多级结构的存储系统.ppt

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1、1,第5章 多级结构的存储系统,5.1 三级结构存储系统概述,三级结构的存储系统,2,采用多级结构存储系统的目的 通过把读写速度高，但容量小、存储的单位成本最高的高速缓冲存储器（Cache）与读写速度略慢、但容量可以更大、价格适中的主存储器，和读写速度最慢、但容量可以极大、存储价格最低的高速磁盘空间（虚拟存储器），组合成统一管理与调度的一体化的存储器系统，以便达到高速度、大容量、低价格的目的，即得到具有更高的运行性能/价格比的存储器系统。,3,三级结构的存储系统的运行原理 三级结构的存储系统的运行原理是建立在程序运行的局部性原理之上的。程序运行的局部性原理主要体现在以下三个方面：（1）时间方面

2、：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问。（2）空间方面：这些最近被访问过的程序和数据，往往集中在一小片存储区中。（3）指令执行顺序方面：指令顺序执行比转移执行的可能性要大（大约5：1）。,4,多级结构存储系统的一致性原则和包含性原则 一致性原则：同一个信息会同时存放在几个级别的存储器中，此时，这一信息在几个级别的存储器中必须保持相同的值。包含性原则：处于内层（更靠近CPU）存储器中的信息一定被包含在各外层的存储器中，即内层存储器的全部信息一定是各外层存储器中所存信息中一小部分的副本。例如，高速缓冲存储器中的信息，肯定也存放在主存中，还存放在虚拟存储器中，但主存储器中的非常多

3、的信息不会同时在高速缓冲存储器中，虚拟存储器中的更多的信息也不会同时出现在主存储器中。,5,每一层存储器所用的存储器介质：高速缓冲存储器静态存储芯片主存储器动态存储器芯片虚拟存储器快速磁盘设备,6,作业3.1在计算机中，为什么有采用多级结构的存储器系统？它应用是建立在程序的什么特性之上的？答：通过把读写速度高，但容量小、存储的单位成本最高的高速缓冲存储器（Cache）与读写速度略慢、但容量可以更大、价格适中的主存储器，和读写速度最慢、但容量可以极大、存储价格最低的高速磁盘空间（虚拟存储器），组合成统一管理与调度的一体化的存储器系统，以便达到高速度、大容量、低价格的目的，即得到具有更高的运行性能

4、/价格比的存储器系统。多级结构的存储器系统是建立在程序运行的局部型原理之上。,7,作业3.2.多级结构的存储器是由哪三级存储器组成的？每一级存储器使用什么性质的存储介质，这些介质的主要特性是什么？在多级结构的存储器中，何谓信息的一致性原则和包含性原则？答：多级结构的存储器由高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器三级存储器组成。高速缓冲存储器使用静态存储芯片，主存储器使用动态存储器芯片，虚拟存储器使用快速磁盘设备。静态存储芯片速度快，价格贵，容量小；动态存储器芯片容量较大，速度较慢，价格适中；快速磁盘设备容量特大，价格最低，但速度最慢。,8,在多级结构的存储器中，一致性原则，是指保存在不同级的存储

5、器中同一个数据必须有相同的值；包含性原则是指保存在内层存储器（靠近CPU）中的数据一定也被保存在外层存储器中，即保存在内层存储器中的数据只是已保存在外层存储器中更多数据中的一小部分的复制品。,9,试题五 三、1.说明采用多级结构的存储器系统的目的？说明每一层存储器所用的存储器介质的种类。答案:通过把读写速度高，但容量小、存储的单位成本最高的高速缓冲存储器（Cache）与读写速度略慢、但容量可以更大、价格适中的主存储器，和读写速度最慢、但容量可以极大、存储价格最低的高速磁盘空间（虚拟存储器），组合成统一管理与调度的一体化的存储器系统，以便达到高速度、大容量、低价格的目的，即得到具有更高的运行性能

6、/价格比的存储器系统。高度缓冲存储器用静态存储器芯片实现，主存储器用动态存储器芯片实现，虚拟存储器使用的是高速磁盘上的一片存储空间。,10,模拟试题 三、1（10分）说明多级结构的存储器系统是建立在什么原理之上的？解释什么是多级结构存储器系统中的一致性原则和包含性原则？建立在程序运行的局部性原理之上的，即在一小段时间内，运行的程序只使用少量的指令和少量的数据，而这少量的指令和少量的数据往往又集中在存储器的一小片存储区域中，指令顺序执行比转移执行的比例要大，故可以按对所使用的指令和数据的急迫和频繁程度，将其存入容量、速度、价格不同的存储器中，从而取得更高的性能价格比。,11,一致性原则，指保存在

