哈工大英才学院计算机组成原理第7章.ppt

1,第7章 存储器和存储系统方连众,计算机组成技术,2,第7章 存储器和存储系统,存储器-人类的记忆细胞内存：CPU可以直接控制的并可寻址的存储器发展：从属的记忆部件现在计算机的核心目前的存储设备：半导体、磁盘、磁带、光盘待解决的问题：与CPU的匹配应具有的特点：大量存储快速存取精确寻址,主要内容：7.1 分层的存储器系统7.2 几种半导体存储器4.3 利用存储芯片构造存储系统4.4 提高访问存储器速度的方法4.5 外部存储器,3,7.1 分层的存储器系统,存储介质：性能指标：存储容量：,能够区分两种状态，用来存储“0”和“1”的物理元件。,速度、容量、价格,存储器可以容纳的二进制信息量,4,存储器的分层结构,存储器分层结构图,速度越来越慢,cpu,外存,Cache,主存,(带cache的存储器层次),存储器的性能由速度、容量和价格来衡量。一般来说，速度越高，价格就越高；容量越大，价格就越低；而大容量，影响了读取速度。这些年来，人们不断追求大容量、高速度、低价格的存储器，但各种存储器之间还存在许多的不足，所以在系统的设计上，采用了分层的存储结构来提高存储器系统的性能，,5,4.1.2 存储器系统中的主存,主存储器是存储系统的主体。主存的组成：由地址寄存器、地址译码、驱动电路、存储体、读写电路和数据寄存器组成。存储芯片和CPU芯片可通过总线连接.,6,4.1.2 存储器系统中的主存,主存的基本组成,7,cpu,地址寄存器,数据寄存器,主存,数据线,控制线,地址线,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,地址,读命令,传数据,Cpu读数据过程,1主存中的地址 通常，主存各存储单元的位置是由地址号来表示的，而地址总线是用来指出存储单元地址号的2主存的性能主存的主要技术指标是存储容量和存储速度。存储容量是指主存能存放二进制代码的总数存储速度是由存取时间和存取周期来表示的。存取时间又是指启动一次存储器操作（读或写）到完成该操作所需的全部时间。存取时间分读出时间和写入时间两类。读出时间是从存储器接收到有效地址开始，到产生有效数据输出所需的全部时间。写入时间是从存储器接收到有效地址开始，到数据写入被选中单元只所需的全部时间。,4.1.2 存储器系统中的主存,8,存取周期 连续启动两次独立的存储器操作（如读或写）所需的最小间隔时间，通常存储周期大于存取时间。存储器的带宽它表示每秒从存储器进出信息的最大数量，单位为字/秒或字节/秒或位/秒表示。如存取周期为500ns，每个存取周期可访问16位，则它的带宽为32M位/秒。,4.1.2 存储器系统中的主存,9,半导体存储芯片的基本结构是采用超大规模集成电路制造工艺，可以在一个芯片内集成具有记忆功能的存储矩阵、译码驱动电路和读写电路等，译码驱动能把地址总线送来的地址信号翻译成对应存储单元的选择信号，该信号由驱动线路锁定对被选中单元的操作读写电路包括读出放大器和写入电路，用来完成读写操作。存储芯片通过地址总线、数据总线和控制总线与外部连接。地址线是单向输入的，其位数与芯片容量有关。数据线是双向的（有的芯片可用成对出现的数据线分别作输入或输出），其位数与芯片数据位数有关。地址线和数据线的位数可共同反映存储芯片的容量。,4.1.2 存储器系统中的主存,10,第四章 存储器和存储系统,4.1 分层的存储器系统4.2 几种半导体存储器4.3 利用存储芯片构造存储系统4.4 提高访问存储器速度的方法4.5 外部存储器,11,4.2 几种半导体存储器,半导体存储器芯片是采用VLSI制造工艺，在一个芯片内集成了具有记忆功能的存储矩阵、译码驱动电路和读写电路，构成了可记忆、可寻址及可读写的记忆体。,地址线功能：用来选定存储单元。引脚：地址引脚数取决存储单元数目。例：A0-A9 1KByte;A0-A102KB;1MB220 条地址线.主存编址：0-3FFH可编址1K字节;?起始地址24000H，大小4KB,最大地址,数据线功能：用来读写存储单元。引脚：数据引脚数取决存取宽度。例：D0-D7 1Byte称字节存储器;多数为8位，16、4、1少存储芯片的容量表示：1KB8大小1KBYTE，输出8位；16KB1?,选择线功能：控制存储芯片工作。有时称为片选，片允许，选择线,负逻辑低电平有效。若有多个片选时，工作条件为逻辑与关系。,读写控制线功能：控制存储芯片读/写工作选择（输入/输出）。ROM：只有输出控制信号；RAM：有一个或两个读写控制信号R/,、,、.