计组 存储器、存储系统

发布于 2020-01-16  80 次阅读


存储单元:若干存储位组成的一个存储字节或存储字

存储容量:存储器中存储二进制代码的总位数

存储器的层次结构:寄存器、缓存、主存、磁盘、磁带(主要体现在缓存-主存和主存-副存上)

主存储器

主存储器处于全机中心低位

辅助存储器或称为外存储器,通常用来存放主存的副本和当前不在运行的程序和数据

主存储器的类型

  • 随机存储器RAM
  • 非易失性存储器

主存储器的主要技术指标

  • 主存容量
    • 64×8等等
    • 计算机可寻址的最小信息单元是一个存储字
    • 主存储器存储单元的总数
    • 存储容量=存储单元个数存储字长
      存储容量(字节)=存储单元个数
      存储字长/8
      存储周期=存储时间+恢复时间
    • 存取速度
      • 由存储器存取时间和存储周期表示
    • 存储器存取时间
      • 启动一次存储器操作(读/写)到完成该操作所经历的时间
    • 存储周期
      • 连续启动两次独立的存储器操作所间隔的最小时间

主存储器的基本操作

  • CPU通过使用AR(地址寄存器)DR(数据寄存器)主存进行数据传送
  • 若AR为K位字长,DR为n位字长,则允许主存包含2k个可寻址单元
  • CPU与主存采取异步工作方式,以ready信号表示一次访存操作的结束

读/写存储器

RAM动态刷新:集中刷新、分散刷新、异步刷新

  • 随机存储器(RAM)按存储元件在运行中能否长时间保存信息分为静态存储器和动态存储器
  • 静态存储器,利用触发器保存信息,只要不断电,信息就不会丢失
    • 电路简图
    • MOS静态存储结构图
  • 动态存储器,利用MOS电容存储电荷来保存信息,需要不断给电容充电才能使信息来保存信息
    • 电路简图
    • 16K×1位动态存储器框图
    • 再生
      • 集中式
      • 分散式
      • 时间小于或等于2ms
      • 行读出再生

非易失性半导体存储器

  • 只读存储器ROM
    • 只读不能写
  • 可编程序的只读存储器PROM
    • 一次性写入
  • 可擦可编程序的只读存储器EPROM
    • 可多次写入、读出
  • 可电擦可编程序只读存储器E2PROM
    • 可多次读出但写入次数有限
  • 快擦除读写存储器Flash Memory
    • 重复写入、读出

存储器的组成与控制

  • 存储器容量扩展
    • 位扩展:用多个存储器芯片对字长进行扩充
    • 字扩展:增加存储器中字的数量,提高存储器的寻址范围
    • 字位扩展,假设一个存储器的容量为M*N位
      若使用L*K位存储器芯片,
      那么,这个存储器共需要(M/L)*(N/K)个存储器芯片

多体交叉存储器

  • 提高访存速度的方式
    • 采用高速器件
    • 采用层次结构
    • 调整主存结构
  • 计算机中大容量的主存可由多个存储体组成,每个存储体都具有自己的读写线路,地址寄存器和数据寄存器,称为"存储模块"。这种多模块存储器可以实现重叠与交叉存取
  • 第i个模块M的地址编号应按下式给出:M*j+i
  • 连续地址分布在相邻的不同模块内,而同一模块内的地址都是不连续的

存储系统

存储系统的层次结构

  • cache->主存->辅存

高速缓冲存储器

  • cache的工作原理
    • 局部性原理:是指计算机在执行某个程序时,倾向于使用最近使用的数据
      • 时间局部性
      • 空间局部性
    • 主存地址和cache地址
    • 块长
      • 块长一般取一个主存周期所能调出的信息长度(一般为16个字)
    • cache的容量和块的大小是影响cache的效率的重要因素
    • 命中率
      • CPU所要访问的信息是否在cache中的比率,而将所要访问的信息不在cache中的比率称为失败率
    • 一致性策略
      • 标志交换方式(写回法)
      • 通过式写入(写通法)
      • 写操作直接对主存进行,而不写入cache
    • cache的存取时间
      • 平均存取时间 = h*tc+(1-h)(tc+tm)
    • 最好替换策略
      • 按照被替换的字块是下一段时间最少使用的,由替换部件实现
  • cache组织
    • 地址映像
      • 直接映像
        • cache中许多空的位置被浪费
        • 主存地址:主存字块标记+cache字块地址+字块内地址
      • 全相联映像
        • 成本太高而不能采用
        • 主存地址:主存字块标记+字块内地址
        • 优点
          • 方式灵活,缩小了块发生冲突的概率
        • 缺点
          • 增加了标识位位数
          • 增加了寻找主存块在cache中对应块的时间
      • 组相联映像
        • 直接映像和全相联映像的折衷
        • 主存地址:主存字块标记+组地址+块内地址

虚拟存储器

  • 存储管理部件(MMU)
    • 现代计算机一般都有这种辅助存储器,但辅存的存储系统不一定是虚拟存储系统
    • 特点
      • 允许用户使用比主存大得多的空间访问主存
      • 每次访存都要进行虚实地址的转换

辅助存储器

半导体存储器可以随机访问任意单元

而辅助存储器一般是串行访问存储器

辅助存储器的种类

  • 磁表面存储器
    • 数字式磁记录:硬盘、软盘、磁带
    • 模拟式磁记录:录音、录像设备
  • 光存储器
    • 光盘

串行存储器

  • 顺序存取存储器
  • 直接存取存储器

辅助存储器的技术指标

  • 存储密度
    • 定义:单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量
    • 道密度:沿磁盘半径方向单位长度的磁道数目称为道密度
      单位:道/英寸 TPI 或 道/毫米 TPMM
    • 位密度或线密度:单位长度磁道所能记录二进制信息的位数叫做位密度或线密度
      单位:位/英寸 BPI 或 位/毫米 BPMM
    • 每个磁道做存储的信息量是一样的
  • 存储容量: C=n*k*s
  • 寻址时间
    • 平均寻址 Ta=平均找道时间Ts+平均等待时间Tw
    • 辅存的速度
      • 寻址时间
      • 磁头读写时间
  • 数据传输率 Dr=D*V
  • 误码率
  • 价格

硬磁盘存储器的类型

固定磁头和移动磁头

可换盘和固定盘

磁盘存储器

  • 温彻斯特磁盘简称温盘
  • 磁盘存储器由驱动器(HDD),控制器(HDC)和盘片组成
  • 最外面的同心圆叫0磁道,最里面的同心圆假设称为n磁道
  • 驱动器的定位驱动系统实现快速精准的磁头定位
  • 主轴系统的作用是带动盘片按额定转速稳定旋转
  • 数据控制系统的作用是控制数据的写入和读出
    包括寻址,磁头旋转,写电流控制,读出放大,数据分离
  • 磁盘控制器有两个方向的接口
    • 与主机的接口
    • 与驱动器(设备)的接口

光盘

  • 采用光存储技术
    • 利用激光写入和读出
    • 第一代光存储技术
      • 采用非磁性介质
        • 不可擦写
    • 第二代光存储技术
      • 采用磁性介质
        • 可擦写
  • 光盘的存储原理
    • 只读型和只写一次型
      • 热作用(物理或化学变化)
    • 可擦写光盘
      • 热磁效应
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科学是第一生产力