计算机组成原理ThePrincipleofComputerPPT课件

1 计算机组成原理ThePrincipleofComputer 主讲陈付龙 西北工业大学计算机学院 2007年4月 计算机组成原理 2 第4章存储器系统 4 1存储器概述4 2半导体存储器4 3辅助存储器4 4高速缓冲存储器4 5并行存储器系统 计算机组成原理 3 4 1存储器概述 一 存储器的两大功能 1 存储 写入Write 2 取出 读出Read 二 三项基本要求 1 大容量2 高速度3 低成本 计算机组成原理 4 4 1 0基本概念一 概念1 基本存储单元 存储一位 bit 二进制代码的存储元件称为基本存储单元 或存储元 2 存储单元 主存中最小可编址的单位 是 对主存可访问操作的最小单位 3 地址 每个存储单元的编号 4 编址单位 可寻址的最小单位 5 存储体 多个存储单元按一定规则组成一个整体 6 存储器分辩率 指存储器能被区分 识别与操作的精细程度 7 存储器字 由若干个存储单元组成 可一次性存取 计算机组成原理 5 二 存储器的特性 1 存储器是计算机中信息存储的核心 程序存储功能由存储器来承担 2 内存是CPU与外界进行数据交换的窗口 CPU所执行的程序和所涉及的数据都由内存直接提供 CPU可以对内存进行直接读操作和写操作3 外存可以保存大量的程序和数据 4 1 0基本概念 计算机组成原理 6 1 按构成存储器的器件和存储介质分类 1 磁存储器 磁表面存储器 磁带软磁盘硬磁盘 4 1 1存储器的历史和分类 计算机组成原理 7 磁芯存储器 1948年 直径不到1毫米磁芯里可穿进一根极细的导线 只要有代表 1 或 0 的讯号电流流经导线 就能使磁芯按两种不同方向磁化 信息便以磁场形式被储存 4 1 1存储器的历史和分类 计算机组成原理 8 2 电子介质 半导体存储器 MOS管 FOX field oxide 用于分离CMOS器件 Drain Source Gate 4 1 1存储器的历史和分类 计算机组成原理 9 3 纸介质存储器 纸带 4 光介质 激光存储器 4 1 1存储器的历史和分类 计算机组成原理 10 2按存取方式分类 随机存储器 RandomAccessMemory 读 写 只读存储器 ReadOnlyMemory 读 串行访问存储器 访问指定信息所花费的时间和信息所在的地址或位置有关 1 顺序存储器 完全串行访问存储器 信息以顺序的方式从存储介质的始端开始写入 或读出 其读 写时间是顺序与位置的函数 不同位置的单元 其读 写时间是不同的 一般只能用平均读 写时间作为参数 如磁带 2 直接存取存储器 是部分串行访问存储器 它介于顺序存取和随机存取之间 对信息的存取包括两个逻辑操作 指向整个存储器的一个区域 磁道或磁头 接着对这一小部分区域顺序存取 如磁盘存储器 4 1 1存储器的历史和分类 计算机组成原理 11 3 按在计算机中的作用分类 1 主存储器 内存 2 辅助存储器 外存 3 缓冲存储器 高速小容量 用在两个不同工作速度的部件 CPU和内存 之间 在交换信息过程中起缓冲作用 4 1 1存储器的历史和分类 计算机组成原理 12 4 按信息的可保护性分类 1 易失性存储器断电后信息将消失的存储器是易失性存储器 如半导体存储器 可以分为动态 DRAM 和静态 SRAM 两种 动态存储器需要在使用过程中经常刷新以保持存储单元内电荷的稳定性 静态存储器由于有电源的支持 不需要 2 非易失性存储器 断电后仍保持信息的存储器称为非易失性存储器 如磁带和磁盘等磁表面存储器 非易失性存储器的内容可以不依赖于计算机的运行而存在 因此 这类磁表面存储器一般作外存使用 除磁表面存储器外 ROM也是一种特殊的非易失性存储器 4 1 