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1、2023/10/18,1,2023/10/18,2,第3篇 存储系统与 输入/输出系统,硬件组成角度：,了解存储器及各种I/O设备的组成原理，以及连接整机的方法。,控制I/O传送的角度：,3种控制方式，以及控制方式对接口和I/O程序的影响。,软件组成角度：,3个层次：用户程序对I/O设备的调用，OS中的驱动程序，I/O设备控制器中的控制程序。,2023/10/18,3,第6章 存储系统,本章主要内容：,存储器的分类、技术指标,各类存储原理,主存储器的组织,高速缓冲存储器,外部存储器,物理存储系统的组织,虚拟存储系统的组织,2023/10/18,4,第1节 概述,6.1.1 存储器的分类,1.按
2、存储器在系统中的作用分类,（1）内部存储器,主要存放CPU当前使用的程序和数据。,速度快,容量有限,（内存、主存）,（2）外部存储器,存放大量的后备程序和数据。,速度较慢,容量大,（辅存、外存）,（3）高速缓冲存储器,存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序和数据。,速度很快,容量小,2023/10/18,5,2.按存取方式分类,随机存取：,可按地址对任一存储单元进行读写，,（1）随机存取存储器（RAM）,访问时间与单元地址无关。,（2）只读存储器（ROM）,随机存取存储器的特例，只能读不能写。,（3）顺序存取存储器（SAM）,访问时，读/写部件按顺序查找目标地址，访问时间与数据位置有关。,
3、（4）直接存取存储器（DAM）,访问时,读/写部件先直接指向一个小区域，再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。,2023/10/18,6,3.按存储介质分类,（1）磁芯存储器,利用不同的剩磁状态存储信息，,容量小、速度慢、体积大、可靠性低。,已淘汰,（2）半导体存储器,MOS型,双极型,集成度高、功耗低，作主存,集成度低、功耗大，速度快，作Cache,容量大，,长期保存信息，,利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。,非破坏性读出，,作外存。,（3）磁表面存储器,速度慢。,2023/10/18,7,（4）光盘存储器,速度慢。,激光控制，利用光斑的有无表示信息。,容量很大，,非破坏性读出，
4、,长期保存信息，,作外存。,4.按信息的可保存性分类,断电后信息消失,易失性（挥发性）存储器,断电后信息仍然保存,永久性存储器,6.1.2 主存的主要技术指标,1.存储容量,主存所能容纳的二进制信息总量。,2023/10/18,8,2.存取速度,存取时间,存取周期,访问时间、读写时间,读写周期,3.可靠性,规定时间内存储器无故障读写的概率。,用平均无故障时间来衡量。,4.存取宽度,一次可以存取的数据位数或字节数。,常用容量单位：Byte、KB、MB、GB、TB,2023/10/18,9,第2节 存储原理,6.2.1 半导体存储器的存储原理,MOS型,电路结构,PMOS,NMOS,CMOS,工作
5、方式,静态MOS,动态MOS,存储信息原理,静态存储器SRAM,动态存储器DRAM,依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息。,功耗较小,容量大,速度较快,作主存。,功耗较大,速度快,作Cache。,制造工艺,双极型,依靠电容存储电荷的原理存储信息。,2023/10/18,10,1.半导体静态存储器的存储原理,（1）组成,T1、T3：MOS反相器,Vcc,触发器,T2、T4：MOS反相器,T5、T6：控制门管,Z,Z：字线，选择存储单元,W,（2）定义,存“0”：T1导通，T2截止；,存“1”：T1截止，T2导通。,A,B,2023/10/18,11,（3）工作,T5、T6导通，选中该单元。,
