存储器_存储器管理 - CSDN
  • 计算机存储器介绍

    千次阅读 2018-04-24 10:17:29
    (一)存储器 存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其概念很广,有很多层次,在数字系统中,只要能保存二进制数据的都可以是存储器;在集成电路中,一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫...

    (一)存储器

        存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其概念很广,有很多层次,在数字系统中,只要能保存二进制数据的都可以是存储器;在集成电路中,一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器,如RAM、FIFO等;在系统中,具有实物形式的存储设备也叫存储器,如内存条、TF卡等。计算机中全部信息,包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器,计算机才有记忆功能,才能保证正常工作。计算机中的存储器按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存),也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等,能长期保存信息。内存指主板上的存储部件,用来存放当前正在执行的数据和程序,但仅用于暂时存放程序和数据,关闭电源或断电,数据会丢失。

    存储器的分类结构如下:

    二)RAM

        随机存取存储器(random access memory,RAM)又称作“随机存储器”,是与CPU直接交换数据的内部存储器,也叫主存(内存)。它可以随时读写,而且速度很快,通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。

        SRAM:

    静态随机存取存储器Static Random-Access Memory,SRAM)是随机存取存储器的一种。所谓的“静态”,是指这种存储器只要保持通电,里面储存的数据就可以恒常保持。相对之下,动态随机存取存储器(DRAM)里面所储存的数据就需要周期性地更新。 速度快,集成度低,高速缓冲存储器。
    DRAM:
    动态随机存取存储器,最为常见的系统内存,即DRAM(Dynamic Random Access Memory)。DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新(refresh)一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。 关机就会丢失数据。 集成度高,功耗低,需要不断刷新,一般做内存。

    (三)ROM   

        只读内存(Read-Only Memory)是一种只能读取资料的内存。在制造过程中,将资料以一特制光罩(mask)烧录于线路中,其资料内容在写入后就不能更改,所以有时又称为“光罩式只读内存”(mask ROM)。此内存的制造成本较低,常用于电脑中的开机启动。   

    1.PROM   

        可编程程序只读内存(Programmable ROM,PROM)之内部有行列式的镕丝,视需要利用电流将其烧断,写入所需的资料,但仅能写录一次。 PROM在出厂时,存储的内容全为1,用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0(部分的PROM在出厂时数据全为0,则用 户可以将其中的部分单元写入1), 以实现对其“编程”的目的。PROM的典型产品是“双极性熔丝结构”,如果我们想改写某些单元,则可以给这些单元通以足够大的电流,并维持一定的时间,原 先的熔丝即可熔断,这样就达到了改写某些位的效果。另外一类经典的PROM为使用“肖特基二极管”的PROM,出厂时,其中的二极管处于反向截止状态,还 是用大电流的方法将反相电压加在“肖特基二极管”,造成其永久性击穿即可。   

     2.EPROM   

        可抹除可编程只读内存(Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM)可利用高电压将资料编程写入,抹除时将线路曝光于紫外线下,则资料可被清空,并且可重复使用。通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。               3OTPROM   

        一次编程只读内存(One Time Programmable Read Only Memory,OPTROM)之写入原理同EPROM,但是为了节省成本,编程写入之后就不再抹除,因此不设置透明窗。   

     4.EEPROM  

     电子式可抹除可编程只读内存(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,EEPROM)之运作原理类似EPROM,但是抹除的方式是使用高电场来完成,因此不需要透明窗。   

    5.快闪存储器  

     快闪存储器(Flash memory)的每一个记忆胞都具有一个“控制闸”与“浮动闸”,利用高电场改变浮动闸的临限电压即可进行编程动作。   

    6.快闪存储器  

     指从游戏机主文件存储器里或者正版游戏卡带提取的游戏主文件,可以在各类模拟器上使用。例如街机模拟器,GBA模拟器的ROM,正是此意。

    (四)外部存储器

    1 硬盘

        硬盘是电脑主要的存储媒介之一,由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。碟片外覆盖有铁磁性材料。
        硬盘有固态硬盘(SSD 盘,新式硬盘)、机械硬盘(HDD 传统硬盘)、混合硬盘(HHD 一块基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘)。

