计算机组成原理4.4-4.6

1、4.4 磁表面存储器磁表面存储器一、一、 存储介质存储介质与磁头与磁头1.1.基体与磁层基体与磁层（1 1）软质基体与磁层）软质基体与磁层2.2.读读/ /写磁头写磁头（2 2）硬质基体与磁层）硬质基体与磁层磁头：磁头：实现电实现电 磁转换的装置磁转换的装置 如：磁带、软盘如：磁带、软盘 如：硬盘如：硬盘二、读写原理二、读写原理1. 1. 写入写入 在磁头线圈中加入磁化电流（写电流），在磁头线圈中加入磁化电流（写电流），并使磁层移动，在磁层上形成连续的小段磁化并使磁层移动，在磁层上形成连续的小段磁化区域（位单元）。区域（位单元）。局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体写线圈写线圈SNI局部磁化单

2、元局部磁化单元写线圈写线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层写入写入“0”写入写入“1”IN读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出 “0”读出读出 “1” 磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的转变区转变区经过磁头下方时，在线圈两端产生经过磁头下方时，在线圈两端产生感应电势感应电势。2.2.读出读出磁通变化磁通变化的区域的区域读出信号读出信号En/t（n:感应线圈匝数感应线圈匝数,/t:磁通量的变化率磁通量的变化率) 技术指标技术指标道密度：道密度：（1 1）记录密度）记录密度（2 2）

3、存储容量）存储容量位密度：位密度：单位长度内的磁道数。单位长度内的磁道数。磁道上单位长度内的磁道上单位长度内的二进制代码数。二进制代码数。非格式化容量：非格式化容量：格式化容量：格式化容量：总位数总位数用位密度计算。用位密度计算。有效位数有效位数用扇区內的数据块用扇区內的数据块长度计算。长度计算。（3 3）速度指标）速度指标平均存取时间平均存取时间带：平均等待时间带：平均等待时间盘：平均定位、平均旋转时间盘：平均定位、平均旋转时间查找速度查找速度 msms数据传输率数据传输率读读/ /写速度写速度 Kb/sKb/s、KB/sKB/s三、三、 磁记录方式磁记录方式1.1.定义定义 写电流波形的组

4、成方式。写电流波形的组成方式。解决解决提高可靠性提高可靠性：增大写波幅度，以提高读出：增大写波幅度，以提高读出 信号幅度。信号幅度。自同步，即能从自身读出自同步，即能从自身读出信号序列中提取同步信号，信号序列中提取同步信号，以区分位单元。以区分位单元。提高记录密度提高记录密度减少转变区数目，减少转变区数目， 使位单使位单元长度缩短。元长度缩短。具有具有自同步自同步能力，能力， 使位单使位单元长度缩短。元长度缩短。选择原则选择原则: :主要由以下三点决定主要由以下三点决定(1)(1)自同步能力自同步能力 (2)(2)记录密度记录密度 (3)(3)可靠性可靠性实用记录方式的特点与应用实用记录方式的

5、特点与应用（1 1）归零制（）归零制（RZRZ）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1写写1 1时正向电流，写时正向电流，写0 0时负向电流。时负向电流。写完归零，两个转变区，密度低。写完归零，两个转变区，密度低。 现在已不使用。现在已不使用。（2 2）不归零制（）不归零制（NRZNRZ）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1写写1 1时正向电流，写时正向电流，写0 0时负向电流。时负向电流。写写完不归零完不归零，转变区少，密度提高。，转变区少，密度提高。 现在已不使用。现在已不使用。 1. 1.不归零不归零-1-1制（制（NRZ1NRZ1）写写

6、1 1时电流变方向，写时电流变方向，写0 0时电流不变方向。时电流不变方向。“见见1 1就翻就翻”0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1I I0 0t t转变区少，转变区少，无自同步能力无自同步能力。用于早期低速磁带机。用于早期低速磁带机。 2. 2.调相制（调相制（PEPE）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1写写1 1时时中间电流中间电流正跳变，写正跳变，写0 0时中间电流负跳变。时中间电流负跳变。转变区多，有转变区多，有自同步能力自同步能力。用于常规磁带机。用于常规磁带机。 3. 3.调频制（调频制（FMFM）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0

7、 1 1 0 1写写1 1时电流变二次，写时电流变二次，写0 0时电流变一次。时电流变一次。起始变起始变方向方向，转变区多，有转变区多，有自同步能力自同步能力。用于早期磁盘用于早期磁盘。 3. 3.调频制（调频制（FMFM）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1写写1 1时位单元中间电流变时位单元中间电流变，相邻的相邻的0 0交界处电流变交界处电流变。转变区少，有转变区少，有自同步能力自同步能力。用于磁盘。用于磁盘。 4. 4.改进型调频制（改进型调频制（MFMMFM）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1可压缩位单元长度：可压缩位单元长度：I

8、I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1 5. 5.群码制（群码制（GCRGCR）GCRGCR（4 4，5 5）记录码中连续的记录码中连续的0 0不超过不超过2 2个；个； 记录码按记录码按NRZ1NRZ1方式写入。方式写入。转变区少，有自同步能力。转变区少，有自同步能力。用于数据流磁带机。用于数据流磁带机。4.5 4.5 磁盘存储器及其接口磁盘存储器及其接口磁盘磁盘磁盘控制器磁盘控制器磁盘驱动器磁盘驱动器+ + 接口接口磁盘适配器磁盘适配器盘片、磁头盘片、磁头定位系统、传动系统定位系统、传动系统1.1.组成组成 磁盘存储器结构磁盘存储器结构磁磁 盘盘 控控 制制 器器磁磁

