1、2020/7/15，1，第4章存儲(chǔ)系統(tǒng)、存儲(chǔ)的主要功能是存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)。它不僅用于存儲(chǔ)用戶程序，還用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)等系統(tǒng)程序。通常，主機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)稱(chēng)為內(nèi)部或主存儲(chǔ)，主機(jī)外部的存儲(chǔ)稱(chēng)為外部或輔助存儲(chǔ)。很多時(shí)候我們說(shuō)存儲(chǔ)器，實(shí)際上是指主存儲(chǔ)器，經(jīng)常用M表示。2020/7/15，2，存儲(chǔ)通常指存儲(chǔ)硬件。管理存儲(chǔ)硬件和存儲(chǔ)的軟件構(gòu)成了存儲(chǔ)系統(tǒng)。主內(nèi)存和外部?jī)?nèi)存是兩個(gè)獨(dú)立工作的內(nèi)存。主存儲(chǔ)速度高，存儲(chǔ)容量小，外部存儲(chǔ)容量大，速度低。使用硬件和軟件控制將主內(nèi)存和次內(nèi)存有機(jī)配置為滿足CPU的存儲(chǔ)容量和速度要求，從而配置存儲(chǔ)系統(tǒng)。2020/7/15，3，緩存：芯片上，芯片外，內(nèi)存，內(nèi)存：硬盤(pán)，磁盤(pán)，US

2、B磁盤(pán)，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)/云存儲(chǔ)，內(nèi)存元素？紙嗎？2020/7/15，4，內(nèi)存元素，美國(guó)物理學(xué)家王安于1950年提出了利用磁性物質(zhì)制造存儲(chǔ)器的想法。福雷斯特把這個(gè)思想變成了現(xiàn)實(shí)。為了儲(chǔ)存核心，福雷斯特需要有非常明確的磁化閾值的物質(zhì)。他找了一家在新澤西生產(chǎn)電視用鐵氧體轉(zhuǎn)換器的公司的德國(guó)老陶瓷專(zhuān)家，利用熔融鐵礦和氧化物獲得了特定的磁性。磁化的明確閾值是設(shè)計(jì)的核心。這種電線的網(wǎng)格和燈芯編織在電線網(wǎng)上，被稱(chēng)為燈芯存儲(chǔ)，相關(guān)專(zhuān)利對(duì)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)非常重要。這個(gè)方案可靠穩(wěn)定。磁化是相對(duì)永久的，因此即使系統(tǒng)斷電，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也保持不變。磁場(chǎng)能以電子的速度讀取，所以能進(jìn)行交互式計(jì)算。此外，由于是線框，因此可以訪問(wèn)存儲(chǔ)陣列的任

3、何部分。也就是說(shuō)，徐璐其他數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)上的徐璐其他位置，只要讀取該位置的一束位就可以立即訪問(wèn)。這稱(chēng)為隨機(jī)存取記憶體(RAM)，是互動(dòng)式運(yùn)算的創(chuàng)新概念。福雷斯特把這項(xiàng)專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓給了麻省理工學(xué)院，大學(xué)每年獲得1500萬(wàn)2000萬(wàn)美元。首先獲得這些專(zhuān)利許可的是IBM，IBM最終得到了在北美防衛(wèi)軍事基地設(shè)置“旋風(fēng)”的商業(yè)合同。更重要的是，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，所有大型和中型計(jì)算機(jī)也采用了該系統(tǒng)。核心存儲(chǔ)是20世紀(jì)50年代和60年代到70年代初計(jì)算機(jī)主內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)方式。2020/7/15，5，2020/7/15，6，4.1概述二進(jìn)制位。多個(gè)存儲(chǔ)組件構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元。二進(jìn)制數(shù)由多個(gè)位組成，當(dāng)一個(gè)數(shù)