7、不同级的存储器中同一个数据必须有相同的值；包含性原则，指保存在内层存储器（靠近CPU）中的数据一定也被保存在外层存储器中，即保存在内层存储器中的数据只是已保存在外层存储器中更多数据中的一小部分的复制品。,12,2005年1月试题 3在计算机中，为什么要采用多级结构的存储器系统？,答：通过把读写速度高，但容量小、存储的单位成本最高的高速缓冲存储器（Cache）与读写速度略慢、但容量可以更大、价格适中的主存储器，和读写速度最慢、但容量可以极大、存储价格最低的高速磁盘空间（虚拟存储器），组合成统一管理与调度的一体化的存储器系统，以达到高速度、大容量、低价格的目的，即得到具有更高的运行性能/价格比的存

8、储器系统。,13,2004年7月试题,1当前流行的计算机系统中，广泛采用由三种运行原理不同、性能差异很大的存储介质，来构建、，和，再将它们组成通过计算机硬、软件统一管理与调度的三级结构的存储器系统。答案：主存储器 高速缓冲存储器 虚拟存储器,14,2004年1月试题,1当前流行的计算机系统中，广泛采用由三种运行原理不同、性能差异很大的存储介质来构建计算机存储体系，在CPU与 之间加入了，构成由硬件管理的存储结构，在主存与辅存间通过计算机硬、软件统一管理与调度组成 的另一种存储结构。答案：主存储器 高速缓冲存储器 虚拟存储器,15,5.2 主存储器部件的组成与设计 5.2.1主存储器概述 运算器

9、 控制器 计算机包括五大功能部件 存储器 输入设备 输出设备 主存储器是计算机五大功能部件之一。,16,主存储器的功能：存放正在运行的程序和数据。主存储器的主要技术指标：（1）读写速度：读写一个存储单元必须的时间度量。例如：60ns。（2）存储周期 连续两次读写必须的时间间隔。考虑到线路恢复的延时问题，它略大于一次读写所用的时间。（3）存储容量 用存储器的字节数或字数表示。一个存储字通常由2、4、8个字节组成。,17,主存储器与其他部件的连接关系,18,主存储器通过地址总线、数据总线、控制总线与计算机CPU和外围设备连接在一起。地址总线：用于选择主存的一个单元。其位数决定可访问的存储单元最大数

10、目（最大可寻址空间）例：20位地址，可访问1MB的存储空间，32位地址，可访问4GB的存储空间 数据总线：用于在计算机各功能部件之间传送数据。数据总线的位数（总线宽度）与总线时钟频率的乘积正比于该总线所支持的最高数据传输能力。,19,控制总线：用于指明总线的工作周期类型和本次入/出完成的时刻。主存读周期 主存写周期 总线的工作周期 I/O设备读周期 I/O设备写周期 直接存储器访问（DMA）总线周期 一个总线周期=一次地址时间+一次数据时间,20,主存储器的构成 只读存储区存储内容固定不变的程序和数据主存储器 读写存储区 静态存储器（SRAM）用于实现高速缓冲存储器存储芯片 动态存储器（DRA

11、M）用于实现主存,21,作业3：题3,静态存储器和动态存储器主要性能比较,静态存储器和动态存储器主要性能比较,22,5.2.2 动态存储器的记忆原理和读写过程,23,读写过程：写数据：先使字线为高电平，T管导通，若数据线为低电平（写1）且电容CS中未有电荷，则电源VDD将向电容充电，使CS中存储上一定数量的电荷，表示1信号已写入存储单元；若数据线为高电平（写0）且电容已存储有电荷，则将会电容CS完成放电，使CS中无存储电荷，表示0信号已写入存储单元；如写入的数据于CS中原存储信息相同，则CS中原存储有无电荷的情形不会发生变化。,24,读过程：先使数据线预充至高电平，当字线的高电平到来时，T管导

12、通，若电容CS中原存储有电荷（存储1信号），电容CS就要放电，则会使数据线上的电位由高变低；若CS中未存储有电荷（存储0信号），则数据线的电位不会发生变化。如果在数据线接上一个高灵敏度的放大器，就可以检测出数据线上的这种不同的变化情况，从而区分出读出来的数据是1还是0。注意：读出操作是破坏性读出，读操作以后须紧跟一次写回操作。,25,向存储单元提供地址的步骤是：先送行地址，再送列地址，用芯片的时序信号控制完成。动态存储器必须定期刷新。每隔2ms向存储单元进行一次刷新操作，以补偿CS漏电所造成的电荷损失，确保所存储的信息不丢失。刷新操作以行为单位执行，只需提供行地址，与列地址无关。读写电路（了解

13、）,26,读写时序波形,27,2004年7月试题,6某一RAM芯片，其容量为5128位，除电源端和接地端外，连同片选、/OE和读/写信号该芯片引出脚的最小目为（）。A23 B25 C50 D20答案：D,28,2004年1月试题,6某一RAM芯片，其容量为10248位，除电源端和接地端外，连同片选、/OE和读/写信号该芯片引出脚的最小目为（）。A23 B20 C17 D22答案：D,29,5.2.3.静态存储器的存储原理和芯片内部结构 存储原理：用触发器线路记忆与读写数据,30,读写操作：读操作：先将二位线充电至高电平，当字线送来高电平时，MOS管T5、T6 将导通，使触发器的两个输出端与位线