9、盘盘 驱驱 动动 器器盘盘 片片主主 机机磁盘控制器磁盘控制器 接受主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令接受主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令 实现主机和驱动器之间的数据格式转换实现主机和驱动器之间的数据格式转换 控制磁盘驱动器读写控制磁盘驱动器读写磁盘控制器磁盘控制器是是主机与磁盘驱动器之间主机与磁盘驱动器之间的的接口接口磁盘磁盘磁磁盘盘组组主轴主轴磁头磁头音圈音圈电机电机位置检测位置检测定位驱动定位驱动模拟控制模拟控制放放大大闭环自动控制系统闭环自动控制系统由磁盘控制由磁盘控制器送来的目器送来的目标磁道信号标磁道信号测测速速输输出出读写臂读写臂传动机构传动机构主轴主轴定位驱动

10、定位驱动数据控制数据控制磁盘驱动器磁盘驱动器（1 1）硬盘信息分布与寻址信息）硬盘信息分布与寻址信息1 1）单片单片信息信息分布分布 盘片：盘片： 单片，双面记录。单片，双面记录。 磁道：磁道： 盘片旋转一周盘片旋转一周， 扇区：扇区： 磁道上长度磁道上长度相同相同的区段，存放的区段，存放数据块。数据块。 各道容量相同各道容量相同, ,内圈位密度最高。内圈位密度最高。 非格式化容量非格式化容量= =内圈位密度内圈位密度内圈周长内圈周长道数道数/ /面面面数面数格式化容量格式化容量 = =字节数字节数/ /扇区扇区扇区数扇区数/ /道道道数道数/ /面面面数面数 磁头的作用域磁头的作用域。各各道

11、位密度不同道位密度不同, , 盘组：盘组： 多个盘片，双面记录。多个盘片，双面记录。各记录面上相同序号的磁道构成一圆柱面。各记录面上相同序号的磁道构成一圆柱面。圆柱面：圆柱面：扇区（定长记录格式）扇区（定长记录格式） （2 2）硬盘信息分布与寻址信息）硬盘信息分布与寻址信息2 2）盘组信息）盘组信息分布分布数据块数据块记录块（不定长记录格式），记录块（不定长记录格式）， 无扇区化分。无扇区化分。 驱动器号、圆柱面号、磁头号、扇区驱动器号、圆柱面号、磁头号、扇区号、号、交换量交换量。3 3）寻址信息寻址信息例：定长记录例：定长记录格式格式( (P239P239) )2.2.记录格式（磁道格式）记

12、录格式（磁道格式）选择磁盘组选择磁盘组 选择盘面选择盘面 选择磁道选择磁道 选择起始扇区选择起始扇区 磁道时间磁道时间磁道磁道索引脉冲索引脉冲间隔间隔 扇区扇区1 1 扇区扇区2 2 扇区扇区n n 间隔间隔 扇区扇区i i 标志区：标志区： 标志信息、标志信息、 CRCCRC校验码校验码 数据区：数据区： 标志信息、标志信息、CRCCRC、数据字段数据字段 3.3.磁盘基本操作磁盘基本操作寻址寻址操作操作寻道：寻道： 磁头径向移动磁头径向移动 寻找扇区：寻找扇区： 盘片旋转盘片旋转 读读/ /写写操作操作串行读串行读/ /写写 DMADMA方式传送方式传送 （1 1） （2 2） 扇区数扇区

13、数 例例.设某磁盘有两个记录面，存储区内直径为设某磁盘有两个记录面，存储区内直径为2.36英寸，外英寸，外直径为英寸，道密度为直径为英寸，道密度为1250TPI（TPI：磁道数：磁道数/英寸），英寸），内直径处的位密度为内直径处的位密度为52400bpi（bpi：位：位/英寸），转速为英寸），转速为2400rpm（rpm：转：转/分）。请解答：分）。请解答：（1）每面有多少个磁道，每磁道能存储多少字节？）每面有多少个磁道，每磁道能存储多少字节？（2）数据传输率是多少？）数据传输率是多少？（3）磁盘的寻址信息？）磁盘的寻址信息？解：解：(1) 磁道数磁道数=1250(5-2.36)/2=1650

14、 每个磁道的容量每个磁道的容量=2.36 3.14 52400=388304b=48538B 总容量总容量=?(2) 数据传输率数据传输率= 48538B 2400/60=1941524B/s=1.85MB/s(3) 寻址信息：寻址信息：驱动器号、磁头号、磁道号、扇区号驱动器号、磁头号、磁道号、扇区号pRAID（Redundant Array of Independent Disks，独立冗余磁，独立冗余磁盘阵列）结构，盘阵列）结构，pRAID是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘组合起来形成一个硬盘组（逻辑

15、硬盘），），组成的磁盘组就像组成的磁盘组就像是一个硬盘，用户可以对它进行分区，格式化是一个硬盘，用户可以对它进行分区，格式化等等。等等。p对磁盘阵列的操作与单个硬盘一模一样。不同的是，磁盘阵对磁盘阵列的操作与单个硬盘一模一样。不同的是，磁盘阵列的存储速度要比单个硬盘高很多，而且可以提供自动数据列的存储速度要比单个硬盘高很多，而且可以提供自动数据备份备份。p组成组成磁盘磁盘阵列不同阵列不同方式称为方式称为RAID级别（级别（RAID Levels） ，RAID 分成分成07 级，此外还有级，此外还有0/1级（或级（或10 级）。其中级别级）。其中级别2 和级别和级别4 很少实现。很少实现。p设计

