【正文】 0 1 2 3 4 5 6 7 第 0組 第 1組 第 2組 第 3組 第 0組 第 1組 第 2組 第 3組 第 0組 第 1組 第 2組 第 3組 Cache 主存 第 0區(qū) 第 1區(qū) 組間 —— 直接映射 組內(nèi) —— 全相聯(lián)映射 83 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? 替換策略 當(dāng) Cache不命中時(shí)，必須用一個(gè)適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ?Cache中選擇一個(gè)即將被置換的舊塊，然后用新塊置換舊塊，這稱為 替換策略 或替換算法 。 對(duì)于直接映射方式來說，可以作為被置換的舊塊只有唯一的一個(gè)。全相聯(lián)映射和組相聯(lián)映射方式則存在多中選一的問題，常用的替換策略有以下 3種： ? 先進(jìn)先出 (FIFO)策略 ? 使用次數(shù)最少 (LFU)策略 ? 近期最少使用 (LRU)策略 84 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? 替換策略 ? 先進(jìn)先出 (FIFO)策略 把最先調(diào)入 Cache的字塊替換出去。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)容易，開銷小。缺點(diǎn)：效果不佳。 ? 使用次數(shù)最少 (LFU)策略 將迄今為止使用次數(shù)最少的字塊作為被替換的舊塊。需要統(tǒng)計(jì)每一塊被使用的次數(shù)，需要較多的硬件資源，效果比 FIFO好。 ? 近期最少使用 (LRU)策略 把一組中近期最少使用的字塊替換出去，此策略需隨時(shí)記錄Cache中各字塊的使用情況。其平均命中率比 FIFO和 LFU高， 85 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? Cache的更新策略 主存C a c h e替 換 機(jī) 構(gòu)可 裝 進(jìn) ？ 命 中 ？塊 號(hào) 塊 內(nèi) 地 址塊 號(hào) 塊 內(nèi) 地 址主 存 C a c h e地 址 映 射變 換 機(jī) 構(gòu)C a c h e 存 儲(chǔ) 體C P U訪 問 主 存替 換 C a c h e否 否是 是訪 問 主 存 裝 入 C a c h e直 接 通 路C a c h e 地 址主 存 塊 號(hào)地 址 總 線數(shù) 據(jù) 總 線86 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? Cache的更新策略 訪問 Cache 取出信息送 CPU 訪問主存 取出信息送 CPU 將新的主存塊 調(diào)入 Cache中 執(zhí)行替換算法 騰出空位 結(jié)束 命中？ Cache滿？ CPU發(fā)出訪問地址 開始 是 否 是 否 87 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? Cache的更新策略 在具有 Cache的系統(tǒng)中，同一個(gè)數(shù)據(jù)有 兩個(gè)拷貝 ，一個(gè)在主存，一個(gè)在 Cache中。因此，當(dāng)對(duì) Cache進(jìn)行了寫操作時(shí) ，就會(huì)出現(xiàn)如何使 Cache與主存 內(nèi)容保持一致 的問題。針對(duì)這一情況，通常有如下幾種解決方法 : ? 寫直達(dá)法 (Write Through) ? 寫回法 (Write Back) ? 寫一次法 (Write Once) 88 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? Cache的更新策略 1. 寫 直達(dá)法 (Write Through) 每次 寫入 Cache時(shí)，同時(shí)也寫入主存，使主存與 Cache相關(guān)頁內(nèi)容始終保持一致。 ? 優(yōu)點(diǎn) ：簡單，能保持主存與 Cache副本的一致性， Cache中任意頁的內(nèi)容都可被隨時(shí)置換，決不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失的錯(cuò)誤； ? 