存储器层次结构

储器层次结构在现代计算机中，主存储器处于全机中心地位。本章对存储器的基本情况进行介绍，首性能的一些方案与技术。高速缓存、主存和辅存是现代计算机中普遍采用的存储器层次方案，本章对高速缓存方式、硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器的基本情况。存储器的分类存储器的层次化结构SRAM存储器的工作原理DRAM存储器的工作原理只读存储器主存储器与CPU的连接双口RAM和多模块存储器程序访问的局部性Cache的映射方式、替换算法与写策略段式、页式、段页式虚拟存储器TLB(快表)外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器4.1存储器概述存储器是计算机用来存储程序和数据的设备，存储系统指的是存储器以及管理存储器的PU存储器在计算机中扮演非常重要的角色；对计算机系统的技术、组织、性能和价格等方86计算机组成原理还没有很完善的满足系统需要的存储技术。所以目前计算机中的存储系统一般分为两个子系储部件，一个为外部存储部件。在现代计算机中，主存储器处于全机中心地位，当前计算机正在执行的程序和数据均存中，CPU直接从主存储器取指令或存取数据。4.1.1存储器的分类产品种类繁多，按照不同的方法可以进行不同的分类。作介质主要有半导体材料、磁性材料和光盘等。(1)半导体存储器。存储元件是半导体材料的存储器称为半导体存储器。半导体在计算的集成电路中。现代半导体存储器都用超大规模集成电路工艺制成。根据制造技术的不同，半导体存储器又可以分成两种：MOS型半导体存储器和双极型 TTLMOS功耗小，速度比较慢，但制造简单，成本低，获得了广泛的(2)磁芯存储器。在半导体存储器出现之前，存储器的制作材料为磁芯，磁芯是由硬磁(3)磁表面存储器。磁表面存储器指的是在塑料或者金属载体表面涂上一层磁性材料用切割磁力线进行读写操作。按载磁体形状的不同，可分为磁盘、磁带和磁鼓等。2．按数据的存取方法分类(1)顺序存取存储器。存储器组成许多称为记录的数据单元，它们以特定的线性顺序方存取方式，不论数据存放在何处，读写时必须从介质的开始端顺序寻找。(2)直接存取存储器。同顺序存取一样，直接存取也采用共享读写机构。但是，单个的取的方式，读写数据时，首先直接找到磁盘上的数据块(磁道)，然后再顺序访问，直到数据所在位置。(3)随机存取存储器。存储器中每一个可寻址的存储位置有唯一的寻址机制。任何一个 87统采用随机存取方式，找到数据的时间只和地址译码时间有关。(4)相联存取存储器。这是一种随机存储类的存储器，它允许对存储单元中的某些指定固定的，而与所存位置无关。(见附录)写功能分类解释程序。4．按信息保存特性分类算机中的作用分类根据存储器在计算机系统中所起的作用，存储器可分为主存储器、辅助存储器、缓冲存4.1.2存储器的性能指标主要技术指标为容量和速度。存储器既然是用来存储程序和数据的容器，当然容量是关键性的特征。计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字，相邻的存储器地址表示相邻存储字，这种机器称为“字可寻址”节为8个二进制位，因此，一个字的字长通常是8的倍数。有些计算机也可以按“字节”总数，就得到了存储器的容量表示。数有：(1)存取时间。又叫存储器的访问时间(MemoryAccessTime)，它是指启动一次存储器88计算机组成原理据写入被选中单元为止所需的全部时间。(2)存储周期。存储周期(MemoryCycleTime)是指存储器进行连续两次独立的存储器的短暂附加时间，附加时间主要用于信号线上瞬变的消失或被破坏的数据的恢复。(3)传输率。也叫存储器的带宽，指的是数据读出或写入存储器的速度，表示每秒从存4.1.3存储器的层次化结构对于计算机系统中配置的存储器，归结起来有三个主要的参数要求：容量大，速度快，存储器分层结构，这样就不会仅仅依赖于某一个存储部件或技术了。。在图中，由上到下呈现出以下特点：每位的价格越来越低，速度越来越慢，容量越来越U存储容量比主存储器大得多，主要用来存放暂时未用到的程序和数据文件。CPU不能直接访，辅存只能与主存交换信息，但它的位价是最便宜的。存储器的层次结构实质上还是体现在缓存—主存和主存—辅存这两个存储层次上。从矛盾。这种多层次结构已成为现代计算机的典型存储结构。 89UN单元中，完成写操作。4.2半导体随机存取存储器90计算机组成原理才能使信息保持。4.2.1SRAM存储器。