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1、無雨制作 第4章 存儲(chǔ)器系統(tǒng) 一、存儲(chǔ)器分類 A、按與CPU的連接和功能分類： A、主存儲(chǔ)器（主存、內(nèi)存） B、輔助存儲(chǔ)器（輔存、外存） C、高速緩存（Cache） B、按存取方式分類： A、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）：可讀可寫 B、只讀存儲(chǔ)器（ROM）：只能讀不能寫 二、主存的組成與操作 A、（1）存儲(chǔ)元件（存儲(chǔ)元、存儲(chǔ)位） 能夠存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息的物理器件。存儲(chǔ)元是存儲(chǔ)器中最小的存儲(chǔ)單位。 （2）作為存儲(chǔ)元的條件： ① 有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的“0”、“1” 。 ② 在外界的激勵(lì)下，可寫入“0”、“1”。 ③ 能夠識(shí)別器件當(dāng)前的狀

2、態(tài)。即可讀出所存的“0”、“1”。 B、存儲(chǔ)單元 由一組存儲(chǔ)元件組成，可以同時(shí)進(jìn)行讀寫。 C、存儲(chǔ)體（存儲(chǔ)陣列） 把大量存儲(chǔ)單元電路按一定形式排列起來，即構(gòu)成存儲(chǔ)體。存儲(chǔ)體一般排列成陣列形式， 所以又稱存儲(chǔ)陣列。 D、存儲(chǔ)單元的編址 ① 按字節(jié)編址：相鄰的兩個(gè)單元是兩個(gè)字節(jié)。 ② 按字編址：相鄰的兩個(gè)單元是兩個(gè)字。 三、主存的基本組成 四、主存與CPU的連接及主存的操作 五、存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo) 1．存儲(chǔ)容量： 存儲(chǔ)容量的表示： ①在以字節(jié)為編址單位的機(jī)器中，常用字節(jié)表示存儲(chǔ)容量。 例如：4MB表示主存可容納4兆個(gè)字節(jié)信息。 ②對(duì)于存儲(chǔ)器

3、芯片，用存儲(chǔ)單元數(shù)×每個(gè)單元的位數(shù)表示。 例如：512k×16位，表示主存有512k個(gè)單元，每個(gè)單元為16位。 2．存儲(chǔ)容量的主要計(jì)量單位： 1K=1024 1M=1024K=220 1G=1024M=230 3．容量與存儲(chǔ)器地址線的關(guān)系: 1K=210 需要 10 根地址線 1M =220 需要 20 根地址線 256M =228 需要 28 根地址線 六、存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1、存儲(chǔ)器系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)通常由三級(jí)存儲(chǔ)器組成，即：Cache —— 主存 —— 輔存 2、三級(jí)存儲(chǔ)

4、層次結(jié)構(gòu) 3、多級(jí)存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu) 七、靜態(tài)RAM的工作原理及芯片結(jié)構(gòu) 1、SRAM存儲(chǔ)器芯片結(jié)構(gòu) （1）字片式結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器芯片 訪存地址僅進(jìn)行一個(gè)方向譯碼。又稱為單譯碼方式或一維譯碼方式。 （2）位片式結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器芯片 2、刷新: SRAM是靠__觸發(fā)器電路__存儲(chǔ)信息的，所存的信息表現(xiàn)為雙穩(wěn)態(tài)電路的電平，所以不需要刷新。 DRAM是靠___電容__存儲(chǔ)信息的，所存信息表現(xiàn)為電容上的電荷。由于電路中存在一定的漏電流，致使電容慢慢放電，導(dǎo)致所存信息丟失。因此必須在電容放電到一定程度 前，重新寫入信息，這一過程稱為刷新。 3、DRAM刷新方式 ① 集中