缺點(diǎn) ： 每次 寫 Cache都要進(jìn)行慢速 的訪主存操作，影響工作速度 。 89 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? Cache的更新策略 2. 寫 回法 (Write Back) 每次只是暫時(shí)將數(shù)據(jù)寫入 Cache， 并用標(biāo)志將該頁加以注明 。 當(dāng) Cache中任一頁數(shù)據(jù)被置換時(shí)，只要在它存在期間發(fā)生過對(duì)它的寫操作 ,那么在該頁被覆蓋之前必須將其內(nèi)容寫回到對(duì)應(yīng)主存位置中去； 如果該頁內(nèi)容沒有被改寫 ,則其內(nèi)容可以直接淘汰，不需回寫。 這種 方法的 速度比寫直達(dá)法 快 ,但 結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多 ,而且主存中的頁未經(jīng)隨時(shí)修改， 可能失效 。 90 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? Cache的更新策略 3. 寫 一次法 (Write Once) 是一種 基于寫回法又結(jié)合了寫直達(dá)法的寫策略 ，即 寫命中和寫未命中的處理與寫回法基本相同 ，只是 第一次寫命中時(shí)要同時(shí)寫入主存 。 此法主要用于多級(jí) Cache和對(duì)稱多處理器系統(tǒng)中 (多個(gè) Cache的內(nèi)容需要保持一致 )。 在第一次片內(nèi) Cache寫命中時(shí)， CPU要在總線上啟動(dòng)一個(gè)存儲(chǔ)器寫周期。其他 Cache監(jiān)聽到此主存塊地址及寫信號(hào)后，即可把它們各自保存的該塊拷貝及時(shí)作廢。爾后若有對(duì)此塊的再次或多次寫命中，則按寫回法處理，無需再送出信號(hào)了。這樣雖然第一次寫命中時(shí)花費(fèi)了一個(gè)存儲(chǔ)周期，但對(duì)維護(hù)系統(tǒng)全部 Cache的一致性有利。 91 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) ? 存儲(chǔ)器概述 ? 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本知識(shí) ? 微機(jī)系統(tǒng)中的主存儲(chǔ)器組織 ? 高速緩沖存儲(chǔ)器 ? 輔助存儲(chǔ)器 92 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 輔助存儲(chǔ)器 也稱為 外部存儲(chǔ)器 ，它是主存的后備和補(bǔ)充，用來存放當(dāng)前不需立即使用的信息，一旦需要，再與主存成批交換數(shù)據(jù)。 輔助存儲(chǔ)器的特點(diǎn)：容量大、存儲(chǔ)速度較慢、每位價(jià)格低 目前常用的輔助存儲(chǔ)器主要有： ? 磁介質(zhì)存儲(chǔ)器（如硬磁盤、磁帶等） ? 光盤存儲(chǔ)器 ? 半導(dǎo)體大容量存儲(chǔ)器（如 U盤、固態(tài)盤等） 93 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 磁介質(zhì)存儲(chǔ)器原理 寫入 —— 在磁頭線圈中加入 磁化電流 （寫電流），并使磁層移動(dòng)，在磁層上形成連續(xù)的 小段磁化區(qū)域 （位單元）。 局部磁化單元 載磁體 寫線圈 S N I 局部磁化單元 寫線圈 S N 鐵芯 磁通 磁層 寫入“ 0” 寫入“ 1” I 94 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 磁介質(zhì)存儲(chǔ)器原理 讀出 —— 磁頭線圈中不加電流，磁層移動(dòng)。當(dāng)位單元的 轉(zhuǎn)變區(qū)經(jīng)過磁頭下方時(shí)，在線圈兩端產(chǎn)生 感應(yīng)電勢 。 N 讀線圈 S 讀線圈 S N 鐵芯 磁通 磁層 運(yùn)動(dòng)方向 運(yùn)動(dòng)方向 s s t t f f e e 讀出 “0” 讀出 “ 1” 95 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 硬盤存儲(chǔ)器 1. 