T1~T4几个MOS管组成了两个反相器，两反相器是交叉耦合连接的，它们组成一个触条位线，用来传送读、写数据信号。位线隔开。就丢失了。半导体存储器芯片采用超大规模集成电路制造工艺，在一个芯片内集成了具有记忆功能 91号控制下用来完成读写操作。存储芯片通过地址引脚、数据引脚和控制引脚与外部连接。地址引脚是单向输入的，数据引脚是双向传输的，地址引脚和数据引脚的位数共同反映了存储芯片的容量。如地址线为信中能进行操作。是一个16×8位线性译码存储芯片的结构示意图。它的特点是用一根字选择线，直接选中一个存储单元的各位。这种方式结构比较简单，但只适合容量不大的存储芯片。如出或写入。92计算机组成原理1K可以看出2114芯片容量为1K×4位，所以引脚上具有地址引脚10位(A9~A0)，数据引脚4位(D3~D0)，控制引脚中有读/写控制线WE，片选线CS，另外还有电源线GND和位(D7~D0)，控制引脚中有写允许信号WE，读允许信号OE，片选线CS，另外还有电源静态存储器的片选、写允许、地址和数据信号在时间配合上有一定的要求，可以用时序 读周期时序。 tCO现在数据线上。 93写周期时序CRAM线上存在着前一时刻的数据，故在地址线发生变化后，CS，WE均需滞后tAW再有效，以避4.2.2DRAM存储器常见的动态存储器基本单元电路有三管式和单管式两种，它们的共同特点都是靠电容存2ms内对其所有存储单元恢复一次原状态，这个过程叫再生或刷新。94计算机组成原理单管单元的优点是线路简单，单元占用面积小，速度快。但它的读出是破坏性的，并且很小，要求有高灵敏度的读出放大器检测读出信号。完毕，故是破坏性读出，必须再生。 行地址锁存器，再由列地址选通信号CAS把列地址送入列地址锁存器，然后再经译码电路译RAM 送行地址，后送列地址。行地址由行地址选通信号RAS控制送入，列地址由列地址选通信号CAS控制送入，16K位在读出放大器(简称读放)中，读出放大器由触发器构成。在读出时，读出放大器又使相应的存储单元的存储信息自)，所以读出放大器还用作再生放大器。 95其中A0~A7为地址线；WE为读/写控制线，WE=1时为读出，WE=0时为写入；RAS为行选通信号，CAS为列选通信号；Din为数据输入，Dout为数据输出；VCC和GND为电源；Nc(NotConnect)表示空引脚。一般DRAM芯片无片选信号，行选通信号RAS可认为片选信号。K有效减少刷新操作所占用的时间。DRAM新与控制整个RAM的刷新。从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍为有两种刷新方式：集中式刷新和分布式刷新。集中式刷新集中式刷新指在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次对存储器的所有行逐一刷s分布式刷新96计算机组成原理 (2)刷新定时器：完成对DRAM芯片进行定时刷新的功能。 (3)刷新地址计数器：只用RAS的刷新操作，需要提供刷新地址计数器，来提供刷新行(5)定时发生器：提供行地址选通信号RAS、列地址选通信号CAS和写信号WR，供DRAM芯片使用。随着电路集成技术的发展，现在也能把DRAM控制器和存储芯片集成到一起，这样的 97RAS储器的行地址锁存器，然后再由CAS的因此，CAS的下沿要滞后于RAS的下沿一定时间。其次，RASCAS和负电平宽度应大于某一规定值，以保证芯片内部电路能正常工作。第三，行、列地址对RAS和CAS的下沿应有足够的地址建立时间和地址保持时间，以确定行、入芯片。读周期时序AM的撤除应在CAS的正沿来到后，输出读出信号可保持到CAS负电平撤消之后。 图4- 图4-19是写工作方式的时序图，在“写”工作方式时，RAS的一个周期时间即“写工作周期”tCWR。写工作方式的特点是WE的下沿早于CAS下沿到来。因为写入数据的写时钟是由列时钟和WE=0共同作用产生的，所以实际是由CAS的下沿激发了数据写入。DRAM有很多优点。首先，由于它使用简单的单管单元作为存储单元，因此，每片存储容量较大；由于DRAM的地址是分批进入的，所以它的引脚数比SRAM要少得多，它98计算机组成原理的封装尺寸也比较小。这些特点使得在同一块电路板上，使用DRAM的存储容量要比用SRAM大4倍以上。其次，DRAM的价格比较便宜，大约只有SRAM的1/4。第三，由于使用动态元件，DRAM所需功率大约只有SRAM的1/6。由于上述优点，DRAM的应用比SRAM要广泛的多。路，也要用一部分功率。