【正文】 存儲器系統(tǒng)綜述 半導(dǎo)體隨機(jī)讀寫存儲器（ RAM） 半導(dǎo)體只讀存儲器（ ROM） 主存儲器的組成與控制 高速緩沖存儲器 虛擬存儲器 第三章 存儲器系統(tǒng) 存儲器系統(tǒng)綜述 一、存儲系統(tǒng)的分類 二、存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 三 、 主存儲器的組織 四、主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo) 以運(yùn)算器為中心的硬件結(jié)構(gòu) 主存儲器 控制器 運(yùn)算器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 程序和數(shù)據(jù) 程序和數(shù)據(jù) 主機(jī) CPU 數(shù)據(jù)流 指令流 運(yùn)算器 存儲器 設(shè)備輸入 輸出設(shè)備 以存儲器為中心的結(jié)構(gòu) 程序、數(shù)據(jù) 結(jié)果 數(shù)據(jù)、指令 控制信號 CPU 控制器 存儲器在計(jì)算機(jī)中存放程序和數(shù)據(jù)。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中處于全機(jī)的中心地位。 ? 存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。 ? 實(shí)現(xiàn)主存與 I/O設(shè)備之間的信息傳送。 ? 在多處理機(jī)系統(tǒng)中，存放共享數(shù)據(jù)。 設(shè)計(jì)一個容量大、速度快、成本低的存儲系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個重要課題。 一、存儲系統(tǒng)的分類 ? 磁芯存儲器 ? 磁芯是使用硬磁材料做成的環(huán)狀元件，在磁心中穿有驅(qū)動線（通電流）和讀出線，這樣便可以進(jìn)行讀寫操作。 ? 體積龐大、工藝復(fù)雜且功耗大，已棄用。 ? 半導(dǎo)體存儲器 ? 存儲元件由半導(dǎo)體器件組成，存儲器用超大規(guī)模集成電路工業(yè)制成芯片 ? 優(yōu)點(diǎn)：體積小，功耗低，存取時間短 ? 缺點(diǎn)：存儲容量相對較小，單位存儲成本較高。 ? 雙極型（ TTL）半導(dǎo)體存儲器 和 MOS半導(dǎo)體存儲器 。后者集成度高且制造簡單、成本低廉、功耗小，目前廣泛應(yīng)用。 ? 磁表面存儲器 ? 在金屬或塑料基體的表面涂上一層磁性材料作為記錄介質(zhì)。 ? 按載磁體形狀的不同，分為磁盤、磁帶和磁鼓。 ? 光盤存儲器 ? 光盤存儲器是應(yīng)用激光在記錄介質(zhì)（如磁光材料等）上進(jìn)行讀寫的存儲器，具有非易失性的特點(diǎn)。 ? 光盤記錄密度高、耐用性好、可靠性高和可互換性強(qiáng)等優(yōu)良特點(diǎn)。 ? 鉆孔紙帶 (1) 存取時間與物理地址無關(guān)（隨機(jī)訪問） ? 順序存取存儲器 磁帶 (2) 存取時間與物理地址有關(guān)（串行訪問） ? 隨機(jī)存儲器 ? 只讀存儲器 ? 直接存取存儲器 磁盤 在程序的執(zhí)行過程中 可 讀 可 寫 在程序的執(zhí)行過程中 只 讀 二、存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 存儲器的三個重要指標(biāo)是： 存儲容量 存取速度 價格 對其要求是： 盡可能快的讀寫速度，盡可能大的存儲容量，盡可能低的成本費(fèi)用。 寄存器 CACHE 主存儲器 硬盤 磁帶 光盤 容量小 容量大 速度快 速度慢 各類存儲器按速度、容量、價格的分層情況 價格高 (每位 ) 價格低 結(jié)論： 采用單一的存儲模式很難滿足速度快、容量大、價格低的要求！ 