4、字作為一個(gè)整體存儲(chǔ)在內(nèi)存中或從內(nèi)存中刪除時(shí)，此數(shù)字稱(chēng)為存儲(chǔ)單詞。(David aser，Northern Exposure，二進(jìn)制)地址：存儲(chǔ)設(shè)備的編號(hào)。2020/7/15，7，存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)整個(gè)單詞、半形或多個(gè)字節(jié)，從而改變單詞、字節(jié)和地址之間的尋址關(guān)系。徐璐其他尋址方式也可以獲得相應(yīng)的存儲(chǔ)組織。字節(jié)、單詞和存儲(chǔ)組織(a)單詞尋址；(b)字節(jié)尋址(C)字節(jié)尋址，2020/7/15，8，4.1.1存儲(chǔ)的性能指標(biāo)存儲(chǔ)的性能指標(biāo)是評(píng)估存儲(chǔ)優(yōu)劣的主要因素和存儲(chǔ)選擇的主要依據(jù)，主要性能指標(biāo)包括存儲(chǔ)容量、訪問(wèn)時(shí)間、可靠性、功耗和性能價(jià)格比，2000每個(gè)字節(jié)8位(位)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是由內(nèi)存芯片以一定的方

5、式組成的。內(nèi)存容量是構(gòu)成內(nèi)存的所有芯片容量的總和。2020/7/15，10，內(nèi)存芯片的容量通過(guò)地址單位數(shù)乘以每個(gè)單元的數(shù)據(jù)位計(jì)算得出。SRAM 2114，地址行數(shù)=10，地址單位數(shù)=210=1024(1k)；數(shù)據(jù)位=4，因此容量為1K4。DRAM 4164，地址線數(shù)=8，由于地址重用技術(shù)，地址線數(shù)=16，地址單元數(shù)=216=64k2根數(shù)據(jù)線表示1位數(shù)據(jù)，因此容量為64K1。EPROM 2716，地址行11個(gè)，地址單位數(shù)211=2K是。數(shù)據(jù)位=8，因此容量為2KB。2020/7/15，11，2020/7/15，12；位容量：位容量的單位是位。因此，SRAM 2114、DRAM 4164和EPRO

6、M 2716的位容量分別為4K位、64K位和16K位。存儲(chǔ)容量單位包括b(字節(jié))、KB、MB、GB和TB。它們之間的關(guān)系為1tb=1024 GB=(1024)4b=240 b 1gb=1024 MB=(1024)3b=230 b 1mb=1024 kb=(1024)2記錄和通常是MCTMAT。MCT幾乎等于MAT加上從M傳遞到CPU內(nèi)部寄存器的時(shí)間。2020/7/15，15，3使用了檢查碼以提高可靠性存儲(chǔ)。存儲(chǔ)的可靠性用平均無(wú)故障時(shí)間平均平均平均平均平均平均故障時(shí)間平均故障時(shí)間平均(Mean Time Between Failures，MTBF)表示。2020/7/15，16，4性能/價(jià)格比其

7、他用途，對(duì)M性能的要求也不同。很多情況下，使用以下公式購(gòu)買(mǎi)存儲(chǔ)：?jiǎn)挝唬涸?KB、元/MB、元/GB、2020/7/15，17，4.1.2存儲(chǔ)分類(lèi)1按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)，磁性內(nèi)存：用磁性材料涂在托架表面，主要有磁盤(pán)、磁帶、鼓。磁芯存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器光存儲(chǔ)器：利用光學(xué)原理用光學(xué)材料制造的存儲(chǔ)器稱(chēng)為光存儲(chǔ)器，主要是光盤(pán)。2020/7/15，18，半導(dǎo)體內(nèi)存雙極：訪問(wèn)速度可能很高(10ns以下)，但整合率低，功耗高，成本高，可以用作緩存(緩存)。MOS類(lèi)型：整合程度高、耗電量低、成本低，但存取速度低，通常用作主要記憶體。2020/7/15，19，2按訪問(wèn)分類(lèi)可分為RAM、SAM、DAM和ROM。1)隨機(jī)訪問(wèn)

8、內(nèi)存隨機(jī)訪問(wèn)內(nèi)存(RAM):可以隨機(jī)訪問(wèn)任何設(shè)備上的信息，訪問(wèn)時(shí)間與存儲(chǔ)的地址(位置)無(wú)關(guān)。主內(nèi)存和高速緩存通常是RAM。核心內(nèi)存也屬于隨機(jī)訪問(wèn)內(nèi)存。2020/7/15，20，2)順序訪問(wèn)存儲(chǔ)序列訪問(wèn)內(nèi)存(SAM):存儲(chǔ)信息時(shí)，必須按地址順序訪問(wèn)。因此，訪問(wèn)時(shí)間與存儲(chǔ)單元所在的存儲(chǔ)位置相關(guān)，或每個(gè)存儲(chǔ)單元的訪問(wèn)時(shí)間不同。典型的SAM是磁帶內(nèi)存和只讀光盤(pán)(CDROM)。2020/7/15，21，3)直接訪問(wèn)內(nèi)存直接訪問(wèn)內(nèi)存(DAM):兼具隨機(jī)訪問(wèn)和順序訪問(wèn)的特點(diǎn)。典型的DAM是磁盤(pán)內(nèi)存。RAM只能訪問(wèn)特定的字節(jié)，DAM和SAM都可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)區(qū)域。DAM類(lèi)似于查找道路和扇區(qū)時(shí)的RAM尋址。扇區(qū)內(nèi)訪