        SSD采用闪存颗粒来存储,HDD采用磁性碟片来存储,混合硬盘(HHD: Hybrid Hard Disk)是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘。绝大多数硬盘都是固定硬盘,被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。

    2 软盘

        软盘(Floppy Disk)是个人计算机(PC)中最早使用的可移介质。软盘的读写是通过软盘驱动器完成的。软盘驱动器设计能接收可移动式软盘,目前常用的就是容量为1.44MB的3.5英寸软盘。
        软盘存取速度慢,容量也小,但可装可卸、携带方便。作为一种可移贮存方法,它是用于那些需要被物理移动的小文件的理想选择。

        软盘在早期计算机上必备的一个硬件,也是计算机上面最早使用的可移介质。软盘英文缩写是FIoppy Disk,它作为一种可移储存硬件适用于一些需要被物理移动的小文件,软盘的读写是用过软驱也就是软盘驱动器来完成的。

    3 光盘

        光盘是以光信息做为存储的载体并用来存储数据的一种物品。分不可擦写光盘,如CD-ROM、DVD-ROM等;和可擦写光盘,如CD-RW、DVD-RAM等。
        光盘是利用激光原理进行读、写的设备,是迅速发展的一种辅助存储器,可以存放各种文字、声音、图形、图像和动画等多媒体数字信息。

        光盘定义:即高密度光盘(Compact Disc)是近代发展起来不同于完全磁性载体的光学存储介质(例如:磁光盘也是光盘),用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息,又称激光光盘。

    4 U盘

        U盘,全称USB闪存盘,英文名“USB flash disk”。 [1]  它是一种使用USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品,通过USB接口与电脑连接,实现即插即用。 [1] 

        U盘的称呼最早来源于朗科科技生产的一种新型存储设备,名曰“优盘”,使用USB接口进行连接。U盘连接到电脑的USB接口后,U盘的资料可与电脑交换。而之后生产的类似技术的设备由于朗科已进行专利注册,而不能再称之为“优盘”,而改称谐音的“U盘”。 [1]  后来,U盘这个称呼因其简单易记而因而广为人知,是移动存储设备之一。现在市面上出现了许多支持多种端口的U盘,即三通U盘(USB电脑端口、iOS苹果接口、安卓接口)。

    (五)缓存

        缓存就是数据交换的缓冲区(称作Cache),当某一硬件要读取数据时,会首先从缓存中查找需要的数据,如果找到了则直接执行,找不到的话则从内存中找。由于缓存的运行速度比内存快得多,故缓存的作用就是帮助硬件更快地运行。
        因为缓存往往使用的是RAM(断电即掉的非永久储存),所以在用完后还是会把文件送到硬盘等存储器里永久存储。电脑里最大的缓存就是内存条了,最快的是CPU上镶的L1和L2缓存,显卡的显存是给显卡运算芯片用的缓存,硬盘上也有16M或者32M的缓存。


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  • 1.概述 2.主存储器

    1.概述

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    2.主存储器

    2.1基本组成

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    这里没有听明白:看书P78页

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    2.2半导体芯片简介

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    10根地址线:2^10bit=1k
    20根地址线:1M
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    缺点:通过数组表示地址,内存容量过大时,经过编译后需要的地址线过多

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    通过矩阵表示地址,地址线减少一半

    2.3随机储存器(RAM)

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    这里的双稳态触发器T1-T4不懂?

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    RAM读写举例
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    经过读放大器的电频会被取反,但读写操作不影响(两次取反)

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    要求:2ms刷新128行

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    DRAM:内存条
    SRAM: cache缓存
    说出每个比较行的原理(脑海中有两个图)

    2.4 只读储存器ROM

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    2.5存储器与CPU的连接

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    增加房间里的人数

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    增加房间数

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    同时增加
    地址线与数据线增加的情况下,可以通过增加芯片数量,再适当调整结构,来增加容量

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    当MREQ为低电平时,CPU访问存储器(圆圈代表低电平有效)

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    2.6存储器的校验

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    汉明码的纠错流程
    ①根据公式确定组数
    ②算出纠错位的二进制代码
    ③纠错