如何解決 ??? 根據(jù)以上存儲器的分層情況，如何將它們組織成一個存儲系統(tǒng)呢？ 為解決主存速度與 CPU 不匹配的問題，借助于硬件在二者之間增加了 —— CACHE。 為解決主存容量不足的問題， 借助于軟硬件 在高速硬盤上開辟了 ——虛擬存儲空間。 構(gòu)成了一個統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，并且對用戶來說透明的一體化的存儲器系統(tǒng)，即 三級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)！ 存儲層次 CPU對第二級的 訪問方式 比較項(xiàng)目 目 的 存儲管理實(shí)現(xiàn) 訪問速度的比值 (第一級和第二級 ) 典型的塊 (頁 )大小 失效時 CPU是否切換 “Cache －主存”層次 “ 主存－輔存”層次 為了彌補(bǔ)主存速度的不足 為了彌補(bǔ)主存容量的不足 主要由專用硬件實(shí)現(xiàn) 由硬件和軟件實(shí)現(xiàn) 幾比一 幾百比一 幾十個字節(jié) 幾百到幾千個字節(jié) 可直接訪問 均通過第一級 不切換 切換到其他進(jìn)程 “ Cache－主存 ” 與 “ 主存－輔存 ” 層次的區(qū)別 CPU CACHE DISC 高速緩沖 存儲器 主存儲器 虛擬 存儲器 容量小，速度快 容量、速度適中 容量大，速度慢 MEMORY 采用三級存儲的體系結(jié)構(gòu) ! 1 ns 2 ns 10 ns 10ms CPU大部分時間訪問高速緩存CACHE速度最快； ，速度略慢但容量較大； 存，速度很慢容量極大。 這就很好地同時解決了對速度、容量、成本三個方面的需求。 為什么這個方案是可行的 ？ 訪存的局部性原理 局部性原理 表現(xiàn)在： 時間上和空間上 ?在一小段 時間 內(nèi)， 最近被訪問過的存儲單元很可能再次被訪問。 ?在 空間 上， 被訪問的存儲單元 往往集中在一小片連續(xù)存儲區(qū)。 因此： 可以把程序和數(shù)據(jù)合理地分配在不同存儲介質(zhì)中 。 Pentium 微機(jī) Cache結(jié)構(gòu)簡介 L3 CACHE L1指令Cache L1數(shù)據(jù)Cache L2 Cache CPU 核心 電路 CPU封裝 主存 讀 /寫控制信號 讀 /寫的數(shù)據(jù) 主存地址 MDR MAR CPU 地址寄存器 地址譯碼器 讀寫控制電路 記憶單元 ??? 01101001 10101010 存儲內(nèi)容 00001 00000 00010 00011 00100 11110 11111 存儲 單元 地址 MM 控制線 數(shù)據(jù)線 (64位 ) 地址線 (36位 ) 存儲器芯片封裝了驅(qū)動器、譯碼器、讀寫電路等。而 MAR和MDR則制作在 CPU芯片中。 主存和 CPU的連接 三、主存儲器的組織 主存通常由存儲體、地址譯碼驅(qū)動電路、 I/O和讀寫電路組成。 存儲體 驅(qū)動器 譯碼器 MAR 控制電路 讀 寫 電 路 MDR 地址總線 數(shù)據(jù)總線 讀 寫 … … … … … 位 是二進(jìn)制數(shù)的最基本單位，也是存儲器存儲信息的最小單位。 當(dāng)一個二進(jìn)制數(shù)作為一個整體存入或取出時，這個數(shù)稱為 存儲字 。 存放存儲字或存儲字節(jié)的主存空間稱為存儲單元或主存單元，大量存儲單元的集合構(gòu)成一個 存儲體 。 為了區(qū)別存儲體中的各個存儲單元，必須將它們逐一編號。存儲單元的編號稱為 地址 ，地址和存儲單元之間有一對一的對應(yīng)關(guān)系。 所以 ,存儲單元是 CPU訪問存儲器的最小單位 。 每個存儲單元可以是一個字 ,也可以是一個字節(jié) 。 