14、1和位线2连通。若触发器存储的是1信号，即T1管处于导通状态，则位线就会经MOS管T5产生流向T1管的电流，从而在位线1上出现一个负脉冲，而位线2就不会出现负脉冲；若触发器存储的是0信号，即T2管处于导通状态，它的输出端处于低电平，则位线就会经MOS管T6产生流向T2管的电流，从而在位线2上出现一个负脉冲，而位线1就不会出现负脉冲。这样，就可以通过检查哪一条位线上出现负脉冲来判断触发器的状态，即区分读出来的信号是1或是0。,31,写操作：通过两条位线提供写入的数据信号。例如，写入1信号时，在位线1送低电平信号，位线2送高电平信号，当字线送来高电平时，MOS管T5和T6将导通，使触发器状态保持不

15、变（已存储1信号时），或使触发器翻转为1状态（原存储的是0信号）。要写入0 信号，则需要在为线1送高电平信号，在位线2送低电平信号。,32,2Kb静态存储器芯片逻辑组成框图,33,试题一 三、1静态存储器和动态存储器器件的特性有哪些主要区别？各自主要应用在什么地方？答：静态存储器和动态存储器器件的特性有的主要区别见下表：静态存储器SRAM主要用于高速缓冲存储器Cache，动态存储器主要用于主存储器。,34,2003年7月试题 三、66动态与静态存储器芯片在特性和使用场合两个方面有哪些差别？（8分）答案：动态存储器芯片是通过寄存器电容存储一个二进制位的信息，为解决漏电会丢失信息的问题需要刷新操作

16、，是破坏性读出，需要回写操作，使读写周期变长，即运行速度慢，它的集成度高，价格便宜，故主要用于实现速度低一些，但容量要求较大的主存储器；而静态存储器芯片不需要刷新操作，也不是破坏性读出，不需要回写操作，运行速度高，但芯片的集成度低，故价格更高，主要用于速度要求更快但容量可以较小的Cache存储器。,35,作业3.4为什么动态存储器是破坏性读出？静态存储器又为什么读出操作不会破坏已存储的信息呢？什么是动态存储器的回写（预充电延时）？它对存储器性能的影响是什么？答：因为动态存储器是依靠MOS管源极的寄生电容CS中的电荷来存储信息的，若有电荷表示1，无电荷表示0。动态存储器的读写操作过程会使电容CS

17、中原存储的电荷（存储1信息）丢失，所以是破坏性读出。,36,静态存储器是依靠触发器记忆与读写数据的。只有写操作会改变触发器的状态，而读操作不会改变触发器的状态，故是非破坏性读出。因为动态存储器的读操作是破坏性读出，为了保持原记忆的内容，必须在读操作以后立即跟随一次写回操作（预充电延时）。在预充电延时完成之前，是不能开始下一次的读操作的，使得其读写周期加长，影响了存储器的工作速度。,37,2004年1月、2004年7月、2005年1月试题,下列说法中（）是正确的。A半导体RAM信息可读可写，且断电后仍能保持记忆B半导体RAM是易失性RAM，而静态RAM中的存储信息是不易失的C半导体RAM是易失性

18、RAM，而静态RAM只有在电源不掉时，所存信息是不易失的DEPROM是可改写的，因而也是随机存储器的一种答案：C,38,5.2.4 主存储器实现与应用中的几项技术 1.动态存储器的快速读写技术 快速页式工作技术 动态存储器在写时，通常需要为存储器芯片先后分别锁存行地址和列地址，比较费时。如果连续读写属于同一行的多个列中的数据，其行地址只需在第一次读写时送入（锁存），之后保持不变，则每次读写属于该行的多个列中的数据时，每次仅锁存列地址即可，从而省掉了锁存行地址的时间，加快了主存储器的读写速度。这一技术被称为存储器的快速读写技术，或称为快速页式工作技术，这是动态存储器所特有的用法。,39,2.主存

19、储器的并行读写技术 指在主存储器的一个工作周期或略多一点的时间内可以读出多个主存字采用的技术。两种可行方案：（1）一体多字结构（2）多体交叉编址技术,40,（1）一体多字结构,41,通过加宽每个存储单元的宽度，即增加每个主存单元的数据位数（bit），使每个存储单元同时存储几个字，则每一次读操作就同时送出了几个主存字，使读出一个主存字的平均的读出时间变为原来（与每一个单元存一个字相比）的几分之一。缺点：每次读出的几个主存字必须首先保存在位数足够长的寄存器中，等待通过数据总线分几次把它们传送走。,42,（2）多体交叉编址技术,43,把存储器分为几个能独立读写的，字长为1个主存字的主体，这样可以按读