    2.7提高访存速度的措施

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    通过并行访问存储器来抵消CPU访存等待时间

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    3.高速缓冲存储器

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    3.1概述

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    3.2 cache-主存的地址映射

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    如何确定已经映射?
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    距离CPU越近的cache(一级)越使用直接相连:只比较一次标记,效率高
    距离CPU越远的cache(三级)越使用直接相连:比较所有标记,效率低

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    3.4 辅助存储器【硬盘,了解】

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  • 存储器(memory)分类及区别

    万次阅读 2019-08-05 17:04:31
    RAM(Static RAM,静态随机存储器),不需要刷新电路,数据不会丢失,而且,一般不是行列地址复用的。但是他集成度比较低,不适合做容量大的内存,一般是用在处理器的缓存里面。 SRAM的速度非常快,在快速读取和刷新...

    SRAMS
    RAM(Static RAM,静态随机存储器),不需要刷新电路,数据不会丢失,而且,一般不是行列地址复用的。但是他集成度比较低,不适合做容量大的内存,一般是用在处理器的缓存里面。
    SRAM的速度非常快,在快速读取和刷新时能够保持数据完整性。SRAM内部采用的是双稳态电路的形式来存储数据。所以SRAM的电路结构非常复杂。制造相同容量的SRAM比DRAM的成本高的多。正因为如此,才使其发展受到了限制。因此目前SRAM基本上只用于CPU内部的一级缓存以及内置的二级缓存。仅有少量的网络服务器以及路由器上能够使用SRAM。

    DRAM
    Dynamic RAM,动态随机存取存储器,每隔一段时间就要刷新一次数据,才能保存数据。而且是行列地址复用的,许多都有页模式。SDRAM是其中的一种。

    SDRAM
    SDRAM(Synchronous DRAM,同步动态随机存储器),即数据的读写需要时钟来同步。其存储单元不是按线性排列的,是分页的。
    DRAM和SDRAM由于实现工艺问题,容量较SRAM大。但是读写速度不如SRAM。
    一般的嵌入式产品里面的内存都是用的SDRAM。电脑的内存也是用的这种RAM,叫DDR SDRAM,其集成度非常高,因为是动态的,所以必须有刷新电路,每隔一段时间必须得刷新数据。
     

    总结:

    SRAM保存数据是靠晶体管锁存的,DRAM保存数据靠电容充电来维持。SRAM的工艺复杂,生产成本高,所以贵,容量比较大的RAM我们都选用的是DRAM。而且SRAM速度较快。

     

    PROM
    可编程只读存储器,只能写一次,写错了就得报废,现在用得很少了,好像那些成本比较低的OPT单片机里面用的就是这种存储器吧。

    EPROM  
    EPROM(Erasable Programmable ROM,可擦除可编程ROM)芯片可重复擦除和写入,解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。
    通过紫外光的照射擦出原先的程序,是一种通用的存储器

    EEPROMEEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM,电可擦可编程只读存储器)

    是通过电子擦除,价格很高,写入时间很长,写入很慢

     

    闪存(Flash)        
    闪存(FLASH)是一种非易失性存储器,即断电数据也不会丢失。因为闪存不像RAM(随机存取存储器)一样以字节为单位改写数据,因此不能取代RAM。   

    NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样,用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码,这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。 
    NAND Flash没有采取内存的随机读取技术,它的读取是以一次读取一块的形式来进行的,通常是一次读取512个字节,采用这种技术的Flash比较廉价。 用户不能直接运行NAND Flash上的代码,因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flash以外,还用一块小的NOR Flash来运行启动代码。 
    一般小容量的用NOR Flash,因为其读取速度快,多用来存储操作系统等重要信息。 
    而大容量的用NAND FLASH,最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC(Disk On Chip)和我们通常用的”闪盘”,可以在线擦除。 

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  • 计算机组成原理学习笔记 -- 第四章 -- 存储器: (1) 概述 (2) 主存储器 (3) 高速缓冲存储器 (4) 辅助存储器

    本章知识框架:
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    一、概述

    1. 存储器分类

    按存储介质分类:

    • 半导体存储器 :分为TTL、MOS (断电信息易失)

    • 磁表面存储器:磁头、载磁体 (非易失)

    • 磁芯存储器:硬磁材料、环状元件 (非易失)

    • 光盘存储器:激光、磁光材料 (非易失)