16、人员需考虑数据的存取速度、存储效率、系统可靠性、设计人员需考虑数据的存取速度、存储效率、系统可靠性、系统的可维护性、系统造价等诸多因素间进行权衡，选择适系统的可维护性、系统造价等诸多因素间进行权衡，选择适合系统数据量和客户需求的存储结构。合系统数据量和客户需求的存储结构。lRAID0的存储方式如图所示。数据将被分块一次按照顺序存放在各个磁盘上。第1数据块存放在磁盘1上；第2数据块存放在磁盘块2上；以此类推。l读取数据时可以使用多个磁盘共同读取。l某一个磁盘发生故障，则整个系统的数据变得不可用。pRAID1 提高数据存储的可靠性，如图所示。p级别1使用两个磁盘对数据进行镜像映射，即使一个磁盘出了

17、故障，另一个磁盘仍然可用。p数据被顺序地存放在磁盘上，数据连续存储有利于数据的读取，但是数据写入只能串行进行，而不能像RAID0 那样并行写入。lRAID 0/1 如图所示对级别0 和级别1 进行了综合。lRAID 级别0/1 解决了RAID 级别0 的数据低可靠性 问题和RAID 级别1 存在的无法并行写入的问题。l但是在RAID 级别0/1 中，数据的冗余度太高。lRAID 级别3 对RAID 级别0+1 进行了改进。下图具有4 个磁盘块的例子。在前3 个磁盘块中数据被顺序写入，在第4 个磁盘块中存放的是对第1、第2、第3 数据块的校验数据块。lRAID 级别3 的优点是当第1、2、3 磁

18、盘块失效时，失效的数据可以通过第4 磁盘块中的校验数据块通过异或运算获得。lRAID 级别3 的数据可靠性比RAID 级别0 高。同时，RAID 级别3 的数据冗余远远比RAID 级别0/1 低，它为数据可靠性付出的代价较小。l在 RAID 级别3 中，由于需要计算各个数据块的校验块，而校验数据块的生成和写入速度低于普通数据块的写入速度，如果所有的校验数据块都需要写进磁盘4，则磁盘4 将成为整个系统的瓶颈所在。lRAID 级别5 为分布式奇偶校验且独立磁盘结构lRAID 级别5 改进了级别3 的这个缺点。在RAID 级别5 中，校验块不是存放在一个磁盘上，校验数据块被分布在不同的磁盘块上。lR

19、AID 级别5 改进了级别3 校验磁盘写入瓶颈的问题，但是RAID 级别5 的维护工作要比RAID 级别3 复杂。 4.5 4.5 光存储原理光存储原理1. 1. 概述概述采用光存储技术采用光存储技术采用非磁性介质采用非磁性介质采用磁性介质采用磁性介质第一代光存储技术第一代光存储技术第二代光存储技术第二代光存储技术不可擦写不可擦写可擦写可擦写2. 2. 光盘的存储原理光盘的存储原理只读型和只写一次型只读型和只写一次型可擦写光盘可擦写光盘热作用热作用（物理或化学变化）（物理或化学变化）热磁效应热磁效应利用激光写入和读出利用激光写入和读出六、六、提高存储器系统性能的一些措施提高存储器系统性能的一些

20、措施 采用高速器件采用高速器件 调整主存结构调整主存结构 采用层次结构采用层次结构Cache Cache 主存主存 采用并行存储结构，是为了从结构上拓宽采用并行存储结构，是为了从结构上拓宽存储器带宽存储器带宽B Bm m=W/T=W/TM M，克服存取速度的瓶颈，克服存取速度的瓶颈 单体多字单体多字提高带宽提高带宽 多体并行多体并行 双双( (多多) )口口M M 问题的提出：问题的提出：CPU 和主存（和主存（DRAM）的速度差异）的速度差异缓存缓存CPU主存主存容量小容量小速度高速度高容量大容量大速度低速度低程序的局部性原理程序的局部性原理(1)(1)时间局部性时间局部性: :最近被访问的

21、内存内容（指令或数据）很最近被访问的内存内容（指令或数据）很快还会被访问快还会被访问. .例程序循环和堆栈操作例程序循环和堆栈操作. .(2)(2)空间局部性空间局部性: :靠近当前正在被访问的内存内容很快也会靠近当前正在被访问的内存内容很快也会被访问被访问. .顺序顺序执行的程序和数据执行的程序和数据( (如数组如数组) )便是如此便是如此. .(3)(3)分层结构分层结构: :局部性原理是存储系统层次结构技术可行局部性原理是存储系统层次结构技术可行 性的基础性的基础. . 一般一般:CPU:CPU频繁访问的信息频繁访问的信息 高速存储器中高速存储器中 CPUCPU不频繁访问的信息不频繁访问