20、写需要情况，分别对每个存储体读写。通过合理的组织方式，使几个存储体协同运行，从而提供比单个存储体更高的读写速度。,44,多个存储体的组织方式：关于读写周期的启动 两种方法：方法一：在同一个读写周期内同时启动所有存储体的读写操作，类似前面的一体多字结构；方法二：使这些存储体顺序地轮流启动各自的读写周期，即在一个存储体的读写周期内，能启动每一个存储体的读写操作，即启动相邻两个存储体的最小时间小于或等于一个读写周期除以存储体的个数。这种方案的优点是依次读出来的每一个存储字，可以直接通过数据总线依次传送走，而不必设置专门的数据缓冲存储器。理论上能达到最高的读写速度。,45,关于如何分配这些存储体各自工

21、作的地址范围 合理的方案是采用交叉编址，即把连续地址的几个主存字依次分配在不同的存储体中，因为程序运行局部性原理已经表明，程序运行过程中，在短时间内读写地址相邻的主存字的概率更大。设有m个存储体，每个存储体的容量为L，则第M个存储体中存储的主存字的地址为 Mj+i 其中 j=0，1，2，L-1；i=0，1，2，M-1,46,例：设M=4，则可用低2为地址来区分读写哪个存储体，其余高位部分送到每个存储体，用于区分读写每存储体中的哪一个存储字。存储体号 存储体内编址情况 最低2位的地址取值 0 0，4，8，12，4i+0，00 1 1，5，9，13，4i+1，01 2 2，6，10，14，4i+2

22、，10 3 3，7，11，15，4i+3 11,47,多体交叉编址技术,48,3.关于对成组数据传送的支持 这种方式是指用于提高在数据总线上数据输入/输出能力的一种技术。即通过地址总线传送一次地址后，能连续的在数据总线上传送多个（或一组）数据。而不相像正常总线工作方式那样，每传送一次数据，总要用两段时间，即先传送一次地址（地址时间），后跟一次数据传送（数据时间）。在成组传送方式，为传送N个数据，可以仅用N+1个总线时钟周期。而不是2N个总线时钟周期。,49,关于对成组数据传送的支持 实现数据成组传送，CPU要支持这种运行方式（486以上型号）；主存储器也应能提供出足够高的读写速度，这往往通过主

23、存的多体结构，动态存储器的EDO支持等措施来实现。这种支持可以在PC机的内存条一级体现，也可以在存储器芯片一级体现。,50,4.其它可行方案（自学）,51,2001年1月试题 三、2 使用多体结构的主存储器的目的是什么？什么是低位交叉，其优点何在？答：使用多体结构的主存储器，是为了使用可以独立读写的多个存储器，以提高对它们的并行读写、快速得到多个数据的能力，缓解单个主存储器读写速度慢的矛盾。在多体结构的主存储器中，通常多选用把相邻的存储字放在不同的存储体中，这被称为低位地址交叉的组织形式，它更符合程序运行的局部性原理，有利于同时（或时间上有覆盖）地读写地址相邻的几个存储字。,52,作业3.6.

24、在所有主存储器芯片已确定的情况下，还要进一步大幅度提高主存储器的读写速度的办法是什么？主存一体多字和多体交叉方案的优缺点个表现在什么地方？低位地址交叉是何含义？优点何在？答：在所有主存储器芯片已确定的情况下，还要进一步大幅度提高主存储器的读写速度的办法是采用主存储器的并行读写技术。一体多字方案的优点是每一次读操作就同时送出了几个主存字，使读出一个主存字的平均的读出时间变为原来（与每一个单元存一个字相比）的几分之一。缺点：每次读出的几个主存字必须首先保存在位数足够长的寄存器中，等待通过数据总线分几次把它们传送走。,53,多体交叉方案的优点是依次读出来的每一个存储字，可以直接通过数据总线依次传送走

25、，而不必设置专门的数据缓冲存储器，理论上能达到最高的读写速度。但由于在寻址操作数或执行指令发生转移时产生非顺序的访问内存请求，并行性被破坏，使读出一个主存字的平均的读出时间不可能到达原来（与每一个单元存一个字相比）的几分之一。在多体结构的主存储器中，通常多选用把相邻的存储字放在不同的存储体中，这被称为低位地址交叉的组织形式，它更符合程序运行的局部性原理，有利于同时（或时间上有覆盖）地读写地址相邻的几个存储字。,54,试题七 三、1何谓主存储器的多体结构？为什么它能提高主存储器的读写速度？（9分）所谓主存储器的多体结构,是只把主存储器分成几个能独立读写的、字长为一个主存字的主体,可以按读写需要情

26、况,分别对每个存储体执行读写。通过合理的组织方式,使几个存储体协同运行,从而提供出比单个存储体更高的(几倍)读写速度。因为采用多体结构的主存储器执行读写操作时，是在一个读写周期内，同时启动所有存储体的读写操作（一体多字方案），或顺序地轮流启动各自的读写周期，启动每一个存储体的读写操作（多体交叉编址方案）。这样可以在主存储器的一个工作周期内或略多一点的时间内可以读出多个主存字，从而提高了主存储器的读写速度。,55,5.2.5 教学计算机内存储器实例,教学计算机采用单总线结构，16位的地址总线（最大可寻址空间为64K字），16位的数据总线和简化的控制总线。教学机实际只使用了8K字的ROM和2K字的