        实际上是三类:半导体、磁、光
      

    按存取方式分类:

    • 随机存储器(RAM) (在程序的执行过程中可读可写) 存取时间与物理地址无关(随机访问)
    • 只读存储器(ROM) (在程序的执行过程中只读) (随机访问)
    • 顺序存取存储器:磁带 存取时间与物理地址有关(串行访问)
    • 直接存取存储器(DMA):磁盘 (串行访问)

    按在计算机中的作用分类:

    {{RAM{RAMRAMROM{MROMPROMEPROMEEPROMFlashMemory \color{maroon}存储器 \begin{cases} 主存储器&\begin{cases} RAM&\begin{cases} 静态RAM\\ \\ 动态RAM\\ \end{cases} \\\\ ROM&\begin{cases} MROM\\ PROM\\ EPROM\\ EEPROM\\ \end{cases} \\ \end{cases} \\ Flash Memory\\ \\ 高速缓存存储器\\ \\ 辅助存储器& 磁盘、磁带、光盘 \end{cases}

    2. 存储器的层次结构

    对存储器的要求是容量大、速度快、成本低,但是在一个存储器中要同时兼顾这三个方面是困难的。为了解决这方面的矛盾,目前在计算机系统中,通常采用多级存储器体系结构,即使用高速缓冲存储器CACHE、主存储器和辅助存储器三级结构,如图所示。其中磁盘、磁带、光盘为辅助存储器。
    存储器三个主要特征的关系

    主存-辅存层次:为了解决容量问题
    缓存-主存层次:为了解决速度问题
    存储器三个主要特征的关系

    	主存-辅存:虚拟存储器,地址空间为虚地址(即逻辑地址)
    	缓存-主存:主存储器,(实际上缓存是按内容查找)用到的地址为实地址(即物理地址)
    

    二、主存储器

    1. 概述

    1.1 主存的组成

    主存的基本组成有存储体、MAR、MDR、译码驱动电路、读写控制电路

    现在的存储芯片没有MAR、MDR;MAR、MDR放在了CPU里


    1.2 主存中存储单元地址分配

    不同的机器存储字长不同,为了满足字符处理的需要,常用8位进制数表示一个字节,因此存取字长都取8的倍数

    大端模式

    小端模式


    1.3 主存的技术指标

    1. 存储容量

    2. 存储速度 存取周期 > 存取时间 (因为存取周期还包括恢复时间)

    3. 存储器带宽:单位时间内写入存储器或者从存储器读出信息的最大数量
      =存储带宽=\frac {存储字长}{存取周期}

      提高存储器带宽的措施: (1)缩短存取周期 (2)增加存储字长 (3)增加存储体


    2. 半导体存储芯片

    2.1 半导体存储芯片基本结构

    如图所示,并加上电源线和地线:
    半导体存储芯片基本结构


    2.2 半导体存储芯片的译码驱动方式

    • 线选法:
      地址译码器只有一个,其输出叫字选择线,选择某个字的所有位。
      结构简单,只适用于容量不大的存储芯片。

    • 重合法
      地址译码器分为X和Y两个译码器。
      适用于容量较大的存储芯片。


    3. 随机存储器RAM

    3.1 静态RAM (SRAM)

    静态RAM(SRAM)基本电路:
    静态RAM(SRAM)基本电路

    静态RAM芯片举例:
    Intel 2114  容量:1k×4   内部存储矩阵:64×64


    3.2 动态RAM (DRAM)

    常见的动态RAM基本单元电路有三管式和单管式两种,图中左边为三管式,右边为单管式
    动态RAM(DRAM)基本电路

    动态RAM芯片举例:
    三管动态RAM Intel 1103  容量:1k×1    内部存储矩阵:32×32
    单管动态RAM 4116     容量:16k×1   内部存储矩阵:128×128


      因为动态RAM靠电容存储电荷的原理来寄存信息,电容上有电荷表示1,无电荷表示0。 而电容上的电荷一般只能维持1-2ms,所以即使电源不掉点,信息也会自动消失,因此必须在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


    3.3 动态RAM的刷新

    刷新过程的实质是先将原存信息读出,再由刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程。在一定时间内,对动态RAM的全部基本单元电路作一次刷新,这个时间叫做刷新周期(再生周期)。