9、問(wèn)按順序進(jìn)行，類(lèi)似于SAM。2020/7/15，22，4)只讀內(nèi)存只讀存儲(chǔ)器(ROM):只能讀取存儲(chǔ)的信息的存儲(chǔ)。通常用于存檔不需要長(zhǎng)期更改的程序和數(shù)據(jù)。前者像ROMBIOS，后者像字符發(fā)生器。ROM可以由半導(dǎo)體材料和核心組成。2020/7/15，23，3按信息保留時(shí)間對(duì)非易失性存儲(chǔ)進(jìn)行分類(lèi)：停電后信息丟失稱(chēng)為非易失性或非永久性存儲(chǔ)。半導(dǎo)體ram之類(lèi)的。其中動(dòng)態(tài)RAM內(nèi)存(DRAM)即使斷電，存儲(chǔ)信息也需要大約2毫秒。要長(zhǎng)期存儲(chǔ)信息，必須持續(xù)更新DRAM。非易失性存儲(chǔ)：不丟失信息的永久性或非易失性存儲(chǔ)。磁內(nèi)存、光內(nèi)存、半導(dǎo)體ROM都是非易失性內(nèi)存。，2020/7/15，24，4按性能(速度/容

10、量)分類(lèi)1)寄存器內(nèi)存CPU經(jīng)常配置數(shù)十到數(shù)百個(gè)通用寄存器。它的速度與CPU一致。用于存檔要運(yùn)行的數(shù)據(jù)和指令。2)緩存(緩存)高速小容量存儲(chǔ)。速度接近CPU。CPU和M之間的緩沖內(nèi)存。用于存儲(chǔ)最常用且當(dāng)前正在運(yùn)行的命令和數(shù)據(jù)。對(duì)于PC，緩存容量通常為8256KB。2020/7/15，25，3)PC的主內(nèi)存通常為32512MB存儲(chǔ)容量。用于存檔常用程序和數(shù)據(jù)。訪問(wèn)周期大約在數(shù)百ns到數(shù)十ns之間。4)外部?jī)?nèi)存(輔助存儲(chǔ))用于存檔當(dāng)前不常用的信息，如各種軟件工具。容量非常大，達(dá)數(shù)十GB，速度慢，用作主內(nèi)存的備份和補(bǔ)充。經(jīng)常被分類(lèi)為外圍設(shè)備。此分類(lèi)方法確定存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。2020/7/15，26

11、，圖4-2存儲(chǔ)分類(lèi)表，2020/7/15，27，4.1.3存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層，以及存儲(chǔ)的三個(gè)主要功能的價(jià)格、容量和速度之間需要平衡，這是使用存儲(chǔ)分層結(jié)構(gòu)解決的，而不是僅依靠單個(gè)存儲(chǔ)部件或技術(shù)解決的。圖4-3(a)顯示了(a)發(fā)生每次降價(jià)的典型分層結(jié)構(gòu)。(b)容量增加(c)訪問(wèn)時(shí)間增加；(d)降低CPU訪問(wèn)內(nèi)存的頻率。2020/7/15，28，圖4-3存儲(chǔ)層(A)傳統(tǒng)存儲(chǔ)層(B)現(xiàn)代存儲(chǔ)層，2020/7/15，29，大、便宜、慢的存儲(chǔ)可以補(bǔ)充小、貴、快的存儲(chǔ)。這個(gè)結(jié)構(gòu)成功的關(guān)鍵是訪問(wèn)頻率的減少。如果可以根據(jù)上述第1-3項(xiàng)配置存儲(chǔ)，并且數(shù)據(jù)和說(shuō)明可以根據(jù)第4項(xiàng)分布在存儲(chǔ)上，那么顯然，此方案可以在保持給