27、RAM，其余空间可作为扩展内存或扩展输入输出接口、中断和DMA接口等教学实验的需要（电路版上设置了一些接线插孔）。出于教学机器件安全需要，教学机通过两片74LS245器件把数据总线隔断为内部总线IB与外部总线两部分。,56,57,（1）地址总线（AB15AB0）地址总线提供读写内存用的16位地址，读写输入/输出接口用的8位地址。教学机的指令格式和教学机本身的特性，决定了将送往地址寄存器的地址信息只能由ALU输出。这是因为：程序计数器PC，是由运算器内部的一个原为通用寄存器实现的，读取指令时只能将PC的内容经ALU送出。为读取双指令的第二个字也是如此。教学机中的内存读写指令，无论使用哪种寻址方式

28、，包括寄存器间接寻址，变址寻址、立即数寻址、堆栈寻址，址后的实际地址都是通过ALU送出的。输入/输出指令中的输入/输出地址，给出在指令寄存器器的低位字节，也经ALU送往AR。,58,（2）控制总线 功能：指明总线周期的类型和本次输入输出操作完成的时刻。用一片双2-4译码器器件34LS139给出。输入的三位控制码是/MIO、/REQ、/WE，输出信号如下：/MMW（000）内存写/MMR（001）内存读/IOW（010）I/O写/IOR（011）I/O读 NC（1xx）不操作,59,（3）数据总线 数据总线是计算机各部件之间完成数据传送的线路。数据总线工作速度（频率）和位数（总线宽度）的乘积决定

29、总线上的最大数据传送率。教学机上的数据总线通过双向三态门电路分割成内部数据总线和外部数据总线。内部数据总线接收教学机主板上16数据开关的输入数据，指令寄存器IR低位字节的内容，状态寄存器的内容，运算器输出的结果的内容，中断向量寄存器的内容。内部总线上的信息可以送往指令寄存器IR，状态寄存器，运算器的数据输入端（D）。,60,设计和使用数据总线的核心技术 要保证总线被各部件分时共享。数据总线一般用三态门构成。,61,（4）系统时钟及时序 用1.8432MHz的晶振经6分频得到的307.2kHz作为系统时钟，用于驱动CPU、I/O总线，保持CPU与内存、I/O读写同步进行。,CPU内部的某些寄存器

30、，通常在时钟脉冲上升沿完成接收操作。运算器的通用寄存器在时钟脉冲低电平接收输入数据。时钟周期对应一条微指令的时间（微周期或一CPU周期）。内存和I/O操作由两个时钟周期组成：每个时钟周期=地址时间+数据时间,62,（5）静态存储器的扩展 教学机内存空间分配：02047 8K16位的ROM（用两片58C65，8K8构成）20484095 2K16位的RAM（用两片74LS6116，2K8构成）内存字长为16位，按字寻址方式读写。16位地址低11位AB0AB12分别与ROM和RAM的AB0AB12对应连接，以选中其中的一个单元。AB15、AB14、AB13通过3-8译码器译出8个片选信号 CS7C

31、S0，其中CS0作ROM的片选信号，CS1作RAM的片选信号。CS2CS7用作扩展内存容量。对RAM，还需提供/WE信号；对ROM，只需提供片选信号/CS。,63,64,作业3.5.存储器读写操作时，地址信号，片选信号，读写信号、读出的数据或写入的数据，在时间配合上要满足什么关系？答：在读周期，有效地址先加在芯片地址端，保持不变，芯片对地址译码后选中相应的单元，然后向芯片发出片选信号和读信号，经过一段时间后，从芯片输出端输出有效数据。当读出数据送至目的地后，才可撤消片选信号和读命令。在写周期，当加入芯片地址有效后，先向芯片数据端写入数据。然后向芯片发出片选信号和写命令，经过一段时间后，有效数据

32、被写入芯片的某个地址单元，然后才可撤消片选信号和写命令。,65,模拟试题 三、2 用16K*8 bit 的静态存储器器件实现64K*16 bit的主存储器系统，按字寻址，请设计并画出该主存储器的逻辑框图，说明地址总线和数据总线的位数，该存储器与16位字长的CPU的连接关系。答案：该存储器所用器件的容量为16K*8 bit，为实现64K的总容量，要用4片存储器芯片实现字扩展，为实现16位的字长，每个字要用2片芯片实现位扩展，故该主存总计用8片存储器芯片实现。要寻址64K字，内存地址应为16位；CPU与内存字长为16位，故数据总线也应为16位。(逻辑框图见下图),66,67,2002年1月试题 二