    1. 集中刷新:在规定的刷新周期内,对全部存储单元集中一段时间 逐行 进行刷新。

      缺点:这种刷新方式存在“死区”。

    2. 分散刷新:把对每行的刷新分散在每个读写周期内完成。

      缺点:刷新过于频繁;虽然不存在死区,但是存取周期时间变长(分散刷新里的一个存取周期包含一个读写周期和刷新一行所用的时间),不能提高工作效率

    3. 异步刷新:分散刷新与集中刷新相结合,既克服出现“死区”,又充分利用最大刷新间隔为2ms的特点

    集中刷新异步刷新的刷新周期都是2ms,
    分散刷新的刷新周期是:行数 × (读写周期+刷新一行所需时间)


    3.4 静态RAM和动态RAM的比较

    静态RAM和动态RAM的比较

    4. 只读存储器(ROM)

    1. 掩模ROM (MROM):行列选择线交叉处有MOS管为“1”,无MOS管为“0”。

      MROM制成后不可能改变原行、列交叉处的MOS管是否存在,用户无法改变原始状态,所以只能读不能写

    2. PROM (一次性编程):熔丝断为“0”,未断为“1”。

      已断的熔丝无法恢复,所以这种ROM只能实现一次性编程,不能多次修改

    3. EPROM (多次性编程 ) :价格便宜 、集成度高

    4. EEPROM (多次性编程 ) :电可擦写、局部擦写、全部擦写

    5. Flash Memory (闪速型存储器) :价格便宜 、集成度高,电可擦写,具备RAM功能


    5. 存储容量的扩展

    5.1 位扩展(扩展字长)

    位扩展增加了存储字长,要求存储器字数与芯片上的字数相同
    位扩展

    5.2 字扩展(扩展字数)

    字扩展增加了存储单元的个数,只在字的方向上进行扩充,而位数不变。
    字扩展

    字扩展采用简单译码器或专用译码器进行扩展,常用的专用译码器有:
    2:4线译码器74139、3:8线译码器74138、4:16线译码器4067 等


    5.3 字位全扩展

    先进行位扩展,再进行字扩展
    字位全扩展

    5.4 CPU与存储器的连接

    CPU与存储器的连接要注意:

    1. 地址线的连接:CPU地址线的低位与存储芯片的地址线相连,CPU地址线的高位做扩充,如做片选信号
    2. 数据线的连接:分为字扩展和位扩展两种情况
    3. 读/写命令线的连接
    4. 片选线的连接
    5. 合理的选择芯片:通常选用ROM存放系统程序,选用RAM存放用户程序

    CPU与存储器连接习题的答题步骤:

    1. 第一步,先将十六进制地址范围写成二进制地址码,并确定其总容量
    2. 第二步,根据地址范围的容量以及该范围在计算机系统中的作用,确定芯片的数量及类型
    3. 第三步,分配地址线
    4. 第四步,确定片选信号
      例题:
      CPU与存储器的连接示例

    6. 提高访存速度的措施

    随着计算机领域的不断扩大,处理的信息越来越多,对存储器的工作速度和容量要求就越来越高。此外,CPU的功能不断增强,I/O设备的数量不断增多,导致主存的存取速度成为计算机系统的瓶颈,因此,提高访存速度已经成为迫不及待的任务。

    • 采用高速元件
    • 采用层次结构:Cache-主存
    • 调整主存结构

    本节讲 调整主存结构

    6.1 单体多字系统

    单体多字系统:增加存储器的带宽

    特点:由于程序和数据在存储体内是连续存放的,因此CPU访存取出的信息也是连续的,在一个存取周期内可按地址读出4×W位的指令或数据,使主存带宽提高到4倍。但是采用这种办法的前提是:指令和数据在主存内必须是连续存放的,一旦遇到转移指令,或者操作数不能连续存放,这种办法的效果不太明显。

    6.2 多体并行系统

    多体并行系统就是采用多体模块组成的存储器。每个模块有相同的容量和存取速度,各模块各自都有独立的地址寄存器、数据寄存器、地址译码器、驱动电路和读写电路,它们能并行工作也能交叉工作。并行工作即同时访问N个模块,同时启动,同进读出,完全并行的工作(不过,同时读出的N个字在总线上需分时传送)。