硬盤的基本結(jié)構(gòu)與分類 —— 硬盤的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 硬盤控制器 (HDC)對(duì)硬盤 進(jìn)行管理，并在主機(jī)和硬盤之間傳送數(shù)據(jù)。硬盤控制器以適配卡的形式插在主板上或者直接集成在主板上，然后通過電纜與硬盤驅(qū)動(dòng)器相連 。 硬盤驅(qū)動(dòng)器 (HDD)中有盤片、磁頭、主軸電動(dòng)機(jī)、磁頭定位機(jī)構(gòu)、讀寫電路和控制邏輯等。 磁 盤 控 制 器 磁 盤 驅(qū) 動(dòng) 器 盤 片 主 機(jī) 96 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 硬盤存儲(chǔ)器 1. 硬盤的基本結(jié)構(gòu)與分類 —— 硬盤的分類 根據(jù)磁頭與盤片 是否是一個(gè)密封的整體 ，硬盤存儲(chǔ)器可分為： 溫徹斯特盤 —— 根據(jù)溫徹斯特技術(shù)設(shè)計(jì)制造的，主要特點(diǎn)是磁頭、盤片、磁頭定位機(jī)構(gòu)、主軸，甚至連讀 /寫驅(qū)動(dòng)電路等都密封在一個(gè)盤盒內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)磁盤組合體。這個(gè)組合體系不可隨意拆卸，防塵性能好、可靠性高、對(duì)使用環(huán)境要求不高。 非溫徹斯特 盤 —— 磁頭和盤片等不是密封的，因此要求有超凈的使用環(huán)境，只能用于中型、大型計(jì)算機(jī)機(jī)房中。 97 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 硬盤存儲(chǔ)器 1. 硬盤的基本結(jié)構(gòu)與分類 —— 硬盤的分類 根據(jù) 磁頭是否可移動(dòng) ，硬盤存儲(chǔ)器可分為： 固定頭硬盤 —— 每個(gè)磁道對(duì)應(yīng)一個(gè)磁頭 。工作時(shí)，磁頭無徑向移動(dòng)，因此，省去了碰頭尋道時(shí)間。固定頭硬盤機(jī)的特點(diǎn)是存取速度快，磁頭處于加載工作狀態(tài)即可開始讀寫，但由于碰頭太多，使磁盤的道密度不可能很高，而整個(gè)磁盤機(jī)的造價(jià)卻比較高。 活動(dòng)頭硬盤 —— 每個(gè)盤面上只有一個(gè)讀 /寫頭 ，安裝在讀寫臂上，當(dāng)需要在不同磁道上讀寫時(shí)，要驅(qū)動(dòng)讀寫臂沿盤面做徑向移動(dòng)。由于增加了尋道時(shí)間，所以其存取時(shí)間比固定頭硬盤機(jī)要長。 98 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 硬盤存儲(chǔ)器 1. 硬盤的基本結(jié)構(gòu)與分類 —— 硬盤的分類 磁道 固定磁頭 移動(dòng)磁頭 移動(dòng)磁頭 多盤片磁盤 99 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 硬盤存儲(chǔ)器 2. 硬盤驅(qū)動(dòng)器 包括： 磁頭定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 主軸系統(tǒng) 數(shù)據(jù)控制系統(tǒng) 磁盤 磁 盤 組 主軸 磁頭 音圈 電機(jī) 位置檢測 定位驅(qū)動(dòng) 模擬控制 放 大 閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng) 由磁盤控制 器送來的目 標(biāo)磁道信號(hào) 測 速 輸 出 讀寫臂 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 100 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 硬盤存儲(chǔ)器 3. 硬盤控制器與接口 磁盤控制器 是 主機(jī) 與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間 的 接口 ? 接收 主機(jī)發(fā)來的命令，轉(zhuǎn)換成磁盤驅(qū)動(dòng)器的控制命令 ? 實(shí)現(xiàn)主機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 ? 