4.3只读存储器AM储器来保存从磁盘装入引导程序的指令。器(ROM)。掩膜式ROM中的信息是厂家根据用户给定的程序或数据对芯片图形掩膜进行两次光刻元件的“有/无”来表示该存储单元的信息，其存储内容是不会改变的。 9932根行选择线和32根列选择线交叉处既可有耦合元件MOS管，也可没有。列选择线各OSS完成后的大批量使用。2．可编程的只读存储器(PROM)PROM息为“1”或“0”的。刚存储的内容。。在这个电路中，基极由行选择线控制，发射极与列线之间形成一条镍铬合金薄膜制成的除可编程的只读存储器(EPROM)(1)EPROM工作原理。EPROMMOS了一个浮置在漏极和衬底、漏极和源极间加上+12V电压，使绝缘层的包围，注入的电荷无法泄露，相当于管子的开启电压提高，控制栅上加上正向电压 V，ROM存储信息为“0”。100计算机组成原理用寿命。(2)EPROM例子。MA12~A0：地址线13根，输入，连地址总线。 D7~D0：数据线8根，编程时作数据输入，读出时为数据输出，连数据总线。 CE，作芯片片选。OE平有效。PGM脉冲控制端，输入，接编程控制信号。除原理完全不同，其栅极氧化层比较薄，所以可以用电来实现信息擦除。EEPROM4-1VPP D7~D0式V平平出+21VTTL电平入除方式+21V平TTL电平TTL电平方式+21V平+9~+15VTTL电平 101在需要周期性地修改存储信息的应用场合，FlashMemory是一个极为理想的器件。它在控系统及单片机系统中得到了大量应用。4.4主存储器与CPU的连接的容量是有限的，它在字数或字长方面与实际存储器的要求都有很和字位同时扩展三种方式。(1)位扩展。位扩展指的是用多个存储芯片对存储器字长进行扩充，它的连接方式是将D7~D4，另一片的数据线作为低4位D3~D0。(2)字扩展。字扩展指的是增加存储器中字的数量。静态存储器进行字扩展时，将各芯片的地址线、数据线、读写控制线相应并联，而由片选信号来区分各芯片的地址范围。如图 DRAM存储器结构框图可知，行地址锁存是由RAS的下降沿激发的行时钟来实现的，列地址 “1”变“0”时，才会激发出行时钟，存储器才会工作。102计算机组成原理(3)字位同时扩展。字位扩展是指既增加存储字的数量，又增加存储字长。一个存储器的容量为M×N位，若使用L×K位的存储器芯片，那么，需要的芯片个数为(M/L)× NK个。AACPU址线为16位A15~A0，1K×4位的存储芯片仅有10根地址线A9~A0，此时可将CPU的低位地址A9~A0与存储芯片地址线A9~A0直接相连。(2)数据线的连接。CPU的数据线与存储芯片的数据线条数也不一定相同。此时，必须 103(3)读/写命令线的连接。CPU通常提供有读/写命令线，一般可与存储芯片的读/写控制时，CPU发出的读/写命令尽管被所有的芯片都接收到，但只有片选有效的芯片才能进。 器是由许多存储芯片叠加组成的，哪一片被选中完全取决于该芯片的片选控制端CSQ存储器的片选信号。(5)合理选择存储芯片。合理选择存储芯片主要是指存储芯片类型和数量的选择。通常片数量时，要尽量使连线简单方便。在实际的应用中，两者的互连还会有时序配合的问题、速度问题、负载问题等，本书中CPUKWE如图4-27所示。。104计算机组成原理AA9A8A7A6A5A4A3A2A1A0(字节)000000000000H001111111111000000000400H111111111111H用WR作读/写控制信号(高电平为读，低电平为写)。现有下列存储芯片：1K×4位RAM；PU(1)主存地址空间分配：6000H~67FFH为系统程序区；6800H~6BFFH为用户程序区。(2)合理选用上述芯片，说明各选几片。(3)详细画出存储芯片的片选逻辑图。0110000000000000系统程序区………………01100111111111110110100000000000用户程序区………………0110101111111111(2)根据地址范围的大小以及该区域在计算机系统中的作用，选择存储芯片。对6000H~(3)分配CPU的地址线。将CPU的低11位地址线A10~A0与2K×8位的ROM地址 105KKRAMKK 106计算机组成原理AAA6A5A4AA2A1A00000000000000000H000111111111111100100000000000002000H0101111111111111H4K*81111000000000000F000H1111111111111111FFFFH4.5高性能存储器介绍4.5.1提高主存性能的措施随着计算机应用领域的不断扩大，处理的信息量越来越多，对存储器的工作速度和容量存的这些性能呢？