    多体并行系统里的两种编址方式:

    • 高位交叉 顺序编址
    • 低位交叉 轮流编址

    高位交叉 顺序编址:各个体之间并行工作
    高位交叉,顺序编址

    采用这种编址方式,只要合理调动,就可以提高存储器的带宽。例如,当第一个体用以执行程序的时候,另一个体用来供外部设备进行访问。

    低位交叉 轮流编址
    低位交叉

    低位交叉的特点:采用流水方式存取
    低位交叉流水方式存取
    虽然对每个体而言,存取周期均未缩短,但由于CPU交叉访问各体、最终在一个存取周期的时间内,实际上向CPU提供了4个存储字。
    如果每模块存储字长为32位,则在一个存取周期内,存储器向CPU提供了32×4=128位二进制代码,大大加宽了存储器的带宽。

    设四体低位交叉存储器,存取周期为T,总线传输周期为τ,为实现流水线方式存取,应满足:T4τT = 4\tau
    连续读取 4 个字所需的时间为: T(41)τT+(4 -1)τ
    存取周期与总线传输周期的关系


    三、高速缓冲存储器

    缓存是为了解决CPU和主存之间的速度不匹配问题。

    1. 概述

    1.1 Cache的工作原理

      CPU读主存时,便把地址同时送给Cache和主存,Cache控制逻辑依据地址判断此字是否在Cache中,若在此字立即传送给CPU ,否则,则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU,与此同时,把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。

    • CPU与Cache/主存之间的数据传送是以字为单位
    • 主存与Cache之间的数据传送是以块为单位

    1.2 Cache的设计依据

      Cache的设计依据是程序访问的局部性原理
      通过大量典型程序的分析,发现CPU从主存取指令或取数据,在一定时间内,只是对主存局部地址区域的访问。这是由于指令和数据在主存内都是连续存放的,并且有些指令和数据往往会被多次调用,即指令和数据在主存的地址分布不是随机的,而是相对的簇聚,使得CPU在执行程序时,访存具有相对的局部性,这就称为程序访问的局部性


    1.3 命中与未命中

    因为 主存的块数 >> 缓存的块数,所以存在命中与未命中的情况。

    • 命中:主存块调入缓存,与缓存块建立了对应关系
    • 未命中:主存块未调入缓存,与缓存块未建立对应关系

    命中率:指CPU要访问的信息已经在Cache内的比率
    h=NcNc+Nm h = \frac{N_c}{N_c+N_m}

    设命中率为h,访问Cache命中的次数为Nc ,访问主存的次数为Nm ,命中率h约等于1但不可能等于1

    平均访问时间
    ta=htc+(1h)tm t_a = ht_c + (1-h)t_m

    设 tc 为命中时的Cache访问时间,tm 为未命中时的主存访问时间,1-h表示未命中率

    访问效率
    e=tcta×100%=tchtc+(1h)tm×100% e = \frac{t_c}{t_a} \times 100\% = \frac{t_c}{ht_c + (1-h)t_m} \times 100\%


    1.4 Cache的基本结构

    Cache的基本结构

    1.5 Cache的读/写操作

    读操作:
    Cache的读操作

    写操作:

    • 写直达法(全写法):写数据时既写入Cache又写入主存
    • 写回法:只把数据写入Cache不写入主存,当Cache数据被替换出去时才写回主存

    1.6 Cache的改进

    1. 增加Cache的级数
    2. 统一缓存与分立缓存

    2. Cache-主存地址的映射

    2.1 地址映射与变换

    • 地址映射:把主存块按照某种规则装入或定位到Cache中过程称为地址映射
    • 地址变换:信息按这种映像关系装入Cache后,在执行程序时,将主存地址变换成Cache地址的过程称为地址变换
    • 地址映射和变换密切相关
    • 地址映射方式有直接方式、全相联方式、组相联方式三种

    2.2 直接映射

    直接映射是一种多对一的映射关系,但一个主存块只能映射到Cache的一个特定块位置上去
    直接映射

    Cache的第 i 块和主存的第 j 块有如下函数关系:
    i = j mod m (m为Cache的总块数)