22、的信息 低速存储器中低速存储器中CPU地址映象cache主存数据总线地址总线ALU通用寄存器L1L2主存辅存CPU存储系统存储系统层次结构图Cache原理图块传送字传送 Cache 的的工作工作原理（补充）原理（补充）(1) 主存和缓存的编址主存和缓存的编址将主存将主存和和缓存划分大小相同页缓存划分大小相同页（或块）（或块），两者以页为传送单位。，两者以页为传送单位。主存页号主存页号主存储器主存储器012m-1页页0页页1页页M-1主存页号主存页号页页内内地址地址m位位b位位n位位M块块B个字个字缓存页号缓存页号 页内页内地址地址c位位b位位C块块B个字个字页页 0页页 1页页 C-1012c

23、-1标记标记Cache缓存页号缓存页号(2) 命中与未命中命中与未命中缓存共有缓存共有 C 页页主存共有主存共有 M 页页M C命中命中未命中未命中主存页主存页 已调已调入入 缓存缓存主存页主存页 未调入未调入 缓存缓存用用 标记记录标记记录 对应的对应的 主存页号主存页号数据总线数据总线Cache替换机构替换机构可装进？可装进？ 命中？命中？主存主存Cache 地址映象地址映象 变换机构变换机构 主主 存存访问主访问主存替换存替换Cache Cache 存储体存储体页号页号页内页内地址地址直接通路直接通路访问主存装入访问主存装入CacheNNYY页页号号页页内内地址地址CPU主存地址主存地址

24、地址总线地址总线Cache地址地址Cache 的基本的基本结构（补充）结构（补充）Cache替换机构替换机构由由 CPU 完成完成 Cache 存储体存储体主存主存Cache 地址映象地址映象 变换机构变换机构 CacheCache是在是在CPUCPU与与MMMM之间插入的一种高速缓存，旨在之间插入的一种高速缓存，旨在解决两者间的速度匹配，提高主存系统的性价比。解决两者间的速度匹配，提高主存系统的性价比。特点：特点：(1)Cache(1)Cache用用SRAMSRAM构成，其速度与构成，其速度与CPUCPU相当；相当；(2)(2)原理与虚拟存储器同，但它的控制管理全由原理与虚拟存储器同，但它的

25、控制管理全由硬件硬件实现；实现；(3)Cache(3)Cache价贵，维持最佳性价比，价贵，维持最佳性价比，CacheCache容量应尽可能小，容量应尽可能小， 但以不影响命中率为前提。但以不影响命中率为前提。1.1.地址映象地址映象(1)(1)直接映象直接映象(2)(2)全相联映象全相联映象(3)(3)组相联映象组相联映象2.2.替换算法替换算法（1 1）先进先出）先进先出 （ FIFO FIFO ）算法）算法（2 2）近期最少使用法（）近期最少使用法（ LRULRU）算法）算法3. Cache3. Cache的读写过程的读写过程1、地址映象（、地址映象（Cache 主存）主存）（1）直接）

26、直接映象映象每个每个缓存页缓存页 i 可以可以和和若干若干个个主存页主存页 对应对应每个每个主存页主存页 j 只能和只能和 一一 个个 缓存页缓存页 对应对应i = j mod C（C=2C=16）：某：某一一 主存页主存页只能只能固定固定 映射到映射到 某一某一 缓存页缓存页 例如例如P256：缓存：缓存0页可以映像到主存页可以映像到主存0、16、2032例如例如P256：主存：主存：0、16、2032（共（共128）只能映像到缓存）只能映像到缓存0页页 页2m-1 字块字块2c+1 页2c+1-1 页2c +1 字块字块2c 页2c-1 页1 字块字块0主存储体主存储体 页页 1 标记标记

27、 字块字块 0 标记标记页页 2c1标记标记Cache存储体存储体t位位01C1 页页组内页号组内页号 主存主存 组号组号t 位位c 位位b 位位主存主存地址地址 比较器（比较器（t位）位）= 不命中不命中有效位有效位=1？*m位位 Cache内地址内地址否否是是命中命中 页2c+1 页2c 页页0 页页0第第 0组组第第 2t-1组组特点：实现简单、不够灵活特点：实现简单、不够灵活主存每组的页数主存每组的页数与缓存与缓存页数相同页数相同【例】设主存容量为1MB，Cache的容量为16KB，每块（页）为512B，采用直接联映像方式下求：（1）该Cache可容纳多少个块（页）？主存多少个块（页）

28、？（2）写出Cache的地址结构（或地址格式）。（3）写出主存的地址结构（或地址格式）。（4）写出Cache标记的容量。（5）主存地址为CE8FH单元所在页应装入到的Cache的页号？【解】（1）Cache中有16KB/512B32块（页），主存有1MB/512B2048块（页），（2）Cache地址为14位：页号（5位）和页内地址（9位）。（3）主存地址为20位：主存组号（6位）、组内页号（5位）和页内地址（9位）。（4）Cache标记的容量：256（5）主存地址为CDE8FH=1100 1101 1110 1000 1111 其中主存页号（11位）= 11001101111和页内地址（9位

29、）=010001111 110 0110 1111 MOD 25 =01111(或1647 MOD 32=15) 所以主存地址为CDE8FH映像到Cache中的第15页 （主存中第I页映像到Cache的第I mod 25页中）思考题：主存地址为CDE8FH单元在Cache中的地址是多少？01 1110 1000 1111【例】设有一个Cache的容量为2K字，每块（页）为16字，求：（1）该Cache可容纳多少个块（页）（2）如果主存容量为256K，则有多少个块（页） ？（3）主存的地址有多少位？Cache地址有多少位？（4）直接映像方式下，主存地址分为哪几部分？每部分有多少位？主存中第I块（