1存储器的历史和分类 计算机组成原理 13 存储器比较 4 1 1存储器的历史和分类 计算机组成原理 14 这是在第一代电子计算机中使用的磁鼓 磁鼓被用来作为电子计算机中数据与指令的存储器 存储器历史 1 1958年 美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型 由于第二代计算机采用晶体管逻辑元件 及快速磁芯存储器 计算速度从每秒几千次提高到几十万次 主存储器的存储量 从几千提高到10万以上 1 旋风机与磁芯存储器 计算机组成原理 15 50年代初 美苏两国冷战日趋加剧 美国政府希望把计算机优势用于军事目的 计划建立一个能使国家边境免遭空袭的半自动地面防御系统 SAGE SAGE是以最早的由人工操作的实时控制计算机系统 它能接收各侦察站雷达传来的信息 识别来袭飞行物 由操作者指挥地面防御武器瞄准敌对飞行器 当时 麻省理工学院 MIT 林肯实验室在杰 弗雷斯特 J Forrester 博士和艾佛雷特 B Everett 领导下 正在研制一台高速计算机 为海军提供飞机座舱飞行模拟 1950年 这台被命名为 旋风 Whirlwind 的电脑投入运行 由5000个电子管组成全新的结构 使它成为速度最高的计算机 其技术先进程度大大超过了模拟的需要 美国空军向麻省理工学院求援 许以每年100万美元的巨额研制经费 让旋风电脑充当SAGE的主要部件 杰 弗雷斯特是位富于创造的思想家 他还首创了用打字机键盘与电脑 对话 方式 为此 麻省理工学院的工程师们戏称 旋风 是一台 昂贵的打字机 杰 弗雷斯特最大的贡献 是率先为 旋风 电脑配置了磁芯存储器阵列 第一代电脑的存储器 用的几乎都是水银延迟线装置 这是一种声电转换设备 由埃克特博士从军用雷达里 移植 过来的 1948年 哈佛大学刚毕业的华裔王安博士 接受Mark 发明者艾肯下达的研究课题 在不到一个月的时间里 发明了一种新型的存储装置 磁芯存储器 直径不到1毫米磁芯里可穿进一根极细的导线 只要有代表 1 或 0 的讯号电流流经导线 就能使磁芯按两种不同方向磁化 信息便以磁场形式被储存 1949年10月 王安为磁芯申请了专利 他后来在磁芯存储器领域的发明专利共有34项 1988年 美国发明家纪念馆将王安列为第69位发明家 纪念他发明存储磁芯的贡献 王安发明的磁芯存储器是一种单线式的装置 杰 弗雷斯特又向前发展了一步 他巧妙地把磁芯排列为可以寻址的磁芯阵列 以便形成高性能的随机存储器 英国剑桥大学威尔克斯教授那时正在麻省理工学院访问 他激动地说 几乎一夜之间就使得存储器变得稳定而可靠 磁芯阵列后来统治了电脑存储器领域将近20余年 旋风机与磁芯存储器 计算机组成原理 16 王安生平 1920年2月7日出生于上海 6岁入读三年级 13岁那年 王安考取了极负盛名的省立上海中学 16岁又以入学考试第一名的成绩 走进了上海交通大学的大门1945年留学哈佛大学 16个月后取得硕士和博士学位1948年夏 王安设计出一种电脑 能迅速存取数据的方法和元件 这就是电脑的记忆系统 他发明的这个存储器磁芯 1949年10月21日向美国专利局提交了包含存储器磁芯结构及其各种用途 共计有34项要求的专利申请 直到1955年5月17日才批准 1951年6月 他向哈佛递交了辞呈 怀揣着仅有的600美元成立王安公司 1955年 王安与IBM公司签署了协议 把存储器磁芯技术专利权以50万美元 后来实得40万 卖给了IBM公司 1971年11月 王安公司推出了他们研制的第一代文字处理机 1200型全自动打字机 1990年3月24日 王安在美国麻省总医院病逝 计算机组成原理 17 1964年4月IBM360系统问世 