    优点:硬件实现简单,成本低。只需利用主存地址的某些位直接判断,即可确定所需字块是否在缓存中。

    缺点:不灵活,存在Cache有空行而不能存数据块的问题,即造成替换频繁,效率下降,降低了命中率。

    直接映射适合需要大容量Cache的场合(更多的行数可以减少冲突的机会)。


    2.3 全相联映射

    全相联映射中主存的各字块可映象到Cache的任一个字块
    全相联映射

    全相联映射只是一个理想的方案,原因有二:

    1. 标记位数从i位增加到n位,使Cache标记容量加大
    2. 访问Cache时,需要和Cache的全部标记进行“比较”后才能判断出所访主存地址单元的内容是否已在Cache中 。而Cache速度要求高,实际上需要采用各种措施来减少所需比较的地址数目。

    优点:灵活,Cache的命中率高。

    缺点:与直接映射相比,Cache标记的位数增多、比较的次数也增多。速度较慢,成本较高(比较器电路难以设计和实现)。

    全相联映射适用于小容量的Cache。


    2.4 组相联映射

    主存和Cache都分组,主存中一个组内的块数Cache中的分组数相同。组间采用直接映射,组内采用全相联映射。
    组相联映射

    组相联映射的特点

    1. 具有块在组中存放的灵活性——冲突少;
    2. 比较器电路不太复杂。

    n路组相联
    主存中的一块能对应到Cache中的一个特定组中的任意一块上。若组中有n个块,则称其为n路组相联

    直接映射和全相联映射都是组相联的特例
    直接映射是:1路组相联
    直接映射是:m路组相联


    3.替换算法

    当新的主存字块需要调入Cache,而Cache中可用位置又被占满时,就产生替换算法问题。

    • 先进先出(FIFO)算法:实现简单,但不能正确反映程序的局部性,因为最先进入的字块也可能是经常访问的字块,所以采用这种算法可能产生较大的失效率
    • 近期最少使用(LRU)算法
    • 随机法(RAND)

    直接映射方式不存在替换算法,因为每个主存块的映射位置都是固定的。替换算法主要是针对全相联映射和组相联映射。


    四、辅助存储器

    辅助存储器的特点:

    • 容量大
    • 成本低
    • 在断电后能保存信息(其中大部分存储介质还能脱机保存信息)

    辅助存储器主要有: 磁表面存储器和光盘存储器


    1. 磁表面存储器

    磁表面存储器是利用某些磁性材料来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。

    1.1 特点

    • 存储密度高,记录容量大,价格低;
    • 记录介质可以重复使用;
    • 记录信息可长时间保存而不致丢失;
    • 非破坏性读出,读出时不需再生信息;
    • 存取速度较低,机械结构复杂,对工作环境要求较严。

    1.2 磁记录原理

    读写原理:

    • 写入原理:写“1”和写“0”时分别在读写线圈中通以不同方向的电流,当磁头相对磁层运动时就在磁层的表面留下不同方向的磁化单元,分别代表“1”和“0”。
    • 读出原理:当磁头相对磁层运动时,磁层表面不同方式的磁化单元在读写线圈中感应出不同方向的电势,分别记为“1”和“0”。

    磁层上被磁化的小区域,称为磁化单元。

    信息的记录方式:
    是一种编码方法,把待写入的二进制信息按照某种规律变成对应的脉冲序列,这种写入电流波形的组成方式称为记录方式

    常见的记录方式:归零制(RZ)、不归零制(NRZ)、见1就翻的不归零制(NRZ1)、调相制(PM)、调频制(FM)、改进调频制(MFM)

    信息的还原:
    无论采用哪一种磁记录方式,从读出线圈读出的信号都需要经过一些变换、选通才能还原成写进去的信息


    1.3 硬盘存储器

    根据磁盘的盘体材料可分为硬磁盘和软磁盘,本节将介绍硬磁盘存储器。

    硬磁盘存储器的分类:

    • 根据磁头运动与否可分为:固定磁头磁盘、活动磁头磁盘
    • 根据盘片是否可更换可分为:可换盘片磁盘、固定盘片磁盘
    • 根据磁头是否与盘面接触可分为:接触式磁头(结构简单、价格低廉,多用于软盘)、浮动式磁头(主要应用于各类硬盘)