控制磁盤驅(qū)動(dòng)器讀寫 對(duì)主機(jī) 通過總線 對(duì)硬盤 （設(shè)備） 101 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 硬盤存儲(chǔ)器 4. 硬盤的信息分布和磁盤地址 硬盤的盤片由硬質(zhì)鋁合金材料制成，硬盤中信息分布呈以下層次： 記錄面 、 磁道 、 柱面 、 扇區(qū) 102 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 硬盤存儲(chǔ)器 4. 硬盤的信息分布和磁盤地址 磁盤 地址是主機(jī)向磁盤控制器送出的尋址信息，一般表示為： ? 驅(qū)動(dòng)器號(hào) (選擇磁盤組 ) ? 圓柱面 (磁道 )號(hào) ? 記錄面 (磁頭 )號(hào) ? 扇區(qū)號(hào)（記錄號(hào)） ? 扇區(qū)數(shù) (數(shù)據(jù)讀寫量 ) 103 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 光盤存儲(chǔ)器 1. 光盤存儲(chǔ)器的類型 根據(jù)性能和用途的不同，光盤存儲(chǔ)器可分為 4種類型： ? CDROM(Compact Disc Read Only Memory)光盤 —— 只讀型光盤，也稱為固定型光盤。 ? CDR光盤 —— 采用 WORM(Write One Read Memory)標(biāo)準(zhǔn)，光盤可由用戶寫入信息，寫后可多次讀出，但只能寫入一次，信息寫入后不能再修改，也稱為只寫一次型光盤。 ? CDRW光盤 —— 可寫入、擦除、重寫的可逆性記錄光盤。 ? DVD光盤 —— 通用數(shù)字化多功能光盤 (Digital Versatile Disc)，簡稱高容量 CD。 104 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 光盤存儲(chǔ)器 2. 光盤存儲(chǔ)器的組成與工作原理 光盤存儲(chǔ)器由三部分組成： ? 光盤控制器 —— 包括數(shù)據(jù)輸入緩沖器、記錄格式器、編碼器、讀出格式器和數(shù)據(jù)輸出緩沖器組成。 ? 光盤驅(qū)動(dòng)器 —— 包括主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 、 定位機(jī)構(gòu)、光頭裝置和電路等。 ? 光盤驅(qū)動(dòng)器的接口 —— 和硬盤接口一樣，常用的是 IDE接口，也有使用 SCSI接口的光盤驅(qū)動(dòng)器。 105 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 光盤存儲(chǔ)器 2. 光盤存儲(chǔ)器的組成與工作原理 CDRW光盤的讀寫原理： CDRW光盤是利用 激光照射 引起記錄介質(zhì)的 可逆性物理變化 來進(jìn)行讀寫的，光盤上有一個(gè) 相位變化記錄層 ，所以 CDRW光盤也稱為 相變光盤 。 相變光盤的讀寫原理是利用存儲(chǔ)介質(zhì)的 晶態(tài)、非晶態(tài)可逆轉(zhuǎn)換 ，引起 對(duì)入射光束不同強(qiáng)度的反射（或折射） ，形成信息一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 106 第 5章 微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng) 輔助存儲(chǔ)器 ? 光盤存儲(chǔ)器 3. 光盤驅(qū)動(dòng)器 ? CDROM驅(qū)動(dòng)器 —— 1982年第一臺(tái) CDROM驅(qū)動(dòng)器問世。 CDROM驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸率以 150KB/s為基準(zhǔn)， 150KB/s為單倍速光驅(qū)， 300KB/s為雙倍速光驅(qū)，以此類推。 ? CDR驅(qū)動(dòng)器 —— 可以光盤寫入，因此稱為 光盤刻錄機(jī) 。其速度包括讀取速度和寫入速度。 ? CDRW驅(qū)動(dòng)器 —— 與 CDR驅(qū)動(dòng)器相似，主要區(qū)別在于 CDRW上的信息 可以被擦除并重寫 。其速度包括刻錄速度、重寫速度、讀取速度。