33、、1.在教学计算机中，用多片静态存储器芯片构成完整的存储器部件时，实现ROM存储区时，是在相应的器件插座是插上（B）芯片；实现RAM存储区时，是在相应的器件插座是插上（H）芯片；实现容量扩展时，是把相关存储器芯片的（A）线的每一对应的印脚连接在一起，用（F）信号区分其中每个存储器芯片的所处的地址范围；把地址总线的（J）部分送到地址译码器完成译码以产生内存储器的芯片的片选信号，这个地址译码器仅在执行内存（M）期间才允许执行译码功能。地址总线的（K）部分直接连接到内存储器每个芯片的（C）线引脚，用于选择每个芯片内的不同的存储单元。同一个内存储器读写命令（D）接到一个内存储器每个RAM芯片的/WE管

34、脚。A.数据 B.ROM C.地址 D.可以 E.读 F.片选 G.读H.RAM I.不可以 J.高位 K.低位 L.控制 M.读/写 N.运行 答案：B H A F J M K C D,68,5.3 外存储器设备与磁盘阵列技术 磁盘外存设备 磁带 光盘 特点：存储容量大，存储成本低，断电后能长期保存信息，还可脱机保存信息（光盘、软盘、磁带）,69,4.5.1 外存设备概述5.3.1 外存设备概述 1.外存设备的主要技术指标（1）存储密度（2）存储容量（3）寻址时间（4）数据传输率（5）误码率（6）价格,70,（1）存储密度 在磁介质单位长度或单位面积上所存二进制信息的数量。对于磁盘，通常用道

35、密度和位密度来表示，也可以用两者的乘积来表示。对磁带设备，通常总是用位密度来表示。（2）存储容量 一台设备所能存储的总信息数量，以字节为单位表示。,71,（3）寻址时间 磁盘属于按直接存取方式读写的设备 磁头沿磁盘的径向方向运动到目标磁道的时间 寻址时间 在目标磁道上等待磁盘被读写区段旋转道磁头 下面的时间 各取最大和最小时间的平均时间之和来表示。磁带设备是用顺序存取方式完成读写的。要读写磁带上某个区域上的信息，首先要等待该磁带旋转到该区域，所用时间是几分钟到十几分钟。,72,（4）数据传输率 磁表面存储器在单位时间内可以传输数据的数量，通常用二进制数的位数或字节数表示。它与设备本身的读写速度

36、和接口逻辑线路有关。（5）误码率 衡量磁表面设备运行可靠性的重要指标。误码率等于读操作过程中，出错信息量在读出的全部信息中所占的比例。（6）价格 外存设备的本身价格较贵，但因为存储容量特别大，存储单位信息（如1KB）所占的平均价格最低。,73,2.磁记录原理与记录方式（1）磁记录原理 磁表面记录设备，是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时，通过电磁转换过程完成读写的。,74,Br,B,H,+HC,-HC,+Hm,-Hm,+Bm,-Bm,0,I,0,写“0”电流,写“1”电流,-Br,75,磁表面存储器的磁性材料具有矩形磁滞回线。当磁性材料被磁化后，其工作点总是在磁滞回线上。只要外加正向脉

37、冲电流（外加磁场HHm），那么电流消失后，磁感应强度并不为0，而处于正剩磁状态Br。反之，若外加负向的脉冲电流，磁感应强度可出现负剩磁状态。即当磁性材料被磁化后，会出现两个稳定的剩磁状态，形成一磁化元或存储元。如果用+Br表示代码“1”，用Br表示代码“0”，则利用磁性材料的剩磁状态可记录一位二进制信息。,76,磁头在磁表面存储信息原理,77,磁头：用软磁材料组成，当向线圈提供一定方向和大小的电流时，磁头体被磁化，建立起一定方向和强度的磁场，即磁环内有磁力线产生。在磁头的间隙处磁阻最大，将产生漏磁。这漏磁就是向磁记录介质写入信息的信息源。磁记录介质 是在某种刚性（如硬盘）或柔性（如软盘、磁带）

38、载体上涂上薄层磁性材料的物体，磁性材料用硬磁材料做成。,78,写入过程：当磁头前端与磁性介质很近时，磁头前间隙处的漏磁将处于附近的磁记录介质的一小片磁性材料磁化。当磁头离去后，这一小片被磁化的磁性材料保留了磁化状态，从而记录下写入的一位信息。读出过程：当磁头距磁记录介质很近且高速经过时，已磁化的一小片磁性材料的磁化状态通过前间隙在磁头的环体内产生磁力线，从而在磁头线圈中感应出一个脉冲电流，表示读出了记录在磁记录介质中的一位信息。,79,（2）磁记录方式 磁记录方式，指的是一种编码方法，即按什么方案（规律），把一连串的二进制信息变换成存储介质磁层中的一个序列的磁反转状态，并且可以容易、可靠地用读