30、页）映像到Cache中的哪一块（页）？【解】（1）Cache中有2048/16128块（页）（2）主存容量为256K，则有256K/16=16384块（页）（3）主存地址为18位，Cache地址为11位。（4）主存地址分为：主存组号、组内页号和页内地址。 页内字地址为4位； 组内页号为log2128=7位， 主存组号为18-7-47位。 主存中第i块（页）映像到Cache的第I mod 128块（页）中。思考题：主存地址为0DE8FH单元所在页应装入到的Cache的页号？思考题：主存思考题：主存地址为地址为0DE8FH0DE8FH单元所在单元所在页页应装入到的应装入到的CacheCache的页

31、的页号号？解：解：（1）Cache中有128页需要7位地址（页号）（2）每页为16字需要4位地址（页内地址）（2）主存容量为256K，则有256K/16=16384块（页）（3）主存地址为18位，Cache地址为11位。（4）主存地址分为：主存组号、组内页号和页内地址。主存主存地址地址为为0DE8FH=0DE8FH=0000 1101 1110 1000 1101 1110 1000 1111B1111B 其中，页号其中，页号= =00 00 1101 1110 1000 1101 1110 1000 ，页内地址，页内地址=1111=1111所以，所以， 1101 1110 1000 1101

32、 1110 1000 mod 2mod 27 7= = 11010001101000 ( (或或71 mod 128=71 mod 128=104104) )直接映像下，主存主存地址第地址第j页页映像到Cache的i（i = j mod 128）页页（2） 全相联映象全相联映象主存主存 中的中的 任任一页一页 可以映象到可以映象到 缓存缓存 中的中的 任任一页一页页页2m-1页页2c-1页页1 字块字块0页页2c1页页1页页0标记标记标记标记标记标记主存页标记主存页标记 页内页内地址地址主存主存地址如：地址如：P257m = t + c 位位(11位位)b位位(9位位)m = t+cCache

33、 存储器存储器主存储器主存储器 页0：某：某一一 主存页主存页能能 映射到映射到 任一任一 缓存页缓存页特点特点：灵活但成本高：灵活但成本高【例】设主存容量为1MB，Cache的容量为16KB，每块（页）为512B，采用全相联映像方式下求：（1）该Cache可容纳多少个块（页）？主存多少个块（页）？（2）写出Cache的地址结构。（3）写出主存的地址结构。（4）写出Cache标记的容量。（5）主存地址为CE8FH单元所在页应装入到的Cache的页号？【解】（1）Cache中有16KB/512B32块（页），主存有1MB/512B2048块（页），（2）Cache地址为14位（16KB）：页号（

34、5位）和页内地址（9位）。（3）主存地址为20位（1MB）：主存页号（11位）和页内地址（9位）。（4）Cache标记的容量：2511（5）主存地址为CDE8FH=1100 1101 1110 1000 1111 其中主存页号（11位）= 11001101111和页内地址（9位）=1010001111 110 0110 1111 MOD 25 =01111(或1647 MOD 32=15) 所以主存地址为CDE8FH映像到Cache中的任意页（0-31之间的任意值） 主存中第I页映像到Cache的第J页中页页2m1字块字块2c-r+1 页2c-r + 1 字块字块2c-r页页2c-r 1 页1

35、 字块字块0 页页3标记标记 字块字块 1标记标记页页2c1标记标记 页页2标记标记 字块字块 0标记标记页页2c2标记标记 页内页内地址地址组内页号组内页号主存组主存组号号8位位 3位位b 位位组组012c-r1主存主存地址如地址如: P258Cache主存储器主存储器m 位位共共 Q 组组，每组内，每组内两页两页)（3）组）组相联映象相联映象 页页0 页页1 页页0 页页2c-r 页页2c-r+1：某一：某一 主存页主存页 能能 映射映射到到某某一一 缓存缓存 组组中的中的任一页任一页主存和缓存组间采用直接映像，组内采用全相联映像。主存和缓存组间采用直接映像，组内采用全相联映像。第第 0组

36、组第第 2t-1组组主存和缓存均分主存和缓存均分组，组，主存每组页数与缓存的组数相同。主存每组页数与缓存的组数相同。【例】采用组相联映像方式，Cache由64块（页）构成，每组包含4块（页）。主存包含4096块（页），每页由8字组成，每字由32位组成。存储器按字节编址。访存地址为字地址。（1）写出Cache的地址位数和地址结构。（2）写出主存的地址位数和地址结构。（3）主存地址为18AB9H单元所在页应装入到的Cache的页号？【解】（1） Cache由64页构成，每页由8字组成，每字由32位组成。 Cache的容量=648（字）32（位）=20488=2KB,即Cache地址为11位 Cac

37、he每组包含4页，所以组内页号为2位；Cache有64/4=16组，组号为4位。 Cache的地址结构为： 组内页号(2位)、组号(4位)、页内字地址(3位)、页内字节地址(2位) （2） 主存包含4096页，其容量=40968(字)32(位)=128KB,即主存地址为17位 主存地址结构为：主存组号(6位).组内页号(2位).组号(4位).页内字地址(3位).页内字节地址(2位) （3）主存地址为18AB9H=1 1000 1010 1011 1001 (第5组字块21222324)3. Cache 的的 读写读写 过程过程 访问访问Cache取出信息送取出信息送CPU 访问主存访问主存取出

