程序员考证之存储器.ppt

存储系统 康菁发 内容 层次化存储系统构成存储器的分类存储器结构Cache存储器虚拟存储技术 层次化存储系统构成 层次越高 离CPU越近 速度越快 容量越小 成本越高 层次越低 离CPU越远 速度越慢 容量越大 成本越低 存储器的性能指标 存储器的性能指标存取时间又称存储器访问时间 就是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间 具体来说 从一次操作命令发出到该操作的完成 将数据读入数据缓存冲寄存器所经历的时间 称为存储器存取时间 存储周期是指存储器连续两次访问的最小时间间隔 通常 存储周期略大于存取时间 存储器带宽指存储器的数据传送速率 即每秒传送的数据位数 存储器分类 考核知识 存储器是计算机系统的记忆设备存储容量主要单位 bit b 字节 bytes B 字 word W1B 8b 1w 32b 4B1KB 1024B 2 10 1MB 1024KB 2 20 1GB 2 30B 存储器的分类 按位置分 内存 也称为主存 用于存放程序和数据以及中间结果 速度快容量小 外存 也称为辅存 如磁盘 磁带 光盘等 速度慢容量大 主要用于存放程序运行中暂时不需要的信息 存储器的分类 按材料分 磁存储器 用磁性介质做成 如磁带 磁盘 磁鼓等 半导体存储器 如SRAM DRAM 光存储器 如光盘存储器 存储器的分类 按读写特性分 RAM 又分为SRAM和DRAM两种 DRAM 需动态刷新 SRAM 速度快 容量小 成本高 无需动态刷新 ROM 一般只能读不能写 PROM 可编程 只能写入一次 EPROM 可擦除PROM 需使用紫外线 EEPROM 用电擦除的方法做数据改写 FlashROM 类似于EEPROM 可用电信号进行删除 只是速度远快于EEPROM 存储器信息的访问方式 顺序存取 存储器的数据以记录的形式进行组织 对数据的访问必须按特定的线性顺序进行 如磁带 随机存取 每个可寻址单元都有唯一一个地址标识 系统可以在相同的时间内对任意一个单元进行访问 而与位置无关 如主存 直接存取 介于二者之间的方式 如磁盘 对磁道的寻址是随机的 而在一个磁道内 则是顺序寻址 主存的组成 地址寄存器 MAR 用于存放由地址总线提供的将要访问的存储单元的地址码 MAR的位数N决定了其可寻址的存储单元的个数M 即 M 2N地址总线 MAR的位数相同 数据寄存器 MDR 用于存放要写入存储体的数据或从存储体中读取的数据 数据线 与存储单元的位数相同 存储芯片是多少位 就有多少根数据引脚 存储体 存储体 用于存放程序或数据的存储空间 控制线路 控制读写 可以根据读写命令控制主存储器的各部分协作完成相应的操作 读操作 读出时 CPU把要读取的存储单元的地址送入MAR 经地址译码电路分析后选中主存的某一存储单元 在控制线路的作用下 将被选存储单元的内容读取到MDR中 读操作完成 写操作 写入时 CPU把要写入的存储单元的地址送入MAR 经地址译码电路分析后 选中主存的某一存储单元 在控制线路的作用下 将MDR的内容写入MAR指定的存储单元 写操作完成 反映主存性能的主要术语 存储周期 MemoryCycleTime MCT 指的是连续两次访问存储器的最小时间间隔 记作Tm 带宽 BandWidth 指存储器的数据传送速率 即每秒传送的数据位数 记作Bm 假设存储器传送的数据宽度为W位 即一个存储周期中读取或写入的位数 那么Bm W Tm b s 有关存储器扩展的计算 比如 在给定存储器芯片的条件下 要给CPU外扩一定容量的存储器 计算需要多少块这样的存储器芯片 是需要位扩充还是地址扩充 抑或二者都需要 实例 内存地址从4000H 43FFH 共有 1 内存单元 若该内存每个存储单元可以存储16个二进制位 并用4片存储器芯片构成 则芯片的容量是 2 1 A 256B 512C 1024D 2048 2 A 512 16bitB 256 8bitC 256 