它成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表 存储器历史 2 著名的IBM360型电子计算机系统带有一个中央存储器和几个外围存储器 计算机组成原理 18 随着半导体集成技术的快速发展 美国开始研究军用大规模集成电路计算机 1967年 美国无线电有限公司制成了领航用的机载计算机LIMAC 其逻辑部件采用双极性大规模集成电路 缓冲存储器用MOS大规模集成电路 1969年 美国自动化公司制成计算机D 200 采用了MOS场效应晶体管大规模集成电路 中央处理器由24块大规模集成电路做成 得克萨斯仪器公司也制成机载大规模集成电路计算机 军用机载大规模集成电路试验的成功 为过渡到民用大规模集成电路通用机积累了丰富的经验 1971年 IBM公司开始生产IBM370系列机 它采用大规模集成电路做存储器 小规模集成电路做逻辑元件 被称为 第三代半电子计算机 与IBM360一样著名 存储器历史 3 计算机组成原理 19 存储器历史 4 超大规模集成电路的存储器 金士顿高端DDR433 金士顿DDR400 512MB 双倍速率SDRAM DualDateRateSDRSM DDRSDRAM 又简称DDR 由于它在时钟触发沿的上 下沿都能进行数据传输 所以即使在133MHz的总线频率下的带宽也能达到2 128GB s 计算机组成原理 20 DDR2 DoubleDataRate2 SDRAM是由JEDEC 电子设备工程联合委员会 进行开发的新生代内存技术标准 它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是 虽然同是采用了在时钟的上升 下降延同时进行数据传输的基本方式 但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力 即 4bit数据读预取 换句话说 DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读 写数据 并且能够以内部控制总线4倍的速度运行 超大规模集成电路的存储器 计算机组成原理 21 存储器历史 5 外存储器 计算机组成原理 22 金士顿SD 1GB 爱国者月光宝盒录音笔 MP3 存储器历史 6 新型可移动存储器 三星VoicepenSVR P220录音笔 京华电子JW DVR820 金士顿CF 4GB 计算机组成原理 23 4 1 2主存储器基本组成和基本操作 地址寄存器 地址译码与驱动电路 存储阵列2k n位 读写电路 数据寄存器 时序控制电路 CPU k位 n位 地址总线 数据总线 R W MFC 计算机组成原理 24 贮存信息的存储体 信息的寻址机构 即读出和写入信息的地址选择机构 这包括 地址寄存器 和地址译码器 存储器数据寄存器 写入信息所需的能源 即写入线路 写驱动器等 读出所需的能源和读出放大器 即读出线路 读驱动器和读出放大器 存储器控制部件 无论是读或写操作 都需要由一系列明确规定的连续操作步序来完成 这就需要主存时序线路 时钟脉冲线路 读逻辑控制线路 写或重写逻辑控制线路以及动态存储器的定时刷新线路等 这些线路总称为存储器控制部件 4 1 2主存储器基本组成和基本操作 计算机组成原理 25 1 存储容量 1 存储容量是指一个功能完备的存储器所能容纳的二进制信息总量 即可存储多少位二进制信息代码 2 存储容量 存储字数 字长 3 要求 大容量 4 1 3存储器性能指标 计算机组成原理 26 2 存储器速度 1 存储器取数时间 MemoryAccessTime 从存储器读出 写入一个存储单元信息或从存储器读出 写入一次信息 信息可能是一个字节或一个字 所需要的平均时间 称为存储器的取数时间 存数时间 记为tA 