38、信息送取出信息送CPU将新的将新的主存页主存页调入调入Cache中中执行替换算法执行替换算法 腾出空位腾出空位 结束结束命中？命中？Cache满？满？CPU发出访问地址发出访问地址 开始开始YNYN（1）读操作）读操作（2）写操作）写操作 Cache 和主存的一致性和主存的一致性 3. Cache 的的 读写读写 过程过程A.A.写直达法写直达法(write through)(write through)又称全写法又称全写法 数据同时写入数据同时写入cachecache和和MMMM，写操作就是访问主存的时间，写操作就是访问主存的时间，这会增加访存次数。这会增加访存次数。B.B.写回法写回法(w

39、rite back)(write back)也称标志交换法也称标志交换法(flag-swap)(flag-swap) 即数据暂写入即数据暂写入cachecache，并用标志注明，直到该页（块），并用标志注明，直到该页（块）从从cachecache替换出去后，才写入替换出去后，才写入MMMM。C.C.数据只写入数据只写入MMMM，同时将，同时将cachecache中相应中相应页（块）页（块）的有效位的有效位置置0 0，使之失效，需要时从，使之失效，需要时从MMMM调入，方可使用。调入，方可使用。注：据统计，写操作在访存操作的平均概率为注：据统计，写操作在访存操作的平均概率为16%16%左右，左右

40、， 因此，因此，A A法实用。法实用。4. Cache 的改进的改进(1) 增加增加 Cache 的级数的级数片载（片内）片载（片内）Cache片外片外 Cache(2) 统一缓存和分开缓存统一缓存和分开缓存指令指令 Cache数据数据 Cache与主存结构有关与主存结构有关与指令执行的控制方式有关与指令执行的控制方式有关是否流水是否流水Pentium 8K 指令指令 Cache 8K 数据数据 CachePowerPC620 32K 指令指令 Cache 32K 数据数据 Cache【例】设有一个Cache的容量为2K字，每块（页）为16字，求：（1）该Cache可容纳多少个块（页）（2）如

41、果主存容量为256K，则有多少个块（页） ？（3）主存的地址有多少位？Cache地址有多少位？（4）直接方式下，主存地址分为哪几部分？每部分有多少位？主存中第I块（页）映像到Cache中的哪一块（页）？【解】（1）Cache中有2048/16128块（页）（2）主存容量为256K，则有256K/16=16384块（页）（3）主存地址为18位，Cache地址为11位。（4）主存地址分为：主存组号、组内页号和页内地址。 页内字地址为4位； 组内页号为log2128=7位， 主存组号为18-7-47位。 主存中第i块（页）映像到Cache的第I mod 128块（页）中。 二、虚拟存储器(virtu

42、al memory) 虚拟存储器是以存储器访问局部性原理为基础，建立在主辅存体系上的存储器管理技术。 1虚拟存储器概念 多级存储器在操作系统管理下，向用户提供比实 际主存大的多的存储空间，即提供虚拟存储器。 由主存提供的地址称为物理地址或实地址，由虚存提供的地址称为逻辑地址或虚地址。虚地址必须转换成实地址才能进行操作，程序进行虚地址到实地址转换的过程称为程序的再定位。 主存外存层次采用的地址变换映射方法和置换策略与Cache 相同，都基于程序局部性原理，即在一个较小的时间段内，程序访问的主存或外存区域都局限在一个较小的范围。 遵循的原则是： 将常用信息保存在高速存储器，不常用信息送回低速存储器

43、 数据的置换由硬件与操作系统完成，对用户（应用程序员）透明 尽量使存储系统性能接近高速存储器，价格接近低速存储器 2存储器管理存储器管理 虚拟存储器分为段式、页式和段页式三种。 （1）段式管理：按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立部分，作为独立的逻辑单位。优点是段的逻辑独立性使它易于编译、管理、修改和保护，便于程序共享。缺点是段的长度不定，给主存空间分配带来困难。 （2）页式管理：在主存物理空间中划分出等长的固定区域。优点是页面的起点、终点地址固定，用页表管理较方便。缺点是处理、保护和共享等不及段式方便。 （3）段页式管理：采用分段和分页结合的方法。程序按模块分段，段内再分页，进入主存以页为

44、基本信息传送单位，用段表和页表进行两级定位管理。三、双端口存储器三、双端口存储器(Dual Port Memory)(Dual Port Memory) 双端口存储器是指同一存储器具有两组相互独立的读写控制线路，是一种高速工作的存储器。 双端口存储器提供左、右两个独立端口，分别具有独立的地址、数据和控制线，可对存储器任意单元中数据进行独立存取操作。图中，用 L 表示左端口，用 R 表示右端口。三、双端口存储器三、双端口存储器(Dual Port Memory)(Dual Port Memory)(1)(1)特点特点: :每个芯片有二组每个芯片有二组DBDB，ABAB，CBCB， 形成二个访问端

45、口，允形成二个访问端口，允许二个端口并行独立的读写。许二个端口并行独立的读写。(2)(2)注意注意: : 如如2 2个端口同时访问同一存储单元，由片内仲裁个端口同时访问同一存储单元，由片内仲裁逻辑决定由逻辑决定由哪个端口访问哪个端口访问。 可让可让2 2个个CPUCPU同时访同时访MMMM，或或1 1个端口面向个端口面向CPUCPU，1 1个面向个面向I/OI/O处理处理。(3)(3)应用应用: :1 1）CPUCPU中的通用寄存器中的通用寄存器2 2）多机系统中的双多机系统中的双( (多多) )口存储器口存储器四、并行存储器四、并行存储器1. 1. 单体多字并行主存单体多字并行主存系统（系统