16bitD 1024 8bit 两种主存材料 DRAMSRAM DRAM DRAM使用晶体管和小电容组成的存储单元构成的阵列来存储信息 通过电容的充电与放电来存放0和1 由于存放在电容中的电荷会泄漏 DRAM的每一位都需要每隔几个毫秒刷新一次 以防止数据丢失 所以DRAM需要额外设计动态刷新电路 SRAM SRAM使用触发器存放0或1 只要不对它断电 数据就不会丢失 速度快 访问时间短 但因为制作成本高 故一般容量较小 Cache即使用SRAM制作 各种外存 磁带存储器磁盘存储器光盘存储器 磁带存储器 一种顺序存储设备 存取时间长 但容量大 便于携带 价格便宜 是一种主要的辅助存储器 磁带的内容需要使用磁带机来进行读取 最便宜也最慢 磁盘存储器 磁盘存储器由盘片 驱动器 控制器和接口电路组成 磁盘可以分为软盘和硬盘 以下磁盘存储器的讲解以硬盘为例 磁盘存储器 磁盘中可记录信息的磁介质表面称为记录面 一个磁盘可能有多个盘片 组成盘片组 每个盘片提供两个记录面 每个记录面上都分部着若干个同心的闭合圆环 称为磁道 数据就记录在磁道上 使用时要对磁道进行编号 按照半径缩小的方向进行编号 最外一圈称为0道 向内磁道号依次增加 为了便于记录信息 每个磁道又被分为若干段 每一个段称为一个扇区 磁盘上的数据以扇区为单位进行传送 磁盘存储器 所有记录面上相同序号的磁道构成一个圆柱面 其编号和磁道编号一样 硬盘会为每个记录面提供一个独立的磁头 文件存储在磁盘上时 会尽量放在同一圆柱面或相邻圆柱面上 这样可以减少磁头的移动 从而缩短寻道时间 立体结构 平面结构 硬盘的主要技术指标 道密度位密度存储容量非格式化容量格式化容量平均存取时间 道密度 磁道之间要保持一定的距离 沿着磁盘半径方向 单位长度内磁道的条数称为道密度 单位是道 毫米 位密度 沿着磁道圆周方向 单位长度内所存储的二进制位数 单位是 位 毫米 为简化电路设计 规定每个磁道上的记录的位数是相同的 由于各磁道的圆周长度不一 因此不同磁道上的位密度是不一样的 越靠近盘心的磁道位密度就越高 存储容量 指的是整个磁盘所能存储的二进制位信息的总量 磁盘的存储容量分为非格式化容量和格式化容量两种 非格式化容量 公式 记录面数 每个记录面上的磁道数 内圈磁道周长 位密度 注意 在非格式化状态下 磁道是存在的 但是没有扇区 格式化容量 公式 记录面数 每个盘面的磁道数 每个磁道的扇区数 每个扇区的字节数一般所说的磁盘容量指的是格式化容量 磁盘平均存取时间 指从发出读写命令开始 磁头从某一位置移动到指定位置并开始读写数据所需要的时间 它包括寻道时间和等待时间 是二者之和 磁盘平均存取时间 寻道时间 等待时间 磁盘平均存取时间 寻道时间 磁头移动到目标磁道所需要的时间 等待时间 待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间 一般用磁道旋转一周所用时间一半作为平均等待时间 可见 提高转速可以缩短磁盘存取时间 数据传输速率 指磁头找到数据的地址后 单位时间内写入或读出的字节数 数据传输率 每个扇区的字节数 每道扇区数 磁盘的转速 实例 2002年软考 某硬盘中共有9个盘片 16个记录面 每个记录面上由2100个磁道 每个磁道分为64个扇区 每个扇区为512字节 则该硬盘的存储容量为 1 磁盘的位密度随着磁道从内到外而 2 1 A 590 6MBB 9225MBC 1050MBD 1101MB 2 A 减少B 不变C 增加D 视磁盘而定 理由 每个磁道上的位数相同 而从内到外磁道周长增大 故位密度降低 光盘存储器 包括CD CD ROM DVI WORM 只写一次型光盘 EOD等 光盘利用激光束在记录表明存储信息 又根据激光束的反射光束来读出信息 保存信息长 制造成本低 但存取时间较长 光盘存储器VS磁盘存储器 光盘采用非接触式方法读 写信息 光头距光盘通常为2mm 比磁盘的头盘距离大1万倍左右 所以光盘的耐用性高 使用寿命长 光盘可靠性高 