也称为取数时间 tA对随机存储器一般是指 从中央处理器 的地址寄存器门输出端发出读数请求时起 到所要求的读出信息出现在存储器输出端为止 这期间所需要花费的时间值 2 存储器存取周期 MemoryCycleTime 存储器进行一次完整的读写操作所需要的全部时间 称为存取周期 或具体地说 存取周期是启动两个独立的存储器操作 如两个连续的读操作 之间所需要的最小时间间隔 用tM或tRC表示 4 1 3存储器性能指标 tM tA 复原时间 破坏性读出方式 tM tA 非破坏性读出 tM tA 稳定时间 计算机组成原理 27 3 数据传输率单位时间可写入存储器或从存储器取出的信息的最大数量 称为数据传输率或称为存储器传输带宽bM bM W tM其中 存储周期的倒数 tM是单位时间 每秒 内能读写存储器的最大次数 W表示存储器一次读取数据的宽度 即位数 也就是存储器传送数据的宽度 4 1 3存储器性能指标 计算机组成原理 28 3 可靠性存储器的可靠行是指在规定时间内存储器无故障的情况 一般用平均无故障时间MTBF来衡量 为提高存储器的可靠性 必须对存储器中存在的特殊问题 采取适当的方法 1 对于破坏性读出的存储器 设立缓冲寄存器 2 断电后信息会丢失 备用电源的方法或采用中断的技术转储 3 动态存储 定期刷新 4 1 3存储器性能指标 计算机组成原理 29 4 价格又称成本 它是衡量经济性能的重要指标 设 是存储容量为 位的整个存储器以元计算的价格 可定义存储器成本 为 c 元 位 衡量存储器性能还有一些其它性能指标 如体积 功耗 重量 使用环境等 4 1 3存储器性能指标 计算机组成原理 30 1 概念 1 存储系统 由存放程序和数据的存储器硬设备和管理这些存储器的软件和硬件构成计算机的存储系统 2 存储体系 把各种不同存储容量 不同存取速度 不同价格的存储器 组成层次结构 并通过管理软件和辅助硬件将不同性能的存储器组合成有机的整体 称为计算机的存储层次或存储体系 4 1 4存储系统的层次结构 计算机组成原理 31 4 1 4存储系统的层次结构 寄存器 Cache 主存 硬盘 光盘 磁带 速度渐快价格渐贵容量渐小 计算机组成原理 32 2 存储系统的层次结构有如下特点 在存储器体系结构中 各层之间的信息调度是由辅助硬件或软件直接完成的 存储体系结构能发挥整个存储系统的最大效能 有最佳的性能价格比 存储体系结构的工作原理是 CPU首先访问Cache 如果Cache中没有 则存储系统通过辅助硬件 到主存储器中去找 如果主存没有CPU要访问的内容 则存储系统通过辅助硬件或软件 到辅存中去找 然后把找到的数据逐级上调 4 1 4存储系统的层次结构 计算机组成原理 33 3 提高存储器性能的方法 1 速度 A 一种是在主存和CPU之间增加一个高速缓冲存储器 B 一种是将主存划分成若干个模块 采用多模块存储器技术 实现多个模块的并行存取 从而达到提高速度的目的 2 容量 采用虚拟存储器技术 4 1 4存储系统的层次结构 计算机组成原理 34 4 2半导体存储器 半导体存储器的主要优点是存储速度快 存储体积小 可靠性高 是实现主存的首选器件 计算机组成原理 35 1 RAM 1 SRAM StaticRAM 由触发器 一般4个MOS管或6个MOS管 构成 不断电就可以保持其中存储的二进制信息不丢失 存储密度低 功耗高 速度快 价格高 2 DRAM DynamicRAM 由1个MOS管和电容构成 必须间歇性充电 刷新 才可以保持其中存储的二进制信息不丢失 存储密度高 功耗低 速度慢 价格低 3 NV RAM NonVolatileRAM 可以随机读写 且断电后信息不丢失 价格高 4 2 1半导体存储器的分类 计算机组成原理 36 2 