主存性能的方法比较多，在此分别予以介绍。度的提高，可以采用以下几种方法：MOS型存储器的短，MOS型存储器的存取时间几乎是双极型存储器存取时间的10的存储器芯片出现。用，扩大字长，以提高主存频宽。假定一个存储器芯片的字长n使得在一个存取周期内，可同时进行多个字的读或写。此方法介绍。2．提高主存容量的对策 107主存可靠性的对策半导体存储器在运行过程中，由于各种原因会使数据的存储或传送发生差错，在现代的器时，对数据进行某种计算处理产生一种代码(即校验码)，这种代码同数据同时被存加了硬件的开销。然后在将原存储数据读出时，将读出的N位数据再次产生一组代码，并与(1)比较相同，未检测到错误，将读出的数据传送出去。(2)比较不相同，检测到错误，而且错误可以纠正，则将数据位和纠错位一起发送给纠的正确的数据再发送出去。(3)比较不相同，检测到错误，但错误不可以纠正，这时则报告错误。存储过程或并行传送过程常用的数据校验编码有奇偶校验码和海明校验码，串行传送过见第三章)。由于集成电路存储器芯片的可靠性是很高的，所以在计算机中，所谓存储器可靠性的含。存储保护主要包括两个方面：存储区域保护和访问方式的保护。(1)存储区域保护。对于主存系统可采用界限寄存器方式。由系统软件经特权指令设置页表保护中每个程序都有自己的页表和段表，段表和页表本身都有自己的保护功能，无，也只能影响到相应的几个主存页面。键保护方式的基本思想是为主存的每一页配一个键，称为存储键，它相当于一把锁，由与存储键相比较。若两键相符，则允许访问该页，否则拒绝访问。环状保护方式可以对正在执行的程序本身进行保护，它按系统程序和用户程序的重要性取数据时，用现行环号和目的环号进行比较来决定能否进行相应的操作。108计算机组成原理形成的逻辑组合。访问方式保护可以和上述区域保护结合起来使用。例如，在界限寄存器中加入一位访问可增强保护的灵活性。M双端口存储器是由于同一个存储器具有两组相互独立的读写控制线路而得名。它可以进都需要直接访问的同一个存储器或者缓冲器之类的器件。址线(A0~A10)、数据线(IO0~IO15)和控制线(R/W，CE，OE，BUSY)，因而可以对RBUSY标志。在这种情况下，片上的判断逻辑可以决定对哪个端口优先进行读写操作，而对另一个被延迟的端口置BUSY标志(BUSY变为低电平)，即暂时关闭此端口。换句话说，读写操作对BUSY变为低电平的端口是不起作用的。一旦优先端口完成读写操作，才将被延迟端口的BUSY标志复位，开放此端口，允许延迟端口进行存取。2．多模块交叉存储器多模块交叉存储器指用多个存储体交叉编址组成的存储器，每个存储体有相同的容量和，各自有独立的地址寄存器、地址译码器、驱动电路和读写电路、数据寄存器等。(存 109地址字段指向相应的模块内部的存储字。这样，连续地址分布在相邻的不同模和读取，那么，这种编址方式将大大提高主存的有效访问速度。号地址序号M0M1M2M3存储体经交叉编址后，可以在不改变每个模块存取周期的前提下，提高存储器的带宽。单叉访问各体，最终在一个存取周期内，实际上向CPU提供了4个存储字，大大加宽了存储器，决定主存究竟与哪个部件交换信息，要由存储器控制部件来控制。4.5.3DRAM技术的发展DRAM通常作为计算机的内存使用，近些年得到了快速的发展。110计算机组成原理(选择行线和列线，读出信号放大并送到输出缓冲器等)，此时处理器只能等待，因而SDRAM据传送是同步的，在系统时钟控制下，处理内部操作。在此期间，处理器可以去进行其他工作，而不必等待。后就可以在数据输出引脚上获得这些数据。SDRAM有几种不同的操作模式，可以通过向模式寄存器中写入控制信息来选择这些模数据 钟周期内被放到数据线上，所有的操作由时钟信号的上升沿触发。 存储器通常使用2到3个时钟周期(图中用2个)激活选中的行。然后，列地址在CAS信号，第一组数据被放到数据线上。然后SDRAM自动增加列据放到数据线上。 111SDRAM路，其中一个部分是刷新计数器，提供要刷新的行地址。MHzMHz因此各主要存储器芯片生数据速率同步动态存储器(DDRSDRAM)SDRAM时钟信号的两个边沿传输数据，因此在脉冲串传输时，为了能以足够高的速率访问数据，存储器单元阵列被组织成两个存储体，每个存储体都上传输的两个字。3．RambusDRAM(RDRAM)存储器系统的有效带宽不仅仅依赖于存储器芯片的结构，还依赖于连接到处理器的连线加数据线，但是这样会导致总线变宽。