6、Z：加高电平，,（4）保持,Vcc,W,Z加低电平，,T5、T6截止，位线与双稳态电路分离，保持原有状态不变。,静态单元是非破坏性读出，读后不需重写。,2023/10/18,12,2.半导体动态存储器的存储原理,（1）四管单元,（a）组成,T1、T2：记忆管,C1、C2：柵极电容,T3、T4：控制门管,Z：字线,（b）定义,“0”：T1导通，T2截止,“1”：T1截止，T2导通,（C1有电荷，C2无电荷）；,（C1无电荷，C2有电荷）。,（c）工作,Z加高电平，,T3、T4导通，选中该单元。,2023/10/18,13,（d）保持,Z加低电平，T3、T4截止，,该单元未选中，保持原状态。,需定
7、期向电容补充电荷(动态刷新)，所以称动态。,四管单元是非破坏性读出，读出过程即实现刷新。,2023/10/18,14,（2）单管单元,组成,C：记忆单元,T：控制门管,Z：字线,W：位线,定义,保持,写入：Z加高电平，T导通，,在W上加高/低电平，写1/0。,读出：W先预充电，,断开充电回路；,Z：加低电平，,T截止，该单元未选中，保持原状态。,单管单元是破坏性读出，读出后需重写。,“0”：C无电荷，电平V0（低）,“1”：C有电荷，电平V1（高）,工作,Z加高电平，T导通；,根据W线电位的变化，读1/0。,2023/10/18,15,6.2.2 磁表面存储器的存储原理,1.记录介质与磁头,介
8、质：,磁层（矩磁薄膜），依附在基体上,磁头：,读写部件,2.读写原理,（1）写入,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区域（位单元）。,（2）读出,磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的转变区经过磁头下方时，在线圈两端产生感应电势。,2023/10/18,16,3.磁记录编码方式,写电流波形的组成方式。,提高可靠性,提高记录密度,减少转变区数目,具有自同步能力,（1）归零制（RZ）,每一位有两个转变区，记录密度低。,（2）不归零制（NRZ）,0 0 1 1 0 1,I,0,t,转变区少，无自同步能力。,2023/10/18,17,（3）不归零-1制（NR
9、Z1）,写1时电流极性变，写0时电流极性不变。,0 0 1 1 0 1,转变区少，无自同步能力。,用于早期低速磁带机。,（4）调相制（PM）,0 0 1 1 0 1,转变区多，有自同步能力。,0 0 1 1 0 1,转变区多，有自同步能力。,用于早期磁盘。,用于快速启停磁带机。,（5）调频制（FM）,也叫相位编码制PE,每个单元都有极性转变,2023/10/18,18,写1时位单元中间电流变，相邻的0交界处电流变。,转变区少，有自同步能力。,用于磁盘。,（6）改进型调频制（MFM）,0 0 1 1 0 1,可压缩位单元长度：,0 0 1 1 0 1,（7）群码制（GCR）,记录码中连续的0不超
10、过2个；,按NRZ1方式写入。,转变区少，有自同步能力。,用于数据流磁带机。,2023/10/18,19,6.2.3 光存储器的存储原理,1.形变型光盘,（1）定义,有孔为1，无孔为0,（2）写入,写1，高功率激光照射介质，形成凹坑；,写0，不发射激光束，介质不变。,（3）读出,低功率激光扫描光道，根据反射光强弱判断是1或0。,形变不可逆，不可改写,2.相变型光盘,写入,写1，高功率激光照射介质，晶粒直径变大；,写0，不发射激光束，晶粒不变。,读出,低功率激光扫描光道，根据反射率的差别判断是1或0。,相变可逆，可改写,2023/10/18,20,3.磁光型光盘,可改写,写入前：外加磁场，使介质
11、呈某种磁化方向,读出,热磁效应写，磁光效应读,写1，激光照射并外加磁场改变磁化方向；,写0，未被照射区域，磁化方向不变。,低功率激光扫描光道，根据反射光的偏转角度判断是1或0。,第3节 主存储器的组织,6.3.1 主存储器的逻辑设计,需解决：,芯片的选用、,地址分配与片选逻辑、,信号线的连接。,写入,2023/10/18,21,例：某半导体存储器，总容量4KB。其中固化区2KB，选用EPROM芯片2716（2Kx8/片）；工作区2KB，选用SRAM芯片2114（1Kx4/片）。地址总线A15A0（低），双向数据总线D7D0。,给出地址分配和片选逻辑，并画出逻辑框图。,（1）计算芯片数,ROM区