39、写控制电路实现这一转换过程。选用不同的记录方式，对磁表面设备的性能有重要的影响。衡量磁记录方式的标准：编码效率 自同步能力 可靠性,80,衡量磁记录方式的标准：编码效率 指记录密度与最大磁化翻转密度之比。即为记录一位信息所用的最多磁化翻转次数的倒数。例如，若记录一位信息，最多要有一次磁化翻转，则编码效率为100%。自同步能力 指从读出的数据信息中提取同步时钟信号的难易程度。同步时钟信号是分隔出连续多个数据的不同位所必须的时间基准信号。若有，则称为有同步能力。可靠性 有能检查错误，甚至自动纠错等必要措施。,81,归零制（RZ）不归零制（NRZ）见1就翻的不归零制（NRZ1）基本编码方式：调相制（

40、PM）调频制（FM）改进调频制（MFM）,82,83,基本编码方式：归零制（RZ）用向磁头线圈送入正负电流的办法写“1”和写“0”，“1”和“0”的状态正好相反。主要矛盾：两位之间的磁层处于非磁化状态，难予解决，故不实用。（P204）不归零制（NRZ）用向磁头线圈送入正、反向电流的办法写“1”和写“0”，“1和”0“的状态正好相反。磁层中不存在未被磁化的状态。见“1”就翻的不归零制（NRZ1）用在写“1”时就变化磁头线圈中的电流方向（写“0”则不变化电流方向）的办法执行写“1”和写“0”操作的方案。调相制（PM）是用磁层中不同的磁化翻转方向来区别“1”和“0”的方案。磁头线圈中的电流，写“1”

41、和写“0”的方向不同。读出时信号是正脉冲则为“1”，读出的信号是负脉冲则为“0”。,84,85,调频制（FM）是用磁层中不同的磁化翻转次数来区别“1”和“0”的方案。记录“1”比记录“0”的磁化翻转频率要多一倍。磁头线圈中的电流，在每个位周期起始处要变化一次方向，写“1”时，在位周期中心再变化一次方向；写“0”时，在位周期的中心处不再变化一次方向。读出时，“1”信号表现为两个脉冲；“0”信号表现为一个脉冲。二者的频率相差一倍。改进调频制（MFM）取消了大部分在位周期起始处改变磁头线圈电流的动作，只保留在连续“0”信号的位周期起始处的电流变化方向（以便保证该编码方式的自同步能力）。其编码效率提高

42、到100%，比FM提高一倍。,86,5.3.2磁盘设备的组成与运行原理 磁盘设备，通常由三部分组成：（1）磁盘驱动器（2）磁记录介质（硬磁盘片、磁盘组、软磁盘片）（3）磁盘接口系统,87,（1）磁盘驱动器（磁盘机）通常是一个完整独立的设备，包括作为磁记录介质使用的磁盘和驱动磁盘匀速旋转的动力与驱动部件，完成读写功能的磁头和驱动磁头沿磁盘径向运动和准确定位的部件，以及其它一些控制逻辑电路等部件。,88,（2）磁记录介质（硬磁盘片、磁盘组、软磁盘片）是单独的、可以和磁盘驱动系统分开保存的磁记录介质。最典型的情况是软磁盘系统，也有把硬磁盘机与硬磁盘片（组）做成分体结构的（活动磁盘系统），其总的存储容

43、量不受太多的约束。,89,（3）磁盘接口电路 是插在主机总线插槽中的一块电路板，用于把磁盘驱动器与计算机主机连接为一体系统；接收主机发给磁盘的操作命令，实现数据缓冲与格式变换，处理主机与磁盘之间的其它交互作用与时间上的同步等。,90,硬磁盘驱动器的组成与功能硬磁盘驱动器的一般组成：（1）主轴及其驱动系统（2）磁头及其定位系统（3）数据读写等控制逻辑部分,91,92,（1）主轴及其驱动系统 硬磁盘的盘片（组）被固定（或插入后卡）在磁盘机的主轴上，由主轴带动磁盘匀速旋转，而磁盘机的主轴，则是由一个主电机通过传动皮带带动旋转的。主电机的转速必须被监测和进行自动调节。在刚加电启动时，检测磁盘是否已经达

44、到额定转速，通常在未达到额定转速之前，不允许磁头进入磁盘外沿之内；在磁盘正常旋转的过程中，可以用一个闭环的自动调节系统使其转速尽可能的均匀。,93,94,（2）磁头及其定位系统 大部分的磁盘系统中，只为每个磁盘面设立一个磁头，为在磁盘径向方向的某个位置（某个磁道）完成读写，必须驱动磁头移动到并定位在那里，实现这一功能的部件称为磁头定位驱动机构。它由小车和驱动部件组成，磁头被安装在小车上，小车的运动带动磁头沿磁盘径向前进和后退。,95,96,（3）数据读写等控制逻辑部分 要读写磁盘上的信息，首先必须给出信息在磁盘上的准确位置：磁盘面，磁道、扇区。对于写操作，当把要用的写入地址送入磁盘的地址寄存器