当读写信号都存在时系统不工作，两个信号均为1时，DB呈高阻状态,4.2.1 只读存储器ROM 4.2.2 静态RAM(SRAM)4.2.3 动态RAM(DRAM),12,4.2.1 只读存储器ROM,(1)掩膜ROM,13,4.2.1 只读存储器ROM,(2)PROM,(3)EPROM,14,4.2.1 只读存储器ROM,（4）电可擦写ROM（EEPROM及Flash存储器）,15,4.2.1 只读存储器ROM,2716EPROM,片选控制信号,编程控制信号,16,4.2.2 静态RAM(SRAM),存储器芯片是由单元电路组成。下图是一个静态RAM的基本单元电路，包含六个MOS管。,不需要外加刷新电路（所以称静态RAM），工作稳定。MOS管太多，限制了集成度。,目前最大的SRAM芯片128K8 存取时间10ns，主要用于Cache。,17,4.2.3 动态RAM(DRAM),DRAM基本单元电路有两种三管式和单管式；,根据存储电荷原理记忆信息。电容上的电荷能够维持2ms，必须在2ms内刷新。功耗比SRAM低，集成度高，需要定时刷新电路。目前主存主要由DRAM组成。,18,4.2.3 动态RAM(DRAM),TMS4464地址线重复使用，寻址64KB存储单元。,EDO(extended data output)存储器对一般的DRAM进行了修改；RAS选通的数据提前锁存在数据缓冲器中；当CAS选通后数据直接输出。性能提高了20%30%。分72和168线，数据宽度为32和64Bit,SDRAM(Synchronous Dynamic RAM)存储器都是168线，数据宽度为64位。工作时钟与CPU的外部时钟同步，传输速度比EDO DRAM快。,19,第四章 存储器和存储系统,4.1 分层的存储器系统4.2 几种半导体存储器4.3 利用存储芯片构造存储系统4.4 提高访问存储器速度的方法4.5 外部存储器,20,4.3 利用存储芯片构造存储系统,采用地址译码来实现在多个存储芯片上选择一个工作。,4.3.1 利用与非门实现译码 4.3.2 利用译码芯片实现译码,21,4.3.1 利用与非门实现译码,与非门逻译码：利用逻辑“与”功能和“非”功能实现译码操作。,例：CPU输出20位AB，8位DB,CB有M/IO;采用2716芯片（2K*8EPROM）构造存储系统，AB11条，DB8条。译码功能：从1M空间内选出该2K地址范围的2716。,片选信号：A19A11:111111110,地址区域：FF000HFF7FFH,22,利用译码芯片实现译码,译码芯片：将输入信号变换成输出信号(地址信号)，用来选择存储芯片或确定地址单元。,73LS138是一种3-8译码器。,23,74LS138真值表,24,存储系统扩充,1110 000|0 0000 0000 00001110 000|1 1111 1111 1111,1110 111|0 0000 0000 00001110 111|1 1111 1111 1111,25,第四章 存储器和存储系统,4.1 分层的存储器系统4.2 几种半导体存储器4.3 利用存储芯片构造存储系统4.4 提高访问存储器速度的方法4.5 外部存储器,26,4.4.1 单体多字系统 程序员在设计程序时，经常是程序和数据在存储体内是连续存放的，可以假设在一个存取周期内，从同一地址取出N条指令，然后再逐条将指令送至CPU执行，也即每隔N分之一存取周期，主存向CPU送一条指令，这样显然增大了存储器的带宽，提高了单体存储器的工作速度.4.4.2 多体并行存储系统多体并行存储系统于单体并行方式的不同之处，每个存储体大小相同，都有一套自己的地址寄存器、地址译码器、驱动电路和时序控制电路。这些并行存储体能并行工作，又能交叉工作。,4.4 提高访问存储器速度的方法,原因:随着计算机应用领域的不断扩大，处理的信息量也越来越多，对存储器的读取速度和容量要求越来越高。,体号交叉编址方式：低位交叉编址，高位交叉编址。启动工作方式：并行，流水。,27,4.4.3 高速缓冲存储器Cache,半导体的发展始终跟不上芯片的发展,层次化结构：cache 主存 辅存,28,（1）Cache基本结构,29,（2）几个技术问题,工作原理地址映象替换算法命中率读写操作发展,Cache存储体以块为单位与主存交换信息，一个块一般由若干个字组成。工作原理，如前图所述。,地址映象是将CPU送来的主存地址通过硬件电路转换为Cache地址。