过宽的总线成本很高，并且需要占用主板上很大的空间。另一个可用的办法是实现一个较窄但是速度很快的总线。Rambus公司采用了这种办法，他们开发了一种自己的设计方案，此可以实现更快的传输速度。微分信号和高传输速率需要在设计通讯连接线时使用特殊的技术，这种需求增加了拓宽号设计特别的电路接口。Rambus提供了设计这种线路的Rambus需要特别设计的芯片，这些芯片使用基于标准DRAM技术的存储单元阵列，使M许址线。前些年的微机主存市场是这三种存储器的三分天下，近两年来，DDR存储器已经完全取陷。112计算机组成原理4.6高速缓冲存储器4.6.1程序访问的局部性往会被多次调用(如子程序、循环程序和一些常数)。这种一定时间内对局部范围的存访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象就称为程序访问的局部性。根据这一原理，很容易设想，只要将CPU近期要用到的程序和数据，提前从主存送到Cache，那么就可以做到CPU在一定的时间内不必从主存储器取指令和数据，而只需要访问存，因此能很好地解决速度和成本的矛盾。4.6.2Cache的基本工作原理 113Cache加有一个标记，指明它是主存的哪一块信息的副本，所以该标记．Cache的设计要素(1)Cache的容量：在设计Cache时，从价格的角度考虑，我们希望Cache的容量足够的，但随着芯片价格的下降，Cache的容量还是不断增大。(2)块的大小：主存和Cache都划分了同样大小的块，块的大小也称为块长，Cache的(3)Cache的映像：由于Cache的数据块比主存的数据块要少得多，因此需要一种算法Cache前，需要考虑这块数据驻留Cache期间是对主存内相应的块作修改，常见的写策略有通写和回写等方法。(6)Cache数目。Cache刚刚出现时，通常系统只有一个Cache，近年来普遍采用多个114计算机组成原理PUCache在芯片内，容量一般都不大，这样也降低了系统的性能，此时可Cache况下，统一Cache可以有较高的利用率。因为在执行不同程序4.6.3Cache与主存的地址映像方式e下面介绍几种基本地址映像方式，它们是直接映像、全相联映像和组相联映像等。为了j=imod2cjCachei主存的字块号。在这种映像关系中，主存的第0块，第c直接映像的优点是实现简单，只需要利用主存地址按某些字段直接判断，即可确定所需mct存字块标记，又称区地址，是记录在相应Cache为“1”时，它表明该数据块是主存哪一块数据的副本。Cache在e改置成“1”。t的一个Cache存储器 115了命中率。2．全相联映像8所示。它允许主存中的每一相联映像组相联映像方式是直接映像和全相联映像方式的一种折中方案。组相联映像Cachecrcc′+r。116计算机组成原理modcrkkr组间为直接映像，而组内的字块为全相联映像方式。加了映像的灵活性，提高了命中率。e较现实的。4.6.4Cache的替换算法与写策略新的字块调入Cache存储器时，如果遇到Cache存储器中相应的位置已被换部件加以实现。常用的替换算法有以下几种：(1)随机替换算法。这种替换的原则是需要替换Cache块时，用随机数发生器产生需替用情况的替换算法要差些，实际很少使用。(2)先进先出(FIFO)算法。FIFO算法的原则是每次需要替换块的时候，将最先装入Cache中的块替换掉。FIFO用循环或环形缓冲技术很容易实现，不需要随时记录各字块的使 117是可能将一些经常被用到的程序作为最早装入的块替换掉。(3)近期最少使用(LRU)算法。这种算法是把近期最少使用的字块替换出去，为了确这是实际中最常采用的一种算法，一般来说，最近使用的存储内容很有可能再被使用，CacheCache引用一次，Cache写策略达，或写通过)，这种策略的原理是所有的写操作都对主存储，所以会增加访问次数，降低系统性能。e的单元根本就不在Cache存储器时，写操作直接虽然各种可行的写策略对性能和代价都有考虑，不过写策略还是存在两个方面的问题。IO独立的Cache且共享主存储器，此时可采用“修改/排4.6.5Cache应用举例Bm118计算机组成原理m从图中可以看到，Pentium的核心执行单元为两个可以并行执行的整型算术逻辑单元和它自己的寄存器，还有加、乘、除运算部件的浮点单元，而突出的结构为两个Cache的布局结构。其中数据Cache用于提供数据给整数和浮点数操作，它有两个32位的端口，分别与持整型ALU和浮点操作。