46、（P267P267图图4-544-54） W W位位W W位位W W位位W W位位N N* *W W位位地址寄存器地址寄存器主存控制部件主存控制部件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .单字长寄存器单字长寄存器 数据寄存器数据寄存器 存储体存储体 增加存储器的带宽增加存储器的带宽 2.2.多体交叉多体交叉存取的存取的并行主存系统并行主存系统 主存主存分成若干独分成若干独立立存储体存储体( (地址寄存器、地址寄存器、数据线和读写时序数据线和读写时序) )。四、并行存储器四、并行存储器 一个存取周期中，一个存取周期中，CPUCPU交叉访问多个体，交叉访问

47、多个体，缩短平均访存时间。缩短平均访存时间。M0M0M1M1M2M2M3M30 01 12 23 34 45 56 67 7 存储器控制部件存储器控制部件 CPU CPUR/WR/W R/WR/W R/WR/W R/WR/WCPUCPU每隔每隔1/41/4存取周期从存取周期从主存读主存读/ /写一个数据。写一个数据。3.3.并行处理机与多机系统中的存储组织并行处理机与多机系统中的存储组织并行处理机是指：并行处理机是指： 一台计算机中有一台计算机中有1 1个指令部件和多个执行部件个指令部件和多个执行部件. . CPU M, ICN CPU M, ICN为互联网络为互联网络. . 存储结构可分成：

48、分布结构和共享存储器结构存储结构可分成：分布结构和共享存储器结构. .（1 1）分布存储器结构）分布存储器结构: : 存储系统由存储系统由 1)SC(1)SC(Supervisory Control-管理机管理机) )：为常驻：为常驻OSOS使用。使用。 2)PEM(2)PEM(Processing Element Memory-处理机存储单元处理机存储单元) )： 分布在各处理单元中，用于存放程序和数据。分布在各处理单元中，用于存放程序和数据。高速磁盘是后援。高速磁盘是后援。（2 2）共享存储器结构）共享存储器结构: :仅一个共享存储器仅一个共享存储器. .ICNICN3.3.并行处理机与多

49、机系统中的存储组织并行处理机与多机系统中的存储组织并行处理机是指：并行处理机是指： 一台计算机中有一台计算机中有1 1个指令部件和多个执行部件个指令部件和多个执行部件. . CPU M, ICN CPU M, ICN为互联网络为互联网络. . 存储结构可分成：分布结构和共享存储器结构存储结构可分成：分布结构和共享存储器结构. .（1 1）分布存储器结构）分布存储器结构: : 存储系统由存储系统由 1)SC(1)SC(Supervisory Control-管理机管理机) )：为常驻：为常驻OSOS使用。使用。 2)PEM(2)PEM(Processing Element Memory-处理机存

50、储单元处理机存储单元) )： 分布在各处理单元中，用于存放程序和数据。分布在各处理单元中，用于存放程序和数据。高速磁盘是后援。高速磁盘是后援。（2 2）共享存储器结构）共享存储器结构: :仅一个共享存储器仅一个共享存储器. .ICNICN（1 1）分布存储器结构）分布存储器结构1)SC1)SC：为常驻：为常驻OSOS使用。使用。2)PEM2)PEM：分布在各处理单元中，用于存放程序和：分布在各处理单元中，用于存放程序和数据。数据。 高速磁盘是后援。高速磁盘是后援。HD SC/PEMHD SC/PEM，要合理，要合理分配各分配各PEPE中的数据，以便使每个中的数据，以便使每个PEPE能依靠各能依

51、靠各自自PEMPEM中的数据进行运算。中的数据进行运算。3)3)两条通信途径两条通信途径: :ICN(Interconnection NetworkICN(Interconnection Network，互联网络，互联网络) )CU(Control Unit):CU(Control Unit): 数数 PEMPEM0 0 CU DB PEMCU DB PEM1 1 PEPEI/OI/O接口接口 （1）分布存储器结构 如图所示，在具有分布存储器的并行处理机中，存储系统由两部分组成：一部分集中在专做管理的主机SC中，为常驻操作系统使用；另一部分称为PEM，分布在各处理单元中，用以存放程序和数据。高

52、速磁盘D是存储的后援，通过I/O接口与SC及PEM交换信息。为了有效地进行高速处理，要使每个处理单元PE都可以依靠自己的PEM中的数据进行运算，为此要合理分配各处理单元中的数据。各处理单元之间可以通过两条途径相互联系：一条通过互联网络ICN；另一条是通过CU，即数据从PEM读至CU，然后通过公共数据总线“播送”到全部PE中。 （2）共享存储器结构 如下图所示，在具有共享存储器的并行处理机中，只有一个统一的主存MM，经互联网络ICN为全部处理单元PE共享。I/O设备、外存都可以通过I/O通道与共享存储器交换信息。 五、相联存储器（或联相存储器）五、相联存储器（或联相存储器）1 相联存储器的基本原

53、理普通存储器按地址访问，相联存储器按内容访问，用于访问的存储项为 “关键字关键字”，或称为 “键键”。存放在相联存储器中的项分为 KEYKEY 和 DATADATA，其中 KEY 为检索项，DATA 为数据项。基本原理：将存放在存储单元中多项信息的某一项作为检索项（即关键字项），将访问内容与检索项比较，若相同，则对存储单元中其他内容进行读出或写入。 若检索项为 “姓名”，内容为 “李四”，通过比较，第二项 “姓名” 与访问内容相符，表示 “命中”，可直接读取该表项其他内容，如 “20”、“1981.9” 和 “95”。若比较找不到相同项，表示 “脱靶”。例：相联存储器存放一张表格，表格内容为：