5、式刷新 ② 分散式刷新 ③ 異步式刷新 4、刷新最大周期 設(shè)存儲(chǔ)電容為C，其兩端電壓為u，電荷Q＝C?u，則泄漏電流為： ∴刷新間隔為: 若C＝0.2pf，△u＝1V，I＝0.1nA，則刷新間隔為 △t就是刷新最大間隔，即刷新最大周期。 八、半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器(ROM) 1、所需的芯片數(shù)量： 例：用2114芯片(1K×4位)組成32K×8位的存儲(chǔ)器，所需芯片數(shù)為： 2、如何把許多芯片連接起來 A、通常存儲(chǔ)器芯片在單元數(shù)和位數(shù)方面都與實(shí)際存儲(chǔ)器要求有很大差距，所以需要在字方向和位方向兩個(gè)方面進(jìn)行擴(kuò)展。 B、按擴(kuò)展方

6、向可分為：位擴(kuò)展、字?jǐn)U展、字和位同時(shí)擴(kuò)展。 （1）位擴(kuò)展的連接方法： ① 將各存儲(chǔ)器芯片的地址線、片選線和讀/寫線并聯(lián)。 ② 將各存儲(chǔ)器芯片的數(shù)據(jù)線分別接到數(shù)據(jù)總線的對(duì)應(yīng)位上。 例：用2114芯片構(gòu)成1K×8位的存儲(chǔ)器。 結(jié)果： （2）字?jǐn)U展的連接方式： ① 將所有芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀/寫控制線并聯(lián)。 ② 由片選信號(hào)區(qū)分被選芯片。各芯片的片選信號(hào)分別接到存儲(chǔ)器高位地址譯碼器的輸出端的相應(yīng)位上。 例：用16K×8位的芯片構(gòu)成64K×8位的存儲(chǔ)器，并寫出各芯片的地址范圍。 結(jié)果： 分析：64K×8位的存儲(chǔ)器需要16位地址線A15～A0

7、，而16K×8位的芯片的片內(nèi)地址線為14根，所以用16位地址線中的低14位A13～A0進(jìn)行片內(nèi)尋址，高兩位地址A15、A14用于選擇芯片，即選片尋址。 設(shè)存儲(chǔ)器從0000H開始連續(xù)編址，則四塊芯片的地址分配： 第一片地址范圍為：0000H～3FFFH 第二片地址范圍為：4000H～7FFFH 第三片地址范圍為：8000H～BFFFH 第四片地址范圍為：C000H～FFFFH （3）字和位同時(shí)擴(kuò)展的連接方式： ① 所有芯片的片內(nèi)地址線、讀/寫控制線并聯(lián)。 ② 不同地址區(qū)域內(nèi)（組間），同一位芯片的數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)地并接在一起，連接到數(shù)據(jù)總線

8、的對(duì)應(yīng)位上。不同位芯片的數(shù)據(jù)線分別連接到數(shù)據(jù)總線的不同位上。 ③ 同一地址區(qū)域內(nèi)（組內(nèi)），不同芯片的片選信號(hào)連在一起，接到片選譯碼器的同一輸出端；不同地址區(qū)域內(nèi)的芯片的片選信號(hào)分別接到片選譯碼器的不同輸出端。 例：用2114(1K×4位)芯片構(gòu)成4K×8位的存儲(chǔ)器。 結(jié)果： 例1:用512K*1位的存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成2MB的存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)器按字節(jié)編址)，則共需選_32_塊芯片。在這些芯片中，其中_32_塊芯片的A1地址線應(yīng)對(duì)應(yīng)地接在一起；_32_塊芯片的讀寫控制線應(yīng)接在一起；每_8_塊芯片的片選信號(hào)線應(yīng)接在一起；每_4_塊芯片的數(shù)據(jù)輸入線DIN應(yīng)接在一起。該存儲(chǔ)器地址總線至少_21_位，其