对使用环境要求低 机械震动上的问题较少 不需要特殊的防尘设备 光盘容易更换 可以做成自动换盘装置 光盘的三种读取方式 恒定角速度恒定线速度部分恒定角速度 方式1 恒定角速度 光驱主轴转速保持恒定 因而光盘的内外圈的线速度不一样 为了保持其读盘率一致 需要改变内外圈的记录密度 因主轴转速恒定 故可以直接寻址 存取时间较短 不足之处在于浪费了存储空间 所以很少在CD ROM上使用 方式2 恒定线速度 光驱主轴转速随读取位置的不同而变化 以保证光盘的内外圈的线速度一致 这样激光头适应性较高 读盘率也较高 但因为主轴速率必须不停变化 故光驱转速不能太高 方式3 部分恒定角速度 前两种方式各有缺陷 故改进以自适应转速的方式来尽可能维持最高角速度 一旦线速度过高而无法正确读出 就会自动降低转速 直到从光盘反射回的信号足够清晰 只要可能 光驱总是以全速旋转 这样在大容量和高速度之间取得了折中 Cache存储器 高速缓存 设置Cache的目的 是提高CPU数据输入输出的速率 解决CPU与存储系统速度不匹配问题 用途 设置在CPU与主存之间 完成二者的信息交换 尽量避免CPU不必要地多次直接访问慢速的主存 容量小 从几KB到几MB 速度一般比普通主存快5到10倍 实现 用SRAM实现 Cache的工作原理 使用Cache改善系统性能的理论依据是程序的局部性原理 程序的局部性原理 在任意给定的时间区域内 对不同的地址区域的访问概率是不同的 有高有低 且指令的访问概率随着距离当前执行指令的远近而变化 距离当前执行指令越近 其概率越高 反之则越低 Cache的工作原理 依据局部性原理 把主存中访问概率高的内容存入Cache 当CPU需要读取数据时首先在Cache中查找 如果有则直接从Cache中读取 如没有再从主存中读取 然后同时把该数据送往CPU和Cache 如果CPU要的内容能够在Cache中找到 则称之为访问命中 例题 在主存和CPU之间设置Cache的目的是 在CPU执行一段程序的过程中 Cache的存取次数是3800次 由主存完成的存取次数是200次 若Cache的存取周期为5ns 主存的存取周期为25ns 则Cache的命中率为 CPU的平均访问时间为 ns 分析 1 解决CPU与主存之间的速度匹配问题 2 命中率为3800 3800 200 0 95 3 CPU的平均访问时间 Cache的命中率 Cache的访问周期 1 Cache的命中率 主存的访问周期 命中率 由程序的局部性原理可知 当CPU需要主存中的数据时 多数情况下可以直接从Cache中得到 尽量少去读主存 二者之比称为命中率 显然 命中率越高越好 Cache内容的替换 随着程序的执行 访问频繁地区将逐渐迁移 Cache中的内容将逐渐变得陈旧 访问命中率下降 这时候就需要进行Cache内容的替换 替换算法的目标就是使Cache获得最高的命中率 替换算法1 随机替换算法 从Cache的各行中随机选取一行进行替换 替换算法2 先进先出算法 将最先进入Cache的信息块替换出去 此算法简单 但是最先要出去的并不意味着当前就不需要了 替换算法3 近期最少使用算法 将近期最少使用的Cache信息块替换出去 该算法较FIFO算法要好一些 但此法并不能保证过去不常用的将来也不常用 替换算法4 优化替换算法 使用这种算法之前必须先执行一次程序 统计Cache的替换情况 待有了这样的先验信息 在第二次执行该程序时便可以用更有效的方式来替换 以达到最有效的目的 虚拟存储技术 指的是用磁盘的一部分存储空间来弥补主存空间的不足 使得设计人员能够使用比主存实际容量更大的存储空间来编写和运行程序 所以 数据在磁盘和主存之间按程序运行的需要自动成批量地完成交换 接口 用于连接主机与IO设备的机构称为I O接口接口分类 按数据传送格式分 并行接口和串行接口按主机访问I O设备的控制方式分 程序查询接口 中断接口 DMA接口 通道处理机和I O处理机等接时序控制方式分 同步接口和异步接口 I 