控制器的控写操作是在控制器的控制下进行的。半导体存储器芯片中的控制制下进行的。半导体存储器芯片中的控制电路，必须接收到来自控制器的读电路，必须接收到来自控制器的读/写命令写命令或写入允许信号后，才能实现正确的读或写入允许信号后，才能实现正确的读/写写操作。操作。23页，共122页，星期