而另一个指令Cache为只读存储器，从它读出代码，然后直接送到预取指令缓冲区。Cache算法是近期最少使用(LRU)算法，所以每组设置有一个LRU位相关每组中的两个块，表示块的使用情况。heK4.7虚拟存储器4.7.1虚拟存储器的基本概念虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器，它来使用。 119虚拟存储器不仅是解决存储容量和存取速度矛盾的一种方法，而且也是管理存储设备的用户编程的地址称为虚地址或逻辑地址，实际的主存单元地址称为实地址或物理地址。实地址大得多。在实际的物理存储层次上，所编程序和数据在操作系统管理下，先送入磁盘，然后操作程序运行时，CPU以虚地址来访问主存，由辅助软硬件找出虚地址和实地址之间的对应变换得到主存实地址，CPU可直接访问主存的实际单元；如果不在主存中，则把包含这个字PU管理软件的系统程序员来说是不透明的，对于应用程序员来说是透明的。次的信息传送单位可采用几种不同的方案：段、页或段页式。段起点、段长等。段表本身也是主存储器的一个可再定位段。把主存按段分配的存储管理方式称为段式管理。段式管理系统的优点是段的分界与程序零碎存储空间不好利用，造成浪费。页式管理系统的基本信息传送单位是定长的页。主存的物理空间被划分为等长的固定区护和共享都不及段式方便。段式存储管理和页式存储管理各有其优缺点，因此可以采用分段和分页相结合的段页式(每段一个页表)进行两级定位管理。4.7.2段式虚拟存储器在段式虚拟存储系统中，段是按照程序的逻辑结构划分的，各个段的长度因程序而异。120计算机组成原理为了把虚拟地址变换成实主存地址，需要一个段表，段表实际上是程序的逻辑结构段与中的实际存放位置之间的关系对应表。段表中装入位为“1”表示该段已调入主存，该段不在主存中；段的长度可大可小，所以段表中需要有长度指示。在访问某需要时再调入主存。但一般是驻留在主存中。段式虚拟存储器的地址变换过程如下：CPU根据虚地址访存时，首先将段号与段表的起主存实地址。4.7.3页式虚拟存储器在页式虚拟存储系统中，把虚拟空间分成页，称为逻辑页；主存空间也分成同样大小的程序虚地址分为两个字段：高位字段为虚页号，低位字段为页内地址。虚地址到实地址在页表中，对应每一个虚存页号有一个表目，表目内容至少要包含该虚页所在的主存页还包括由装入位(有效位)、修改位、替换控制位及其他保护位等 121修改过，替换时是否要写回辅存。替换控制位指出需替换的页等。4.7.4段页式虚拟存储器在段页式虚拟存储器中，把程序按逻辑结构分段后，再把每段分成固定大小的页。程序122计算机组成原理CPU访问时，虚地址包含段号、段内页号、页内地址3部分。首先将段表起始地址与段；最后从页表中取出实页号，与页内地址拼接形成主存实地址。可以看出，段页式虚拟存储系统由虚拟地址向实主存地址的变换过程中至少要查两次表 变换过程的速度，一般会在其中设置快表。另外，对段进行划是页长的整数倍，段的起点必须是某一页的起点。假设页表是保存在主存储器中，那么在访问存储器时，首先要查页表，即使页面命中，如果页面失效，要进行页面替换、页面修改，访问主存次数就更多了。要想提高虚存系统访问的速度，必须加快查表的速度。由于程序在执行过程中具有局部查表时，由虚页号同时去查快表和慢表，当在快表中有此虚页号时，就能很快地找到对表，替换快表中某一行内容。快表比页表小得多，一般在16~64行之间，只是慢表的小小的副本。用按内容查找的相联存储器并行查找，是可供选择的一种技术途径(相联存储器内容参见附录3)。 1234.8辅助存储器介绍4.8.1辅存概述光存储器两大类。磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片(或带)的基体上形成记录介质，并以绕有线圈体，一般为聚脂薄膜材料。用于计算机系统的光存储器主要是光盘(opticaldisk)，光盘是利光特性的介质表面存储和读取信息的。辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻址时间等，下面结合磁表面存储。(1)存储密度。存储密度是指单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。磁度和位密度来表示，也可以用两者的乘积——面密度表示。磁道是沿着磁带长度方向的直线，存储密度主要用位密度来衡量。(2)存储容量。存储容量指磁表面存储器所能存储的二进制信息总量，一般用字节作为器为例，存储容量可按下式计算：NKS代码数。磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标。非格式化容量是磁记录表面可以利真正可以使用的容量，它一般为非格式化容量的60%~70%。(3)寻址时间。磁盘存储器的寻址时间包括两部分：一是磁头寻找目标磁道所需的找道Ts需要读写的区段旋转到它的下方所需要的等待时间Tw。由于寻找相邻磁道和从最外面磁道找到最里面磁道所需的时间不同，磁头等待不同区段所花的时间也不同，因此，取它们的平均值，称作平均寻址时间Ta，它由平均找道时间TsaTa=Tsa+Twa=((Tsmax+Tsmin)/2)+((Twmax+Twmin)/2)(4)数据传输率。磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数，叫124计算机组成原理此外，辅存和主机的接口逻辑应有足够快的传送速度，用来完成接收/发送信息，以利主辅存之间的传送正确无误。(5)误码率。误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数，它等于从辅存读出时，出错。4.8.2磁记录原理与记录方式过磁头和记录介质的相对运动完成读写操作。质的运动，就可将二进制数字序列转化为介质表面的磁化单元序列。(a)写入(b)读出读出时，记录介质在磁头下匀速通过，不论磁化单元是哪一种剩磁状态，磁头和介质的2．磁表面存储器的记录方式磁记录方式是一种编码方式，它是按某种规律，将一串二进制数字信息变换成磁表面相4-46所示。磁化状态转变到另一方向的饱和磁化状态。在两位信息之间，线圈里的电流为制的特点。 125(3)见“1”就翻的不归零制(NRZ1)。和不归零制一样，记录信息时，磁头线圈中始之处在于：流过磁头的电流只有在记录“1”时变化方向，使磁层磁化方方向不变，磁层保持原来的磁化方向。(4)调相制(PM)。调相制又称为相位编码(PE)，它是利用两个相位相差180度的磁据“1”时从正变为负。当连续出现两个或两个以上“1”或“0”时，为述原则，在位周期起始处也要翻转一次。频制(FM)。调频制的记录规则是，记录“1”时，不仅在位周期的中心产生磁化位与位之间也必须翻转。记录“0”时，位周期中心不产生磁化翻转，但位与位此又称“倍频制”。(6)改进调频制(MFM)。这种记录方式基本上与调频制相同，即记录数据“1”时在位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始处都翻转。4.8.3硬磁盘存储器与磁盘阵列磁盘存储器是计算机系统中最主要的外存设备，和其他外存相比，它具有速度快、容量BM很大的发展。硬磁盘存储器种类很多，结构各异，性能差别很大。按磁头的工作方式可分成移动头磁磁盘的可换与否可分成可换盘存储器和固储器。移动头磁盘存储器存取数据时磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接触，且随气126计算机组成原理头。固定头磁盘存储器的磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更(a)移动磁头(b)固定磁头可换盘存储器是指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存。这种磁盘可以在兼容的磁换数据，便于扩大存储容量。这种结构的磁盘存储器称为温彻斯特磁盘(Winchesterdisk)。IBM公司靠性高，对使用环境要求不高。2．硬磁盘存储器的结构盘驱动器、磁盘控制器和盘片组成。磁盘驱动器为主机外一个独立的设备，也称为磁盘机，它主要包括主轴、定位驱动及数目标磁道。数据控制部分主要完成数据转换及读写控制操作。磁盘控制器是主机和磁盘驱动器之间的接口，它的作用是实现主机和驱动器之间的数据称为设备控制器，它接收主机的命令以控制设备的各种操作。盘片是存储信息的载体。硬磁盘一般以铝合金材料作基片，在它的表面涂敷一层磁介质48所示，每个磁道的周长不等，内圈磁道周长短，盘一般由多个盘片组成盘片组。 127盘的磁道记录格式盘面的信息串行排列在磁道上，以字节为单位，若干相关的字节组成记录块，一系列的长记录格式两种。n个盘片的磁盘组，可将其n个面上同一半径的磁道看成就是磁道号，而磁头号则是盘面号。盘面又分成若干扇区，每条磁道就被分割成若干个扇段。扇段是磁盘寻址的最小单位。用的磁盘地址应由台号/柱面磁道号/盘面号/扇段号等组成。标志，指明是起始扇区。