12、：2Kx8 1片2716,RAM区：,位扩展,2片1Kx4,1Kx8,2组1Kx8,2KB,4片2114,字扩展,（2）地址分配与片选逻辑,存储器 寻址逻辑,芯片内的寻址,芯片外的地址分配与片选逻辑,1.存储器逻辑设计,2023/10/18,22,大容量芯片在地址低端,小容量芯片在地址高端。,存储空间分配：,A15A14A13A12A11A10A9A0,0 0 00,1 0 11,1 0 00,4KB需12位地址寻址：,ROM,A11A0,64KB,2KB,1Kx4,RAM,1Kx4,1Kx4,1Kx4,1 1 11,1 1 00,0 1 11,低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。,芯片
13、 芯片地址 片选信号 片选逻辑,2K,1K,1K,A10A0,A9A0,A9A0,CS0,CS1,CS2,A11,A11A10,A11A10,2023/10/18,23,（3）连接方式,扩展位数,4,A10A0,D7D4,D3D0,4,4,扩展单元数,连接控制线,4,形成片选逻辑电路,2023/10/18,24,2.动态存储器的刷新,单管存储单元：定期向电容补充电荷,最大刷新周期：,2ms,刷新方法：,各芯片同时，片内按行,刷新一行所用时间,刷新周期：,对主存的访问,由CPU提供行、列地址，随机访问。,读/写/保持：,动态刷新：,由刷新地址计数器提供行地址，定时刷新。,2ms内集中安排所有刷新
14、周期,死区,用在实时要求不高的场合,（1）集中刷新,2ms,50ns,2023/10/18,25,（2）分散刷新,各刷新周期分散安排在存取周期中。,100ns,用在低速系统中,2ms,例.,各刷新周期分散安排在2ms内。,用在大多数计算机中,128行,15.6 微秒,每隔15.6微秒提一次刷新请求，刷新一行；2毫秒内刷新完所有行。,15.6微秒,15.6 微秒,15.6 微秒,刷新请求,（DMA请求）,（3）异步刷新,刷新请求,（DMA请求）,2023/10/18,26,6.3.2 主存储器与CPU的连接,（2）较大系统模式,（1）最小系统模式,1.系统模式,（3）专用存储总线模式,2.速度匹
15、配与时序控制,总线周期,时钟周期,异步控制,同步控制,扩展同步控制,CPU与主存间建立专用高速存储总线,CPU内部操作,访存操作,2023/10/18,27,3.数据通路匹配,解决主存与数据总线之间的宽度匹配,8086存储器匹配方式如下：,4.主存的控制信号,读写命令、存储器选择命令等,2023/10/18,28,6.3.3 Pentium CPU与存储器组织,1.主存连接与读写组织,通过系统控制器连接CPU与主存储器,2023/10/18,29,2.读写时序,（1）非流水线周期,基本存储周期包括2个时钟周期,非流水线的读周期时序,2023/10/18,30,（2）插入等待状态周期,在T2之后
16、插入等待状态，直到 有效,插入4个等待状态的读周期时序,2023/10/18,31,（3）猝发周期,在一个猝发周期的5个时钟周期内，可以传送4个64位的数据。,2023/10/18,32,6.3.4 高级DRAM,1.增强型DRAM,改进CMOS制造工艺，集成小容量SRAM Cache,2.带Cache的DRAM,集成SRAM存储矩阵,3.同步DRAM(SDRAM),两个交互工作的存储阵列与CPU同步工作,4.DDR SDRAM,更先进的同步电路，DLL技术,5.Rambus DRAM,主要解决存储器带宽问题,6.RamLink,主要对处理器与存储器的接口进行改革,2023/10/18,33,
17、第4节 高速缓冲存储器Cache,6.4.1 Cache的工作原理,原理：,基于程序和数据访问的局部性,目的：,减少访存次数，加快运行速度,方法：,在CPU和主存之间设置小容量的高速存储器。,Cache与CPU及主存的关系,2023/10/18,34,6.4.2 Cache的组织,1.地址映像,（1）直接映像,主存的页只能复制到某一固定的Cache页。,容易实现，但缺乏灵活性,Cache与主存空间划分成相同大小的页（块）,2023/10/18,35,（2）全相连映像,主存的每一页可映像到Cache的任一页。,映像关系灵活，但速度慢。,2023/10/18,36,（3）组相连映像,主存与Cach