    温彻斯特磁盘:
      温彻斯特磁盘简称温盘,是一种可移动磁头固定盘片的磁盘存储器。是目前应用最广最具代表性的硬磁盘存储器。

      它是一种密封组合式的硬磁盘,即磁头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体,叫“头盘组合体”。工作时,高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起。优点是防尘性能好,可靠性高,对使用环境要求不高。


    1.4 硬盘的信息分布

    在硬盘中信息分布是按记录面、圆柱面、磁道、扇区层次安排的。

    基本概念:

    • 记录面:磁盘片的表面称为记录面(上下两个面都是记录面)
    • 磁道:记录面上一系列的同心圆称为磁道
    • 柱面:所有记录面上半径相等的磁道构成的集合称为圆柱面(所以圆柱面数 = 磁道数)
    • 扇区:将每一个磁道分成若干段,每段称为一个扇区

    磁道和扇区的编址:

    • 磁道的编址是从外向内依次编号。最里面的一个同心圆叫n磁道,该磁道并不用来记录信息。
    • 扇区可连续(交叉因子=1)或不连续编号。因为读一个扇区需一定时间,当读完1号扇区并处理完后,磁头已经滑过2号扇区,需等盘片转一圈才能找到2号扇区,降低传输速率。所以可采用不连续编号。

    硬盘的地址格式

    驱动器号 磁道号(圆柱面号) 记录面号(磁头号) 扇区号

    当存放信息存放不下时先改变记录面号再改变磁道号,因为改变磁道号需要移动磁头,磁头的机械运动会给存取速度带来影响


    1.5 磁盘存储器的技术指标

    存储密度:磁盘单位面积能记录的二进制信息量

    • 道密度:沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数 道密度 = 磁道数/存储区域的长度
    • 位密度:磁道单位长度上可以记录的二进制代码数(一般位密度指内圈的位密度) 位密度 = 磁道容量/内圈的周长
    • 面密度:以上两个的乘积

    存储容量:磁表面存储器可以存储的总字节数 非格式化容量 > 格式化容量

    • 格式化容量:按特定的记录格式所能存储的信息总量 格式化容量 = 记录面数 × 每面的磁道数 × 扇区数 × 记录块的字节数
    • 非格式化容量:磁记录表面可以利用的磁化单元的总数 非格式化容量 = 记录面数 × 每面的磁道数 × 磁道容量

    平均寻址时间 = 平均寻道时间 + 平均等待时间


    数据传输率:磁表面存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数。设磁盘的旋转速度为每秒n转,每条磁道的容量为N个字节,则 数据传输率Dr = nN (B/s)


    2. 光盘存储器

    光盘存储器是利用激光束在记录表面上存储信息的。和硬盘、软盘相比,光盘具有如下优点

    1. 存储密度高:光盘的线密度一般为1000bit/mm,道密度是600~700道/mm
    2. 数据传输率高:一般数据传输的速度可达每秒几兆至几十兆字节
    3. 数据保存时间长:光盘的记录介质是封在两层保护膜中的,并且激光存取过程是非接触式的,因此寿命长,数据保存时间一般在10年以上
    4. 信息位价格低:由于光盘存储密度高,每100Mb信息的成本是1美分

    但是到目前为止,光盘的工作速度还低于硬盘,可擦除重写的光盘价格仍较高

    光盘分类:

    • 只读型光盘(CD-ROM)
    • 只写一次型光盘(WORM)
    • 可擦写型光盘

    光盘中数据存放的形式:光道
    信息记录的轨迹称为光道。光道上划分出一个个扇区,它是光盘的最小可寻址单位。扇区的结构如图所示。

    扇区的结构

    ID区的MD为模式控制。用于控制数据区和校验区的使用。共有三种模式:
    模式0规定数据区和校验区的全部2336个字节都是0,这种扇区不用于记录数据;
    模式1规定288个字节的校验区为4字节的检测码、8字节的保留域和276字节的纠错码。这种扇区有2048字节的数据并有很强的检测和纠错能力,适合于计算机程序和数据。
    模式2规定288字节的校验区也用于存放数据,用于保存声音、图像等对误码率要求不高的数据。

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