ROM只读存储器常用来存储计算机的监控程序 基本输入输出系统 汉字字库等 目前大量使用的是半导体ROM集成存储芯片 1 PROM ProgrammableROM 存储器出厂时各个存储单元皆为 或皆为 用户使用时 再使用编程的办法使 的内容成为所需要的数据 PROM需要用电和光照的方法来编写欲存放的程序和信息 但仅仅只能写一次 第一次写入的信息就被永久性地保存 2 EPROM ErasableProgrammableROM 这是一种便于用户根据需要来写 并能用紫外线照射的方法 称光可改写ROM 把已写入的内容擦去后再改写 即是一种可多次改写的ROM 由于能够改写 因此能对写入的信息进行校正 在修改错误后再重新写入 4 2 1半导体存储器的分类 计算机组成原理 37 3 EEPROM ElectricallyErasableProgrammableROM 用电可快速 有选择擦除原有信息 4 FPROM FlashROM U盘 5 M MaskROM 在制造 存储矩阵时 如果生产量较大 一般要根据对存储内容的要求设计掩模版 用这种工艺制作出来的 就叫作掩模编程 这是由生产厂按一定的信息模式生产的存有固定信息的ROM 用户只能选用而无法修改原有的信息 4 2 1半导体存储器的分类 计算机组成原理 38 4 2 2RAM的结构与工作原理 RAM芯片 存储体 外围电路 地址译码与驱动电路 读写放大电路 时序控制电路 总线 地址 数据 控制 主要优点是存取速度快 存储体积小 可靠性高 价格低廉 主要缺点是断电时读写存储器不能保存信息 计算机组成原理 39 1 结构 1 字片式结构 64字 8位单译码RAM芯片 地址寄存器 地址译码器 0 0 4 2 2RAM的结构与工作原理 0 1 0 7 1 0 1 1 1 7 63 0 63 1 63 7 时序控制 读写电路 读写电路 读写电路 A0 A1 A2 A3 A4 A5 R W CS D0 D1 D7 W0 W1 W63 位存储单元 存储阵列 计算机组成原理 40 4 2 2RAM的结构与工作原理 2 位片式结构 4K 1位双译码RAM芯片 行地址寄存器 行地址译码器 0 0 0 1 0 63 1 0 1 1 1 63 63 0 63 1 63 63 时序控制 A0 A1 A2 A3 A4 A5 R W CS X0 X1 X63 存储阵列 A6 A7 A8 A9 A10 A11 MDR R W电路 D 列地址寄存器 列地址译码器 Y0 Y1 Y63 计算机组成原理 41 2 存取模式 1 标准模式 2 页模式 3 静态列模式 4 半字节模式 4 2 2RAM的结构与工作原理 计算机组成原理 42 4 2 2RAM的结构与工作原理 地址 行地址 列地址 RAS CAS 数据 tRC tRP tRAC 数据 tRP 预充电时间tRC 存取周期tRAC RAS访问时间tAA 访问时间 DRAM tRC tRAC tRCSRAM tRC tAA 标准模式时序 计算机组成原理 43 4 2 3ROM的结构与工作原理 ROM用来存放一些固定程序和数据 如监控程序 启动程序 磁盘引导程序 字符点阵信息等 ROM的优点 具有不易失性 即是电源被切断 ROM的信息也不会丢失 而使用SRAM进行存储 需要有电池等设备 EPROM存储阵列示意图 字线 字线 位线D7 位线D6 位线D0 计算机组成原理 44 4 2 4半导体存储器的组成 存储芯片与CPU之间的连接主要有以下三个部分 地址信号线的连接数据信号线的连接控制信号线的连接一个完整的主存要由若干存储芯片通过以上集中连接线路与CPU连接 有三种方式构建主存 位扩展 字扩展 字和位同时扩展 计算机组成原理 45 4 2 4半导体存储器的组成 1 