54、姓名年龄出生年月成绩张三191982.270李四201981.995王五181983.680:：:2相联存储器的组成(1)检索寄存器：用来存放检索字，其位数和相联存储器的存储单元位数相等。每次检索时，取若干位作为检索项。(2)屏蔽寄存器：用来存放屏蔽码，其位数和检索寄存位数相同。除检索项对应的位之外，其他位置 “0” 表示屏蔽。(3)比较线路：把检索项和从存储体中读出的所有单元内容的相应位进行比较，如果有某个存储单元和检索项符合，就把符合寄存器的相应位置“1”，表示该字已被检索。(4)符合寄存器：用来指示按检索项内容检索存储体中与之符合的单元地址，其位数等于相联存储器的存储单元位数量，每一位对

55、应一个存储单元，位的序数即为相联存储器的单元地址。(5)代码寄存器：用来存放存储体中读出的代码，或者存放向存储体中写入的代码。(6)存储体：由高速半导体存储器构成。 在计算机系统中，相联存储器主要用于虚拟存储器中存放分段表、页表和快表；在高速缓冲存储器中，相联存储器作为存放 Cache 的行地址之用。这是因为，在这两种应用中，都需要快速查找。一、单选题一、单选题1.1.以下器件中存取速度最快的是以下器件中存取速度最快的是( ( ) ) 。 A.Cache .Cache B.B.主存主存 C. C.寄存器寄存器 D. D.磁盘磁盘2 2. . 下列叙述中正确的是（下列叙述中正确的是（ ）。 A.

56、主存可由主存可由RAMRAM和和ROMROM组成组成 B.主存只能由主存只能由RAMRAM组成组成 C.主存只能由主存只能由ROMROM组成组成 D.都不对都不对3.CPU3.CPU可以直接访问的存储器是（可以直接访问的存储器是（ ）。）。 A.磁盘磁盘 B.磁带磁带 C.光光盘盘 D.主存主存4.4. 用双稳态触发器的两个稳定状态表示1和0的存储器是（ ）。 A. DRAM B. EPROM C. SRAM D. EEPROM5. 5. 某计算机某计算机字长为字长为3232位，位，主存容量为主存容量为4M4MB B，CPUCPU按字寻址，按字寻址， 其寻址范围是其寻址范围是0 0到到（ ）。

57、 A. A.2 22020-1 -1 B.B.2 22121-1-1 C. C.2 22222-1-1 D. D.2 22323-1-16假定用若干个2 K4位的芯片组成一个8 K8位的存储器，则地址0B1FH所在芯片的最小地址是（ ）。 A0000H B0600H C0700H D0800H一、单选题一、单选题7 7. .设有一个Cache的容量为8KB，每页为512B，如果主存容量为64KB，按字节编址。按字节编址。直接映像下，主存主存地址为地址为8FFFH8FFFH的的单元所单元所在主存在主存页页应装入到的应装入到的CacheCache的页的页号是（号是（ ）。）。 A A. . 4 B

58、. 7 C. 9 D. 15 4 B. 7 C. 9 D. 158.8.双端口双端口RAMRAM在（在（ ）情况下会发生读写冲突。）情况下会发生读写冲突。 A. A.左、右端口的地址相同左、右端口的地址相同 B.B.左、右端口的地址不同左、右端口的地址不同 C. C.左、右端口的数据相同左、右端口的数据相同 D.D.左、右端口的数据不同左、右端口的数据不同9 9. . 一个一个4 4体并行低位地址交叉的存储器，每个模块的容量是体并行低位地址交叉的存储器，每个模块的容量是64K64K3232位，存取周期为位，存取周期为200ns200ns，在以下说法（，在以下说法（ ）是正确的。）是正确的。 A

59、. A.在在200ns200ns内，存储器向内，存储器向CPUCPU提供提供256256位二进制信息位二进制信息 B.B.在在200ns200ns内，存储器向内，存储器向CPUCPU提供提供128128位二进制信息位二进制信息 C. C.在在50ns50ns内，每个模块向内，每个模块向CPUCPU提供提供3232位二进制信息位二进制信息 D. D.都不对都不对10假设某计算机的存储系统由Cache和主存组成。某程序执行过程中访存1000次，其中访问Cache缺失（未命中）50次，则Cache的命中率是（ ）A5% B9.5% C50% D95%一、单选题一、单选题11下列有关RAM和ROM的叙

60、述中，正确的是（ ）IRAM是易失性存储器，ROM是非易失性存储器IIRAM和ROM都采用随机存取方式进行信息访问IIIRAM和ROM都可用作CacheIVRAM和ROM都需要进行刷新A仅I和II B仅II和III C仅I、II和IV D仅II、III和IV12.下列各类存储器中，不采用随机存取方式的是（ ） A. EPROM B. CDROM C. DRAM D. SRAM 13.某计算机存储器按字节编址，主存地址空间大小为64MB，现用4M x 8 位的RAM 芯片组成32MB 的主存储器，则存储器地址寄存器MAR 的位数至少是（ ） A.22 位 B.23 位 C.25 位 D.26 位