45、后，再把要写入的数据经磁盘接口送到磁盘的读写控制逻辑电路，经过编码处理，送入驱动器再送入选定的磁盘的写入线圈，把信息串行地写入到选定的磁道中。写入操作一般伴有出错检查。对于读操作，首先使磁头移动到磁盘地址寄存器指定的存储区域，选中的磁头执行读操作，读出信号送入读出放大器，然后经译码电路分离出数据脉冲，拼装成字节或字的格式送入磁盘接口。读的过程也伴有出错检查。,97,2.磁记录介质磁盘上的信息组织（自学）3.磁盘接口卡（自学）5.3.3 磁带机设备简介,98,99,2003年1月试题 三、2 衡量硬磁盘的主要性能指标有哪些？硬磁盘是如何实现数据读写操作的？硬磁盘在计算机系统中发挥哪2种重要功能？

46、（10分）答案：衡量硬磁盘的主要性能指标有存储密度、存储容量、寻址时间、数据传输率、误码率和价格。,100,要读写磁盘上的信息，首先必须给出信息在磁盘上的准确位置，这个位置通常有哪个磁盘面，哪一个磁道及哪一个扇区等几部分组成。对于写操作，当把要用的写入地址送入磁盘的地址寄存器后，再把要写入的数据经磁盘接口送到磁盘的读写控制逻辑电路，经过编码处理，送入驱动器再送入选定的磁盘的写入线圈，把信息串行地写入到选定的磁道中。写入操作一般伴有出错检查。对于读操作，首先使磁头移动到磁盘地址寄存器指定的存储区域，选中的磁头执行读操作，读出信号送入读出放大器，然后经译码电路分离出数据脉冲，拼装成字节或字的格式送

47、入磁盘接口。读的过程也伴有出错检查。,101,硬磁盘在计算机系统中的2种重要功能：一是摆脱主存储器容量的限制，解决了主存储器的存储容量不够大，存放不下足够多的数据和程序的问题；二是降低存储一定信息所用的成本，从而降低了整个系统的价格。,102,4.3 高速缓冲存储器部件（Cache）高速缓冲存储器部件（Cache）是一个相对内存来说容量很小，速度特快，用静态存储器器件实现的存储器部件。作用：缓解主存速度慢，跟不上CPU读写速度要求的矛盾。,103,5.3.4 光盘设备的组成与运行原理光盘设备利用激光照射圆形盘体完成信息读写的设备。特点：存储密度大，容量大，非接触式读写，工作可靠性好，价 格便宜

48、。读光盘3种类型光盘 一次写型光盘 可檫写型光盘（用激光照射特定的磁性材料介质实现）,104,105,一次型写光盘的组成：写一次型光盘设备由光盘机和盘片组成。光盘机由主轴驱动机构、读写光头和寻道定位机构、激光器、光束分离器和光聚焦镜组成。光盘是圆形的、用于记录信息的盘片，由基板、铝质反射层、和薄金属膜等组成，基板提供合适的机械性能，反射层用于反射接收到的激光信号，而金属膜则是记录信息（区分“0”和“1”信号）的介质。,106,一次型写光盘完成读写操作的基本原理：激光器可以产生一定亮度（强度）的激光束，是光源部件。光束分离器把接收到的激光束分成为写光束和读光束两部分。调制器用于控制是否让写光束通

49、过。写光束要通过跟踪反射镜实现寻道定位，把写光束聚焦为很细的光束打到指定的光盘位置，从而在那里融处一个小于1的小坑，表示已完成一个“1”信号的写入操作。读出时，读光束也会照射到指定的光盘的位置，但它的能量很弱，不会改变金属膜的反射特性，只会把所照到之处有无小坑通过反射光的强弱表现出来，反射回来的光被送到光敏二极管，从而确定读出来的是“1”信号还是“0”信号。由于金属膜的反射特性，一旦被破坏了就不能恢复，所以这种类型的光盘只能被写一次。,107,108,9说明只写一次型光盘的组成？完成读写操作的基本原理？答：写一次型光盘设备由光盘机和盘片组成。光盘机由主轴驱动机构、读写光头和寻道定位机构、激光器

50、、光束分离器和光聚焦镜组成。光盘是圆形的、用于记录信息的盘片，由基板、铝质反射层、和薄金属膜等组成，基板提供合适的机械性能，反射层用于反射接收到的激光信号，而金属膜则是记录信息（区分“0”和“1”信号）的介质。,109,一次型写光盘完成读写操作的基本原理：激光器可以产生一定亮度（强度）的激光束，是光源部件。光束分离器把接收到的激光束分成为写光束和读光束两部分。调制器用于控制是否让写光束通过。写光束要通过跟踪反射镜实现寻道定位，把写光束聚焦为很细的光束打到指定的光盘位置，从而在那里融处一个小于1的小坑，表示已完成一个“1”信号的写入操作。读出时，读光束也会照射到指定的光盘的位置，但它的能量很弱，