位扩展芯片的单元数 字数 与存储器的要求的单元数一致 但存储芯片的单元的位数与存储器的要求的单元的位数不一致 用足够多的存储芯片扩展单元的位数来组合达到存储器的要求 连接方式 将所有芯片的地址线 片选信号和R W控制线并联 数据线单独列出 分别连接到CPU数据线的对应位 Intel2114 1K 4位 Intel2114 1K 4位 A9 A8 A0 D7 D4 D0 MREQ R W CS R W CS R W 计算机组成原理 46 4 2 4半导体存储器的组成 2 字扩展芯片的单元数 字数 与存储器的要求的单元数不一致 但存储芯片的单元的位数与存储器的要求的单元的位数一致 用足够多的存储芯片扩展单元数来组合达到存储器的要求 连接方式 将所有芯片的地址线 数据线和R W控制线并联 片选信号单独列出 分别通过片选译码电路连接到CPU的对应高地址位 16K 8位 片选译码 A15 A14 A13 A12 A0 D7 D6 D0 R W 16K 8位 16K 8位 16K 8位 CS0 CS1 CS2 CS3 MREQ 计算机组成原理 47 4 2 4半导体存储器的组成 3 字和位同时扩展芯片的单元数 字数 与存储器的要求的单元数不一致 但存储芯片的单元的位数与存储器的要求的单元的位数不一致 用足够多的存储芯片扩展单元数来组合达到存储器的要求 连接方式 1 确定组成主存储器需要的芯片总数 2 所有芯片对应地址线连接在一起 接到CPU引脚对应位 所有芯片的读写控制线连接在一起 接到CPU的读写控制线上 3 所有处于同一地址区域的芯片的片选信号接在一起 接到片选译码器对应输出端 4 所有处于不同地址区域的同一位芯片的数据输入输出线对应地连接在一起 接到CPU数据总线的对应位 计算机组成原理 48 例 用Intel2114 1K 4位 芯片组成4K 8位存储器 片选译码 A15 A14 A9 A8 A0 D0 D5 D7 R W 1K 4 CS0 CS1 CS2 CS3 MREQ D1 D2 D3 D4 D6 1K 4 计算机组成原理 49 4 3辅助存储器 作为主存的后援存储器存储当前CPU暂时不用的程序和数据 需用时再成批调入主存容量大 成本低 速度慢 可永久性保存磁表面存储器 磁盘 磁带光存储器 光盘 计算机组成原理 50 4 3 1磁盘存储器 分类 硬磁盘 合金基底 软磁盘 塑料基底 组成 驱动器 控制器 盘片1 硬磁盘存储器 计算机组成原理 51 硬盘存储原理 众所周知 硬盘能够存储包括音乐在内的信息 这些信息被存在微小的磁化区 信息则通过记录磁场变化的读取器取出 硬盘越小 各个磁化区的面积也越小 磁化的程度也越弱 因此如果欲在一张硬盘中存储更多信息 就需要更为灵敏的读取器 基于巨磁电阻效应原理制成的读取器 可以将细小的磁场变化转换成不同的电阻 使读取器产生不同的电流 而电流是读取器的信号 计算机组成原理 52 2007年诺贝尔物理学奖 法国科学家阿尔贝 费尔和德国科学家彼得 格林贝格尔1988年各自独立发现了一种全新的物理效应 巨磁电阻效应 即一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化 该系统非常有助于从硬盘中读取数据 因为机器在读取数据时必须把用磁记录的信息转换成电流 随着这项发现公布 一些研究者和工程师开始在制作读取头中加以应用 1997年首个应用巨磁电阻效应的读取头研制成功 很快成为标准技术 即便今天最新的读取技术也均由巨磁电阻效应发展而来 他俩将分享1000万瑞典克朗 约合154万美元 的2007年诺贝尔物理学奖奖金 计算机组成原理 53 艾尔伯 费尔小传 费尔1938年3月出生于法国南部小城卡尔卡索纳 1970年在南巴黎大学获博士学位 