0主要功能 完成设备间的交换数据地址译码在主机与I O设备间交换数据 控制命令及状态信息等 支持主机采用程序查询 中断 DMA等访问方式进行数据的类型 格式等方向的转换提供主机和设备所需的缓冲 暂存 驱动能力 满足一定的负载要求和时序 主机与外设的连接形式 总线型 互连的基本方式 星型通道方式I O处理机方式 IO接口的编址方式 与内存统一编址 将内存地址与接口地址统一在一个公共的地址空间里 对I0接口的访问就如同对主存单元的访问一样 IO单独编址 通过专门的IO指令进行访问 接口的控制方式 CPU通过接口对外设控制的方式 程序查询方式中断处理方式DMS 直接存储器存取 方式接口的控制方式 CPU通过接口对外设控制的方式通道控制方式 程序查询方式 CPU通过I O指令询问外设当前状态 就绪 数据输入 输出否则CPU循环查询等待结构简单 少量硬件电路即可CPU速度远远高出外设 常处于等待状态 工作效率低由cpu直接控制 DMA 直接存储器存取 方式 采用专门控制器 硬件 控制内存与外设间的额数据交换 无须CPU介入 提高了CPU的工作效率DMA数据传输前向CPU申请总线控制权 CPU交出总线控制权 传输数据 结束后将控制权交回CPU实现批量传输数据 中断处理方式 外设准备就系 向CPU请求服务 CPU若响应请求则暂停当前程序执行 执行请求后 继续执行原中断的程序 CPU不再被动等待 可以满足外设的实时需求 需为每个I O设备分配中断请求信号 服务程序和中断控制器管理中断请求优先级 不足 每传送一个字符都要进行中断 启动中断控制器 保留和恢复现场 费时 工作量大 通道控制方式 通道是一种专用控制器 它通过执行通道程序进行IO操作管理 为主机与IO设备提供一种数据传输通道 常见的IO接口 磁盘接口 IDE EIDE和SCSI 总线接口 Udma 33 66 133串行接口和并行接口串口 是一次发送一位信息 远短距离传输并口 每次发送多位信息 由于需多条数据线 适合短距离高速连接Pccard接口 笔记本上常见接口 网卡 外接存储器 调制解调器 USB接口 通过hub可以扩展连接127个外设 速度快 即插即用 支持热拔插1394接口 数字摄像机等娱乐外设 是一种串行接口GPIB 通用接口总线 是专为仪器控制应用而设计的Irda红外线 4mbpsBluetooth 蓝牙1mbps 指令系统 是cpu执行指令的集合 它是计算机硬件与软件之间的接口指令格式 操作码和地址码组成 结束 谢谢 课堂练习 1 下列几种存储器中 存取周期最短的是 A 软盘B 硬盘C 光盘D 内存 不属于存储媒体 A 光盘B ROMC 硬盘D 扫描仪 2 硬磁盘的平均存取时间是指 A 硬磁盘的寻道时间B 磁头由某一磁道移到相邻磁道的时间C 磁头在某一磁道等待记录扇区的时间D 硬磁盘的寻道时间加磁头在某一磁道等待记录扇区的时间 3 构成8M 8bit的存储器 若采用128K 4bit的芯片需要 片 若采用512K 1bit的芯片 需要 片 若程序的目标代码为16384个字节 将其写到以字节编址的内存中 以10000H为首地址开始依次存放 则存放该目标程序的末地址为 4 磁盘存取时间包括寻道的时间 定位扇区的时向以及读写数据的时间 若磁盘的转速提高一倍 则 A 平均存取时间减少B 平均寻道时间减少C 存储道密度增加一倍D 平均寻道时间增加 5 虚拟存储器的作用是允许程序直接访问比内存更大的地址空间 它通常使用 作为它的一个主要组成部分 A 软盘B 硬盘C CDROMD 寄存器 6 某一双面磁盘 每面有32个磁道 每个磁道经格式化后有32个扇区 每个扇区又包含4块数据 每块数据为0 5KB 则该磁盘的容量为 MB 7 假设一个硬盘有5个盘片 共有8个记录面 转速为7200r min 盘面有效记录区域的外直径为30cm 内直径为10cm 记录位密度为350b mm 磁道密度为10道 mm 每磁道分24个扇区 每扇区512字节 试计算该硬盘的非格式化容量 格式化容量和数据传输率