9、中_2_位用于選片尋址，_19_位用于片內(nèi)尋址。若存儲(chǔ)器按芯片容量劃分若干個(gè)地址區(qū)域且從0連續(xù)編址，則第一個(gè)地址區(qū)域的最后一個(gè)地址為__07FFFF__H，最后一個(gè)地址區(qū)域的第一個(gè)地址為_180000_H。該存儲(chǔ)器應(yīng)選擇具有_2_個(gè)輸入_4_個(gè)輸出的譯碼器用于選片，一個(gè)輸出端控制_8_塊芯片的片選信號(hào)。 例2:用256K*1位的存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成16MB的存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)器按字節(jié)編址)，則共需選512塊芯片。在這些芯片中，其中512塊芯片的A1地址線應(yīng)對(duì)應(yīng)地接在一起；512塊芯片的讀寫控制線應(yīng)接在一起；每8塊芯片的片選信號(hào)線應(yīng)接在一起；每64塊芯片的數(shù)據(jù)輸入線DIN應(yīng)接在一起。該存儲(chǔ)器地址總線至少2

10、4位，其中6位用于選片尋址，18位用于片內(nèi)尋址。若存儲(chǔ)器按芯片容量劃分若干個(gè)地址區(qū)域且從0連續(xù)編址，則第一個(gè)地址區(qū)域的最后一個(gè)地址為03FFFFH，最后一個(gè)地址區(qū)域的第一個(gè)地址為FC0000H。該存儲(chǔ)器應(yīng)選擇具有6個(gè)輸入64個(gè)輸出的譯碼器用于選片，一個(gè)輸出端控制8塊芯片的片選信號(hào)。 例3:某微機(jī)系統(tǒng)有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，地址空間安排為：16KB系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)，用ROM芯片，安排在地址最低區(qū)；接著留出16KB的設(shè)備地址空間；其后的32KB作為用戶程序區(qū)，采用RAM芯片。給定芯片如下，請(qǐng)畫出連線圖，給出各存儲(chǔ)區(qū)的地址范圍。 ROM區(qū)：16K×8位，需1片16K×8位ROM

11、芯片 RAM區(qū)：32K×8位，需2片16K×8位RAM芯片 I/O區(qū)：16K×8位，主存不應(yīng)使用 RD WR CS … A0 A13 CS DE … A0 A13 RAM ROM D7～D0 D7～D0 A15A14 A13A12………A2A1A0 00 00000000000000 00 11111111111111 0000H～3FFFH

12、 ROM區(qū) 01 00000000000000 01 11111111111111 4000H～7FFFH I/O區(qū) 10 00000000000000 10 11111111111111 8000H～BFFFH RAM區(qū)1 11 00000000000000 11 11111111111111 C000H～FFFFH RAM區(qū)2 八、 輔助存儲(chǔ)器 1、輔存主要

13、有磁表面存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器兩類。 2、磁表面存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的原理 ① 記錄介質(zhì):磁層 ② 基本原理:電磁轉(zhuǎn)換。 利用磁性材料在不同方向的磁場(chǎng)作用下，形成的兩種穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)來記錄信 息。 ③ 讀寫元件:磁頭是由高導(dǎo)磁率的材料制成的電磁鐵，磁頭上繞有讀寫線圈， 可以通過不同方向的電流。 3、磁記錄方式 ① 歸零制（RZ） 若寫入

14、“1”，則加正向?qū)懭朊}沖；若寫入“0”，則加負(fù)向?qū)懭朊}沖。每寫完一 位信息，電流歸零。 ② 不歸零制（NRZ） 若寫入“1”，則加正向?qū)懭朊}沖；若寫入“0”，則加負(fù)向?qū)懭朊}沖。寫完一位 信息后，電流不歸零。 ③ 不歸零—1制（NRZ—1） 若寫入“1”，則寫入電流改變一次方向；若寫入0”，則寫入電流方向維持不變。 不歸零—1制也稱為見1就翻的不歸零制。 ④

15、調(diào)相制（PM） A、若寫入“1” ，則在一個(gè)寫入周期中間使寫入電流從正變負(fù)（或相反）； 若寫入“0” ，則在一個(gè)寫入周期中間使寫入電流從負(fù)變正（或相反）。 B、若連續(xù)寫多個(gè)“0”或多個(gè)“1” ，則在兩個(gè)位周期交界處，寫入電流 改變一次方向。 ⑤ 調(diào)頻制（FM） A、若寫入“1” ，則在一個(gè)寫入周期中間使寫入電流改變一次方向（不管原 方向如何）；若寫入“0” ，