18、e都分组,比直接映像灵活，比全相联映像速度快。,主存页与Cache组号固定映像,Cache组内自由映像,2023/10/18,37,2.替换算法,（1）先进先出算法FIFO,（2）最近最少使用算法LRU,按页面调入Cache的先后顺序决定调出顺序,近期使用最少的页面先调出,3.Cache的读/写过程,读,将主存地址同时送往主存和Cache,Cache命中,Cache失败,从主存读,写,写回法,写直达法,同时写Cache和主存,将数据送访存源,Cache页被替换时，才写入主存,2023/10/18,38,4.多层次Cache存储器,片内Cache（L1）,片外Cache（L2）,集成在CPU芯片
19、内,统一Cache,安装在主板上,分离Cache,指令和数据在同一个Cache中,在取指令和取数的负载之间自动平衡。,指令和数据分别在不同的Cache中，避免了Cache在指令预取器和执行单元之间的竞争。,L1,6.4.3 PentiumII CPU的Cache组织,L1(32K)分离Cache,L2（512KB）,16K数据+16K指令,四路组相联,2023/10/18,39,双重独立总线,为解决数据Cache的一致性，支持MESI协议,CPU到L2,CPU到主存,第5节 外部存储器,主要技术指标,存储密度,单位长度内存储的二进制位数,存储容量：,一台外部存储器所能存储的二进制信息总量,主要
20、特点：大容量、永久存储,位密度,面密度,单位面积内存储的二进制位数,作用：存访暂不运行的程序和数据,2023/10/18,40,速度指标,平均寻址时间,数据传输率,平均寻道时间,平均旋转延迟,Kb/s、KB/s,误码率：,读出时出错的概率,6.5.1 硬磁盘存储器,1.硬盘的基本结构与分类,适用于调用较频繁的场合，常作主存的直接后援。,硬盘,硬盘驱动器,硬盘适配器,硬盘控制逻辑及接口,盘片、磁头,定位系统、传动系统,组成,2023/10/18,41,按盘片是否可换分类,可换盘片式,固定盘片式,按盘片尺寸分类,14、8 英寸,5.25、3.5、2.5 英寸,1.8、1.3 英寸,2.信息分布,盘
21、组：,多个盘片，双面记录。,各记录面上相同序号的磁道构成一个圆柱面。,圆柱面：,扇区（定长记录格式）,数据块,记录块（不定长记录格式）,无扇区化分,磁道：,盘片旋转一周，磁化区构成的闭合圆环,2023/10/18,42,存储密度,道密度,位密度,单位长度内的磁道数,磁道上单位长度内的二进制位数,各道容量相同,各道位密度不同,内圈位密度最高。,非格式化容量,=内圈位密度内圈周长道数/面面数,格式化容量,=扇区容量扇区数/道道数/面面数,3.磁头定位系统,驱动磁头寻道并精确定位,（1）步进电机定位机构,（2）音圈电机定位机构,用于小容量硬盘,用于较大容量硬盘,2023/10/18,43,4.寻址过
22、程与数据存取,驱动器号、圆柱面号、磁头号、扇区号（记录号）、交换量。,寻址信息,寻址操作,定位（寻道）：,磁头径向移动,寻找起始扇区：,盘片旋转,数据传输率,外部传输率,内部传输率,5.硬盘控制逻辑,硬盘适配器和硬盘驱动器的功能如何划分？,（1）按ST506/412标准划分,（2）按IDE标准划分,（3）按SCSI标准划分,2023/10/18,44,6.硬盘的软件管理层次与调用方法,软件层次：,编程界面,INT 13H,INT 21H,磁盘扇区读/写、检查,磁盘文件操作,硬盘控制功能划分,2023/10/18,45,6.5.2 软磁盘存储器,软盘存储器,软盘驱动器,1.组成,软盘片,独立装置
23、,软盘控制器,主机与软盘驱动器之间的 数据交换及控制,2.信息分布与寻址信息,单片，双面记录。,磁道上长度相同的区段，,容量1.2MB的软盘，每面80道。,盘片：,扇区：,磁道：,存放数据块,寻址信息：,台号、磁头号、磁道号、扇区号、交换量,驱动器号,记录面号,扇区数,可拆,2023/10/18,46,3.磁道记录格式,例：定长记录格式,磁道时间,磁道,索引脉冲,扇区i,标志区：,标志信息、,标志区校验码CRC,数据区：,地址标志、数据字段、数据区CRC,4.机械结构,（1）主轴驱动装置,（2）磁头定位装置,（3）加载机构,直流电机带动盘片旋转,步进电机、开环控制,使磁头位于与盘片接触的读/写