1976年开始担任南巴黎大学教授 自1995年以来 费尔还一直担任法国国家科研中心与法国泰雷兹集团组建的联合物理实验室科学主管 费尔于2004年当选法国科学院院士 计算机组成原理 54 彼得 格林贝格尔小传 格林贝格尔1939年出生于比尔森 1969年在达姆施塔特技术大学获博士学位 1972年开始担任德国于利希研究中心教授 2004年退休 计算机组成原理 55 4 3 1磁盘存储器 1 结构 盘片组 读写磁头 定位机构 旋转轴 磁头架 伸缩臂 磁头 盘片 扇区 0磁道 磁道 同心圆扇区 每个磁道有若干个扇形区 磁盘信息的基本单位柱面 所有盘片的同一磁道 计算机组成原理 56 4 3 1磁盘存储器 2 信息的读写 磁盘地址 柱面号 盘片号 扇区号 例如 8面 256道 8区的盘片组寻址5面 65道 7区的地址为 01000001 101 111 读写头定位柱面和盘片 旋转轴定位扇区 读写以扇区为单位1 寻址定位 磁头沿磁盘半径方向移动到相应的磁道位置上 定位时间 旋转 盘片旋转 磁头寻找所需扇区 等待时间 2 读写写入 磁头产生正向电流影响盘片磁层磁场写1 产生正向负流影响盘片磁层磁场写0读出 磁层磁场影响磁头电势 计算机组成原理 57 4 3 1磁盘存储器 3 技术指标存储容量C 盘片数n 磁道数T 扇区数S 扇区大小B平均寻址时间 平均磁道定位 寻道 时间 平均旋转等待时间存储密度位密度 沿磁道方向单位长度存储的二进制位数 位 英寸 道密度 沿磁盘径向单位常数所包含的磁道数 道 英寸 数据传输率Dr 单位时间内磁盘所能传送的数据量 字节 秒 例 双面8片 1024道 64区 512字节的磁盘组 最上和最下面不用 磁盘旋转速度6000转 分钟 平均寻道时间为12ms 启动延迟为1ms 盘片最内圈直径5cm 最外圈直径10cm 则 C 14 1024 64 512 448 MB 地址 20位 10位柱面号 4位盘片号 6位扇区号Dr 每一磁道的容量 每秒转数 64 512 6000 60 3200KB s平均访问时间 平均寻道时间 平均等待时间 启动延迟 传送一个扇区数据所需时间 12ms 60s 6000 2 1ms 512B 3200KB s 18 16ms道密度 1024 2 10 5 409 6 道 厘米 最小位密度 8 512 64 10 10 834 9 位 毫米 最大位密度 8 512 64 5 10 1669 7 位 毫米 计算机组成原理 58 2 软磁盘存储器 4 3 1磁盘存储器 计算机组成原理 59 软盘 驱动器软盘 盘片 封套分类 8英寸 5 25英寸 3 5英寸 2面 80道 18区 512字节 1 44MB 4 3 1磁盘存储器 小滑块向上推 写保护状态 只能读 不能写入 未写保护状态 可以读写 写保护开关 计算机组成原理 60 4 3 2光盘存储器 计算机组成原理 61 4 3 2光盘存储器 1 分类CD compactdisk 650MB 直径12cm 厚度1 2mm 光道深0 12 m 宽0 6 m 光道间距1 6 m CD ROM 只读CD R 写一次 重复读CD RW 重复写 读DVD digitalversatiledisk 4 7GB 17GB 直径12cm 厚度1 2mm 光道深0 12 m 宽0 6 m 光道间距0 74 m DVD ROM DVD R DVD RAM DVD RW DVD RW CD RW光盘刻录机 DVD光盘驱动器 CD ROM光盘驱动器 计算机组成原理 62 2 技术指标 1 数据传输率 数据从光盘传送到主存的速率 为单位时间内光盘的光道上传送的数据位数CD单倍速150Kbps 2 存储容量 总时间 分钟 速度 扇区 秒 扇区大小 字节 扇区 例如 74分钟 