映象方式：直接相联 全相联 组相联 段相连,30,替换算法,先进先出（FIFO）算法：FIFO算法的原则总是将最先调入Cache的字块替换出来，它不需要随时记录各字块的使用情况，所以容易实现、开锁小。但其缺点是可能把一些需要经常使用的程序（如循环程序）块也作为最早进入Cache的块而被替换出去。,近期最少使用（LRU）算法：LRU算法是将近期最少使用的块替换出来。它需要随时记录Cache中各个字块的使用情况，以便确定哪个字块是近期最少使用的字块。LRU算法的平均命中率比FIFO高，尤其是当分组容量加大时（组相联映象）更能提高LRU算法的命中率。,31,命中率,数据块在Cache中称为CPU访问Cache命中，否则称为CPU访问Cache不命中。读一批数据，数据块在Cache中的成功率我们称为命中率h。,CPU的存储器平均访问时间：t=htc+(1-h)tmh 1时t tc。,32,读写操作,目前主要采用以下几种方法。写直达法（Write-through），它能保证主存与Cache的数据始终是一致的。但有可能会增加访存次数，因每向Cache写入时，都需向主存写入。写回法（Write-back），数据只是暂时写入Cache，并用标志将该块加以注明，直至该块从Cache替换出时，才写入主存。这种方法又称标志交换式（Flang-Swap），其速度快，但在此前主存中字块未经随时修改可能失效。,33,发展,Cache刚出现时，典型系统只有一个缓存，近年来普遍采用多个Cache，所以总体上可以分为CPU内部Cache，板极Cache。CPU内部Cache，又分为指令Cache和数据Cache。,34,第四章 存储器和存储系统,4.1 分层的存储器系统4.2 几种半导体存储器4.3 利用存储芯片构造存储系统4.4 提高访问存储器速度的方法4.5 外部存储器,35,4.5 外部存储器,主要技术指标4.5.2磁记录原理和记录方式4.5.3 软磁盘存储器4.5.4硬盘存储器4.5.5磁带存储器4.5.6 光盘存储器,外部存储器又称作辅助存储器，它是主存的后援设备，它与主存、缓存一起组成了存储器的层次系统.计算机系统的辅助存储器有硬盘、软盘、磁带、光盘等.,36,(1)纪录密度道,道密度,纪录密度,位密度,主要技术指标,硬盘,软盘磁带光盘等外存储位置称为道,道之间存在一些宽从横向来看,单位长度的道数称为道密度,它的单位是TPI,纪录密度通常是指单位长度的道内所存储的二进制数据量,单位长度磁道能纪录的二进制数据的位数是位密度,他的单位是bip,（2）存储容量存储容量是指外存所能存储的二进制信息总数量，一般以位(Bit)或字节(Byte)为单位。若一个磁盘组有一个N个盘面存储信息，每个盘面有T条磁道，每条磁道分成S个扇段，每段存放B个字节，所以存放容量：公式为C=N*T*S*B。,（3）平均寻址时间读写头接到读写命令从起始位置到达指定位置所需的全部时间称为寻址时间。寻址时间分为两个部分，一是磁头寻找目标磁道的找道时间ts，另一个是找到磁道后，磁头等待欲读写的磁道区段旋转到磁头下方所需要的等待时间tw。由于从最外圈磁道找到最里圈磁道和寻找相邻磁道所需时间是不等的，而且磁头等待不同区段所花的时间也不等，因此，取其平均值，称作平均寻址时间Ta，它是平均找道时间tsa和平均等待时间twa之和,（4）数据传输率数据传输率Dr是指单位时间内存储器读/写磁表面存储器向主机传送数据量（5）误码率误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数，它等于从辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比,37,4.5.2 磁记录原理和记录方式,(磁表面存储元的存储原理),磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成读写操作入时，记录介质在磁头下面匀速通过，根据写入代码的要求，对写入线圈输入一定方向和大小的电流使磁头导磁体磁化，可以使磁层表面被磁化的极性方向不同，以区别记录“0”或“1”。,读出时，写线圈通过电流，让磁载体在磁头下运动时存储元中的剩磁便会在读出电路中感应出信号。,38,4.5.2 磁记录原理和记录方式,FM、MFM磁记录方式的写入电路,磁表面存储器的记录方式是指数据的编码方式，它是指按某种规律，将一串二进制数字信息变换成磁表面相应的磁化状态,（1）调频制（FM）调频制的记录规则是：以驱动电流变化的频率不同来区别记录“1”还是“0”。当记录“0”时，在一位信息的记录时间内电流保持不变；当记录“1”时，在一位信息记录时间的中间时刻，使电流改变一次方向。