24、位置,微型机中广泛使用IBM34系列磁道格式,2023/10/18,47,6.5.3 光盘存储器,1.光盘存储器的种类,（1）只读型光盘（CD-ROM）,固定型光盘,（2）只写一次型光盘（WORM）,CD-R为主,（3）可擦写型光盘,磁光盘（MO）,相变光盘（PCD）,热-磁效应,热-光效应,2.光盘盘片结构,夹层结构,3层结构：,基片、反射层、存储介质层，保护层,3.光盘存储器的组成,盘片、驱动器和控制器,如：CD-RW,两张基片粘接，记录面朝里,2023/10/18,48,6.5.4 磁带存储器,容量大、速度慢、价格低，适用于脱机保存信息。,1.快速启停式磁带机,多道并行读写方式,文件之间
25、用间隔隔开，数据块间有间隔，允许在两个数据块间快速启停。,构成：,走带机构、磁带缓冲结构、带盘驱动结构、磁头,2.数据流式磁带机,多道，各道采用正反向单道串行记录方式,数据块的间隔很短，工作时不在间隔段启停,2023/10/18,49,3.磁带的记录格式,英寸标准磁带的记录格式,英寸开盘式,英寸盒式,多用于微型机、小型机,按文件存储，文件内分数据块,按数据块存储,2023/10/18,50,第6节 物理存储系统的组织,6.6.1 存储系统的层次结构,CPU,Cache,主存,外存,主存-Cache层次,CPU Cache 主存,命中,不命中Cache,主存-辅存层次,为虚拟存储提供条件,增大容
26、量,通过硬件和软件实现,提高速度,通过硬件实现,2023/10/18,51,6.6.2 磁盘冗余阵列（RAID）,多台磁盘存储器组成大容量外存子系统,技术基础：,数据分块技术,RAID0级：,无冗余无校验,RAID1级：,镜像磁盘阵列,高效、安全性低,安全性高、利用率低,RAID2级：,数据按位交叉，海明纠错,RAID3级：,数据按位交叉、奇偶校验,RAID5级：,类似RAID4，,RAID6级：,分块、双磁盘容错,RAID4级：,数据按扇区交叉、奇偶校验,校验盘多,1个冗余盘,无专用校验盘,写磁盘时效率低,RAID7级：,独立接口,RAID10级：,RAID0级+RAID0级,2023/10
27、/18,52,6.6.3 并行存储技术,1.单体多字并行主存系统,按统一地址码并行地访问多个并行工作的存储器,2.多体交叉存取,主存分成若干独立存储体。,CPU交叉访问多个体，缩短平均访存时间。,0,1,2,3,4,5,6,7,存储器控制部件,CPU,CPU每隔存取周期从主存读/写一个数据。,2023/10/18,53,第7节 虚拟存储系统的组织,6.7.1 概述,将主存空间与外存空间统一编址，组成逻辑地址空间，即虚拟存储器；,用户使用逻辑地址（虚地址）空间编程；,操作系统进行程序调度、存储空间分配、地址转换等相关工作。,6.7.2 虚拟存储器的组织方式,1.页式虚拟存储器,虚存、实存都分页，
28、,页面大小固定；,虚地址：,虚页号+页内地址,面向存储器物理结构,2023/10/18,54,页表记录虚页的相关信息,虚实地址转换过程,每个作业建立一个页表,2023/10/18,55,2.段式虚拟存储器,用户程序分段，,各段大小可变；,虚地址：,段号+段内地址,段表记录段的相关信息,虚实地址转换过程,面向程序逻辑结构,2023/10/18,56,3.段页式虚拟存储器,用户程序分段，,每段又分为大小相同的页；,虚地址：,段号+段内页号+页内地址,主存分为大小相同的页；,虚实地址转换过程,2023/10/18,57,6.7.3 Pentium CPU支持的虚拟存储器,Pentium保护模式下的逻辑地址形式：,段选择器：偏移地址,采用段页式虚拟存储器,1.分段方式地址转换,2023/10/18,58,2.分页方式地址转换,（1）4KB分页方式,每页4KB，采用两级页表,2023/10/18,59,（2）4MB分页方式,每页4MB，减少一次访存，加快访存速度,2023/10/18,60,1.分段部件的地址转换,逻辑地址,32位线性地址,32位物理地址,分页,不分页,2.分页部件的地址转换,32位线性地址,32位物理地址,页目录号+页面号+页内地址,4KB方式,页面号+页内地址,4MB方式,6.7.4 存储管理部件,3.存储管理格式,2023/10/18,61,