60秒 分钟 75扇区 秒 2048字节 扇区 650MB 3 平均存取时间 在光盘上能够找到需要的信息的位置所用时间 即从计算机向驱动器发命令到驱动器可以接受命令的时间 4 3 2光盘存储器 计算机组成原理 63 4 4高速缓冲存储器 解决主存与CPU速度不匹配问题用SRAM构成 价格贵 容量小 计算机组成原理 64 Cache概念 1 CPU与主存储器之间的一种高速缓冲装置 2 Cache 主存层次结构 由硬件变换地址和控制调度 Cache具有如下特点 位于 与主存之间 是存储器层次结构中级别最高的一级 容量比主存小 目前一般有数 到数 速度一般比主存快 倍 通常由存储速度高的双极型三极管或SRAM组成 其容量是主存的部分副本 其用途可用来存放指令 也可用来存放数据 快存的功能全部由硬件实现 并对程序员透明 4 4高速缓冲存储器Cache 计算机组成原理 65 一 Cache的基本组成与工作原理 1 基本组成 A Cache存储器 B Cache控制器 a 地址变换逻辑 b 替换逻辑组成 4 4高速缓冲存储器Cache 计算机组成原理 66 2 工作原理 A Cache以块为单位进行操作 B 当CPU发出访内操作请求后 首先由Cache控制器来判断当前请求的字是否在Cache中 若在 叫命中 否则 不命中 C 若命中 a 若是 读 请求 则直接对Cache读 与主存无关 b 若是 写 请求 i Cache单元与主存单元同时写 writethrough写通 或存储通过法 ii 只更新Cache单元并加标记 移出时修改主存 写回Copyback iii 只写入主存 并在Cache中加标记 则在下次肯定从主存读出 保证正确 D 未命中时 a 若是 读 请求 则从主存读出所需字送CPU 且把含该字的一块送Cache 称 装入通过 若Cache已满 置换算法 b 若是 写 请求 直接写入主存 4 4高速缓冲存储器Cache 计算机组成原理 67 二 替换算法替换算法的目标 是使Cache获得最高的命中率 就是让Cache中总是保持着使用频率高的数据 从而使 访问Cache的成功率最高 其算法如下 先进先出法 这种算法是把最早进入Cache中的信息块给替换掉 由于这种算法只考虑了历史情况 并没有反映出信息的使用情况 所以其命中率并不高 其原因是最先进来的信息块 或许就是经常要用的块 反而被替换掉了 近期最少使用算法 这种算法是把近期使用最少的信息块替换掉 这就要求随时记录Cache中各块的使用情况 以便确定哪个字块是最近期最少使用的 由于近期使用少 未必是将来使用最少的 所以 这种算法的命中率比 有所提高 但并不最理想 优化替换算法 这是一种理想算法 但实现起来难度大 因此 只作为衡量其它算法的标准 这种算法需让程序运行两次 第一次分析地址流 第二次才真正运行程序 4 4高速缓冲存储器Cache 计算机组成原理 68 三 Cache存储器的地址映象1 概念 1 地址映象 为了把信息放到Cache中 必须应用某种函数把主存地址映象到Cache中定位 称作地址映象 2 地址变换 在信息按这种映象关系装入Cache后 执行程序时 应将主存地址变换成Cache地址 这个变换过程叫作地址变换 地址映象和变换是密切相关的 2 Cache的地址映象方式有全相联映象 直接映象和组相联映象 4 4高速缓冲存储器Cache 计算机组成原理 69 1 全相联映象方式 A 主存中的每一页面可以映象到Cache中的任何一个页面位置上 也允许采用任何替换算法从被占满的Cache中替换掉任何一个旧页面 其映象关系如图 B 优点 灵活 其缺点一是访问速度太慢 这是因为要与所有标记全部比较一遍 才能确定是否命中 二是成本太高 4 4高速缓冲存储器Cach