高位字節(jié) 地址為字地址 低位字節(jié) 地址為字地址 字地址 字節(jié)地址 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 8 4 0 字節(jié)地址 字地址 4 5 2 3 0 1 4 2 0 小端方案 大端方案 多字節(jié)的數(shù)據(jù)可以有二種不同的存儲方式 : IBM 370機(jī)是字長為 32位的計(jì)算機(jī)，主存按字節(jié)編址。 PDP11機(jī)是字長為 16位的計(jì)算機(jī)，主存也按字節(jié)編址。 設(shè)地址線 24 根 按 字節(jié) 尋址 按 字 尋址 若字長為 16 位 按 字 尋址 若字長為 32 位 224 = 16 M 8 M 4 M 在采用字節(jié)編址的情況下，數(shù)據(jù)在主存儲器中的 3種不同存放方法。設(shè)存儲字長為 64位（ 8個字節(jié)），即一個存取周期最多能夠從主存讀或?qū)?64位數(shù)據(jù)。讀寫的數(shù)據(jù)有 4種不同長度，它們分別是字節(jié)（ 8位）、半字（ 16位）、單字（ 32位）和雙字（ 64位）。請注意：此例中數(shù)據(jù)字長（ 32位）不等于存儲字長（ 64位）。 字節(jié) 半 字 單 字 雙 字 存儲字 64位（ 8個字節(jié)） （ 1）不浪費(fèi)存儲器資源的存放方法 現(xiàn)有一批數(shù)據(jù)，它們依次為：字節(jié)、半字、雙字、單字、半字、單字、字節(jié)、單字。 4種不同長度的數(shù)據(jù)一個緊接著一個存放。 優(yōu)點(diǎn)是不浪費(fèi)寶貴的主存資源，但存在的問題是：當(dāng)訪問的一個雙字、單字或半字跨越兩個存儲單元時，存儲器的工作速度降低了一半，而且讀寫控制比較復(fù)雜。 （ 2）從存儲字的起始位置開始存放 存儲字 64位（ 8個字節(jié)） 優(yōu)點(diǎn)是：無論訪問一個字節(jié)、半字、單字或雙字都可以在一個 存儲周期內(nèi)完成，讀寫數(shù)據(jù)的控制比較簡單。 缺點(diǎn)是：浪費(fèi)了寶貴的存儲器資源。 存儲字 64位（ 8個字節(jié)） 0 1 8 16 24 32 9 17 25 33 2 10 18 3 11 19 4 12 20 5 13 21 6 14 22 7 15 23 26 34 27 28 36 35 29 37 30 31 39 38 （ 3）邊界對齊的數(shù)據(jù)存放方法 此方法規(guī)定，雙字地址的最末 3個二進(jìn)制位必須為000，單字地址的最末兩位必須為 00，半字地址的最末一位必須為 0。它能夠保證無論訪問雙字、單字、半字或字節(jié)，都在一個存取周期內(nèi)完成，盡管存儲器資源仍然有浪費(fèi)。 某機(jī)字 32位 ,主存儲器按字節(jié)編址 ,現(xiàn)在 4種不同長度的數(shù)據(jù) (字節(jié)、半字、單字、雙字），請采用一種既節(jié)省存儲空間，又能保證任何長度的數(shù)據(jù)都在單個存取周期內(nèi)完成讀寫的方法，將一批數(shù)據(jù)順序地存入主存，畫出主存中數(shù)據(jù)的存放示意圖。 這批數(shù)據(jù)一共有 11個，它們依次為字節(jié)、半字、雙字、單字、字節(jié)、半字、半字 、 字節(jié)、單字、 字節(jié) 、 雙字 。 解 :邊界對齊是的存放方法。 存儲字 64位（ 8個字節(jié)） 0 1 8 16 24 32 9 17 25 33 2 10 18 3 11 19 4 12 20 5 13 21 6 14 22 7 15 23 26 34 27 28 36 35 29 37 30 31 39 38 舉例 : ：字（字節(jié)） 字節(jié)（ Byte）：最常用的基本單位 K 字節(jié)