16、則在一個(gè)寫入周期中保持寫入電流方向不變。 B、不論寫“0”還是寫 “1”，在兩個(gè)位周期交界處，寫入電流均改變一次方 向。 ⑥ 改進(jìn)調(diào)頻制（MFM） A、若寫入“1” ，則在一個(gè)寫入周期中間使寫入電流改變一次方向（不管原 來方向如何）；若寫入“0” ，則在一個(gè)寫入周期中保持寫入電流方向不變。 B、若連續(xù)寫多個(gè)“0”，則在兩個(gè)“0”的位周期交界處，寫入電流改變一次方 向。

17、 注：結(jié)論: 寫入線圈上的電流取決于磁記錄方式和所要記錄的信息。 九、磁記錄方式的主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 1、自同步能力： A、從讀出的脈沖信號(hào)序列中提取同步時(shí)鐘信號(hào)的能力。同步能力的大小可以用R 來衡量。 B、R=最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔/最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔 比值R越大，自同步能力越強(qiáng)。 2、編碼效率 A、指每次磁層磁化翻轉(zhuǎn)所存儲(chǔ)信息的位數(shù)。 B、編碼效率η=位密度/最大磁化翻轉(zhuǎn)密度η也說明了記錄

18、一位信息的最大磁化翻 轉(zhuǎn)次數(shù)。 十、磁盤存儲(chǔ)器 1、磁盤的分類 A、按盤片材料分 硬盤：載體是金屬，容量大，速度快。 軟盤：載體是塑料，對(duì)環(huán)境要求低，價(jià)格低。 B、按磁頭與盤組分 固定頭可卸盤組 磁頭固定，每磁道一個(gè)磁頭，環(huán)境要求高，沒有磁頭運(yùn)動(dòng)，速度快。 固定頭固定盤組 活動(dòng)頭

19、可卸盤組 每個(gè)盤片一個(gè)磁頭，需運(yùn)動(dòng)尋道，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。 活動(dòng)頭固定盤組 2、記錄面（盤面）：磁盤片表面稱為記錄面。盤片的上下兩面都能記錄信息。 磁道：記錄面上一系列同心圓。每個(gè)盤片表面通常有幾十到幾百個(gè)磁道。 磁道的編址：從外向內(nèi)依次編號(hào)，最外一個(gè)同心圓叫0磁道，最里面的一個(gè)同心圓 叫n磁道，n磁道里面的圓面積不用來記錄信息。 柱面（圓柱面）：n個(gè)面上位于同一半徑的

20、磁道形成一個(gè)圓柱面。磁盤組的圓柱面 數(shù)等于一個(gè)盤面的磁道數(shù)。在讀/寫過程中，各個(gè)盤面的磁頭總是 處于同一個(gè)圓柱面上。存取信息時(shí)，可按圓柱面順序地進(jìn)行操作。 扇區(qū)：將盤面沿垂直于磁道的方向劃分成若干個(gè)扇區(qū)。 扇區(qū)的編號(hào)方法：可以連續(xù)編號(hào)，也可間隔編號(hào)。 扇段：每條磁道在扇區(qū)內(nèi)的部分稱為扇段，每個(gè)扇段存儲(chǔ)等量的信息。扇段是磁盤 信息的基本單位。由于各條磁道

21、的半徑不同，各條磁道的存儲(chǔ)密度不同。外 圈存儲(chǔ)密度低，內(nèi)圈存儲(chǔ)密度高。 扇段的記錄格式：磁盤存儲(chǔ)器的每個(gè)扇段記錄定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，讀/寫操作是以扇段為單 位一位一位串行進(jìn)行的。每一個(gè)扇段記錄一個(gè)記錄塊。 例：磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上最下兩個(gè)面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，平均尋道時(shí)間為10ms 。問： (1)共有多少柱面? (2)盤組總存儲(chǔ)容量是多少？ (