而且无论记录“0”还是“1”，在相邻信息的交界处，线圈电流均变化一次.（2）改进调频制（MFM）这种记录方式基本上同调频制，即记录“0”时，在位记录时间内电流不变；记录“1”时，位记录时间的中间时刻电流发生一次变化。两者不同之处在于，只有当连续记录两个或两个以上的“0”时，才在每位的起始处电流改变一次，不必在每个位起始处都改变电流方向。,39,4.5.3 软磁盘存储器,软磁盘存储器的盘片是用类似塑料薄膜唱片的柔性材料制成的，简称软盘。软盘的特点是价格便宜,携带方便。软盘在使用之前必须格式化,未格式化的软盘叫白盘.所有的软盘都采用统一的纪录方式,这样就便于盘片的交换.,软盘驱动器是一个相对独立的装置，主要由驱动机构、磁头及定位机构和读写电路组成。软磁盘控制器的功能是解释来自主机的命令，并向软盘驱动器发出各种控制信号，同时还要检测驱动器的状态，按规定的数据格式向驱动器发出读写数据命令等.,具体操作如下：（1）寻道操作是将磁头定位在待读写的磁道上；（2）地址检测操作是主机将目标地址送往磁盘控制电路，从驱动器上按记录格式读取地址信息，并与目标地址进行比较，找到欲读（写）信息的磁盘地址；（3）读数据操作首先检测数据标志是否正确，然后将数据字段的内容送入主存、最后用校验码校验；（4）写数据操作时，不仅要将原始信息经编码后写入磁盘，同时要写上数据区标志和校验码以及间隙.,40,硬盘存储器,硬盘的结构,硬盘与软盘一样，必须经过格式化后才能使用，然而硬盘的格式化要比软盘的格式化过程麻烦得多。然而硬盘由于容量很大，可以分成不同的区域供多个操作系统使用，因而必须经过低级格式化.,分区和逻辑格式化处理后才能使用。,41,硬盘存储器,硬盘的盘片,由硬质铝合金材料制成的，其表面涂有一层可被磁化的硬磁特性材料。,低级格式化,Format格式化,硬盘的分区,新硬盘,可使用,低级格式化是对盘片上的扇区进行定义，以便驱动器能识别指定的扇区，并且还要规定扇区的交错因子。,分区是将硬盘分为若干个的存储区域。一是为了能在同一台机器中可以建立不同的分区，使用不同的操作系统。再有，早期的DOS管理外存空间的能力有限，,DOS分区和FORMAT格式化分区后的硬盘空间由两部分组成：主引导扇区和供不同的操作系统使用的区域。部分组成：引导扇区,FAT,FDT（ROOT）,数据区。FORMAT格式化的作用是：对硬盘进行初始化，使其记录格式能为DOS所接受，检出硬盘有缺陷的磁道和扇区。建立目录、文件分配表。,42,磁带存储器,磁带存储器与磁盘存储器的异同点,同点:纪录原理与纪录方式相同,异点:从存取方式来看，磁盘存储器属于直接存取设备,磁带存储器必须按顺序进行存取,磁带存储器是由磁带和磁带机两部分组成。,磁带的分类,磁带按长度分有2400英尺、1200英尺、600英尺几种；按宽度分有1/4英寸、1/2英寸、1英寸、3英寸几种；按记录密度分有800bpi、1600bpi、6250bpi等几种；按磁带表面并行记录信息的道数分有7道、9道、16道等；按磁带外形分有开盘式磁带和盒式磁带两种。现在计算机系统较广泛使用的两种标准磁带为：1/2英寸开盘式和1/4英寸盒式。,磁带机又有很多种类，按磁带机规模分有标准半英寸磁带机，海量宽磁带机（Mass storage）和盒式磁带机三种。按磁带机走带速度分，有高速磁带机（45m/s）、中速磁带机（23m/s）和低速磁带机（2m/s以下）。按磁带的记录格式分，有启停式和数据流式。,43,4.5.6 光盘存储器,本节的主要内容:1.光盘存储器的特点2.几种光盘存储器 3.光盘的几种标准,光盘（Optical Dish）是利用光学方式进行读写信息的圆盘。光盘存储器是在激光视频唱片和数字音频唱片基础上发展起来的。应用激光在某种介质上写入信息，然后再利用激光读出信息，这种技术叫光存储技术。如果光存储使用的介质是磁性材料，即利用激光在磁记录介质上存储信息，就叫作磁光存储。,44,4.5.6 光盘存储器,光盘的特点 最主要的特点是它的容量特大,一般都在650兆以上.再有是它的可靠性高,存储时间长,成本低,易复制.误码率极低,与总位数相比在10-1010-17以下。,几种标准:1.CD-DA（Compact Disc-Digital Audio）规范及格式2.CD-ROM规范及格式 3.CD-I（Compact Disc 1nteractive）规范及格式.4.VCD（Video Compac Disc）5.Photo CD 6.DVD光盘,45,哈工大计算机系,