每个扇段的头部是空白段，起到隧道清除作用。序标段以某种约定代码作为数据块的引(2)不定长记录格式。在实际应用中，信息常以文件形式存入磁盘。若文件长度不是定128计算机组成原理利用记录区。间隙G1是一段空白区，占36~72个字节长度，其作用是使连续的磁道分成不同的区，以便GR道的状况，不作为用4．磁盘阵列存储器廉价冗余磁盘阵列(RedundentArrayOfInexpensiveDisk，简称RAID)是用多台磁盘存：(1)RAID由一组磁盘驱动器组成，在操作系统中被看作一个逻辑驱动器。(2)数据分布在一组物理磁盘上。(3)冗余磁盘的容量用来存储奇偶校验信息，这样可以在磁盘损坏的情况下恢复信息。RAID0：(无冗余无校验的数据分块)主机要求写入数据时，RAID控制器将数据分成若，任一个硬盘介质出现故障时，系统都无法恢复原数据信息。 129RAID1：(镜像磁盘阵列)它把磁盘阵列中的硬盘分成相同的两组，互为镜像，当任一个RAIDRAID不同硬盘负担较重，从而产生新的瓶颈。案。4.8.4磁带存储器磁带存储器也属于磁表面存储器，其记录原理和记录方式与磁盘存储器是相同的。但从带存取时间比磁盘长。磁带存储器是由磁带和磁带机两部分组成。磁带机是把信息记录在磁带上的设备，磁带速磁带机，带速在2~3m/s的称为中速磁带机，带速在2m/s以下的称为低速磁带机。按磁带摆杆式和积带箱式两类。i的主要特点有以下三点：(1)高容量，低密度。磁带机的主要特点是其记录面积较其他磁记录存储器大得多，因(2)高可靠性。磁带机采用写后读方式，写入后随即进行读出校验，以保证写入的高可力，能对单道或者多道的突发出错进行纠正。(3)互换性好。磁带机的另一优点是具有很好的向下兼容性，标准化程度高。新型磁带可将旧型磁带机记录的信息读出，不同磁带机记录的磁带可以互换。磁带机的主要缺点是平均存取时间较长，抗干扰能力较差。磁带机采用顺序存取工作方易进内，影响磁带机工作的可靠性。2．磁带机的结构组件、走带机构和控制电路4个基本部分组成。磁带是磁带机、磁130计算机组成原理在数据读写的时间内，磁带在磁头下面作恒速运动。通过读写电路，磁头对磁带作写入磁带的运动是靠主轮驱动的，其运动速度由主轮的转速决定。磁带从供带盘输出，由收带盘速度，缓冲机构也提供给磁带一定的张力。写入操作时，磁带控制器先发出正向走带命令，磁带开始正走，寻找指定的记录位置，新的内容。读写磁头一边写入，一边读出，与控制器发来的信息进行比较，校验写入的内容，背面的槽内拉掉“写入允许”环。读出操作时，有正读、反读操作。读出的信息经放大、整形和校验后送出。如果有错，执行均失败后，才向系统报告为不可恢复的故障。的记录格式由于磁带的宽度、道数、记录方式、附加信息不同，就构成了不同的记录格式。这里主与磁盘类似，磁带上也有校验码、地址码、同步码、间隙码等附加信息。1/2英寸标准磁带的记录格式如图4-51所示，由此图可以看出，每盘磁带设置有两个标志：一个是磁带始端标志BOT(beginningoftape)，另一个是磁带末端标志EOT(endoftape)。在1/2英寸带上留有间隙G和g。磁带上的信息一般以文件形式存储。一盘磁带可以记录若干个文件，一个文件又分成若干个数据块B。数据块可以是固定长度记录，也可以是可变二进制信息，其中8位是数据磁道，存储一个字节，余下的一位是这个字节的奇偶校验位。在每一个数据块B的内部，沿着走带方向，每一磁道还有CRC校验位和其他校验位。4.8.5光盘存储器光盘存储器由光盘驱动器和光盘片组成。光盘的记录介质采用磁光材料，驱动器读写头 131型、一次写多次读型和可重写型三种。CDROM是：采用激光调制方式记录信息，将信息以凹坑和凸坑的的形式记录在盘是由母盘压模制成，一旦复制成型，永久不变，用户只能读出信息。CDROM50KB/s称为单速，现在市场上一些(2)一次写多次读光盘(WORM)。这种光盘可以由用户写入信息，写入后可以多次读入的信息不需修改的场合。(3)可重写光盘。可重写光盘类似于磁盘，可以重复读写。从原理上有磁光记录和相变，它利用浮动磁光头在盘上进行磁场调制可进行信息的高速重写。与磁盘存储器类似，光盘存储器也是由盘片、驱动器和控制器组成。驱动器同样有读写主轴驱动机构等。与磁盘存储器不同的是，光盘存储器还有光学机构。本章小结机存取存储器和相联存储器等。132计算机组成原理RAM态RAM两大类。静态RAM用双稳态触法有集中式刷新和分布式刷新两种。(M/L)×(N/K)计算扩展所需要的芯片个数。的存储空间地址范围紧密相关。(4)计