22、3)數(shù)據(jù)傳輸率多少? (4)平均尋址時(shí)間是多少？ (5)采用定長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址? (6)如果某文件長(zhǎng)度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)存儲(chǔ)面上，還是記錄在同一個(gè) 柱面上? 解：(1)共有多少柱面? 有效存儲(chǔ)區(qū)域＝16.5－11＝5.5(cm) 因?yàn)榈烂芏龋?0道/cm，所以共有40×5.5＝220道，即 220個(gè)圓柱面。 (2)盤組總存儲(chǔ)容量是多少？ 內(nèi)層磁道周長(zhǎng)為2πR＝2×3.14×11＝69.08（cm）

23、 每道信息量＝400位/cm×69.08cm＝27632位＝3454B 每面信息量＝3454B×220＝759880B 盤組總?cè)萘浚?59880B×l0＝7598800B＝7.25MB (3)數(shù)據(jù)傳輸率多少? 磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr＝r×N N為每條磁道容量，N＝3454B r為磁盤轉(zhuǎn)速，r＝2400轉(zhuǎn)/60秒＝40轉(zhuǎn)/秒 Dr＝r×N＝40×3454B＝13816B/s (4)平均尋址時(shí)間是多少？ 磁盤旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)

24、間為 平均尋址時(shí)間TA＝10ms＋25/2ms＝22.5ms 十一、高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache) 1、命中、不命中、命中率 Cache命中(hit)：CPU欲訪問的數(shù)據(jù)已在Cache中。 Cache不命中(miss)：CPU欲訪問的數(shù)據(jù)不在Cache內(nèi)。 命中率：CPU 欲訪問的信息在 Cache 中的比率。 2、 Cache 的讀寫操作 A、讀操作 B、替換算法 （1）先進(jìn)先出 （ FIFO ）算法 （2）近期最少使用（ LRU）算法 C、寫操作 如果Cache命中，會(huì)遇

25、到如何保持Cache與主存中的內(nèi)容一致的問題。 ⑴ 寫直達(dá)法：即同時(shí)寫入主存和高速存儲(chǔ)器。 寫操作時(shí)間就是訪問主存的時(shí)間，讀操作時(shí)不涉及對(duì)主存的寫操作，更新策略較 容易實(shí)現(xiàn)。 ⑵ 寫回法：只寫入高速存儲(chǔ)器并標(biāo)記該組修改過。當(dāng)淘汰該組時(shí)需將內(nèi)容寫回主存 儲(chǔ)器。 寫操作時(shí)間就是訪問 Cache 的時(shí)間，讀操作 Cache 失效發(fā)生數(shù)據(jù)替換時(shí)，被替 換的塊需寫回主存，增加了 Cache 的復(fù)雜性。 如果Cache不命中，就直接把信息寫入主存

26、，而與Cache無關(guān)。 3、 Cache – 主存的地址映射 A、直接映射：某一 主存塊 只能固定 映射到 某一 緩存塊 B、全相聯(lián)映射：某一 主存塊 能 映射到 任一 緩存塊 C、組相聯(lián)映射：某一 主存塊 只能 映射到 某一 緩存 組 中的 任一塊 例題：CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，Cache完成的存取次數(shù)為5000次，主存完成的存取次數(shù)為200次（當(dāng)Cache不命中時(shí)才啟動(dòng)主存）。已知Cache的存取周期Tc=40ns，主存存取周期Tm=160ns，求Cache的命中率，平均訪問時(shí)間和系統(tǒng)訪問效率。 1）Cache的命中率H H=Nc/（Nc+Nm）= 5000/5200≈96.2% 2）平均訪問時(shí)間TA TA=Tc+（1-H）*Tm = 40+（1-0.96）*160=46.4 3）系統(tǒng)的訪問效率E E=Tc/TA = 40/46.4 ≈ 86.2% 8