12、定性能水平的情況下降低整體價(jià)格。2020/7/15，30、圖4-3 (b)等現(xiàn)代存儲(chǔ)的分層結(jié)構(gòu)主要以軟件形式添加分層，主要內(nèi)存的一部分可以用作緩沖區(qū)以暫時(shí)存儲(chǔ)寫(xiě)入磁盤(pán)的數(shù)據(jù)。此技術(shù)也稱(chēng)為磁盤(pán)緩存。高速緩存通過(guò)兩種方式提高性能。1、寫(xiě)入磁盤(pán)以塊的形式執(zhí)行。2.指定輸出中的某些數(shù)據(jù)可以在導(dǎo)出到磁盤(pán)之前由程序訪問(wèn)，因此可以從磁盤(pán)緩存而不是相對(duì)較慢的磁盤(pán)中快速檢索。2020/7/15，31，4.1.4存儲(chǔ)系統(tǒng)、主次存儲(chǔ)系統(tǒng)、次存儲(chǔ)系統(tǒng)，以及主內(nèi)存和次內(nèi)存(外部?jī)?nèi)存)。CPU和主內(nèi)存可以交換信息，輔助內(nèi)存和主內(nèi)存可以交換信息，但CPU不能直接與輔助內(nèi)存交換信息。2020/7/15，32，次存儲(chǔ)系統(tǒng)解決了

13、主存儲(chǔ)容量不足、成本高的缺點(diǎn)。但是，由于主內(nèi)存速度不高，速度提高受容量和成本的限制，因此無(wú)法完全解決主內(nèi)存和CPU之間的速度不匹配問(wèn)題。因此，建議了三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。2020/7/15，33，2第三個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)第三個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)，第二個(gè)硬件，緩存，主內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換，第二個(gè)硬件，硬件，軟件，軟件，硬件，軟件，軟件，軟件步驟3存儲(chǔ)系統(tǒng)基本上解決了主內(nèi)存的兩個(gè)重要問(wèn)題。主內(nèi)存輔助結(jié)構(gòu)解決了主內(nèi)存容量不足的問(wèn)題。主內(nèi)存緩存結(jié)構(gòu)解決了CPU與主內(nèi)存速度不匹配的問(wèn)題。2020/7/15，34，三階段存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，說(shuō)明：在緩存主內(nèi)存結(jié)構(gòu)中，CPU可以直接訪問(wèn)緩存信息和主內(nèi)存信息。但是，在主內(nèi)存輔助結(jié)構(gòu)中，CPU和

14、輔助內(nèi)存之間沒(méi)有直接路徑。因此，CPU不能直接訪問(wèn)輔助內(nèi)存。2020/7/15，35，3多層存儲(chǔ)系統(tǒng)，圖4-9多層存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，2020/7/15，36，4.2主存儲(chǔ)，4.2.1主存儲(chǔ)基本結(jié)構(gòu)和主存儲(chǔ)是隨機(jī)內(nèi)存，隨機(jī)內(nèi)存是存儲(chǔ)，地址解碼和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讀/寫(xiě)系統(tǒng)和計(jì)時(shí)，2020/7/15，37，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)通常為陣列結(jié)構(gòu)。圖4-11是按字母組織的二維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)單元編號(hào)為Wij。2020/7/15，38，地址和存儲(chǔ)單元之間的數(shù)量關(guān)系可以表示為：m根選擇線需要log2 m位地址，n根選擇線需要log2 n位地址，MAR的位數(shù)必須是log2m log2n log2 (Mn)、2020/7/15，3

15、9、2地址解碼驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此內(nèi)存外圍電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題是制造內(nèi)存成本的核心。設(shè)計(jì)原則：必須考慮系統(tǒng)的延遲時(shí)間必須小于指定的范圍。第二，要注意降低系統(tǒng)成本。實(shí)踐證明，陣列組織結(jié)構(gòu)適合隨機(jī)存儲(chǔ)器。2020/7/15，40，一堆尋址方式，缺點(diǎn)：存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)量大時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量太多，總存儲(chǔ)成本大大增加。2020/7/15，41，單層2D尋址方法，存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)N，地址分為Nx和Ny N=滿足NxNy Nx=Ny Nx=Ny。2020/7/15，42，輔助2D尋址，2020/7/15，43，三種存儲(chǔ)陣列尋址方法的比較，2020/7/15，44，陣列配置方法概括為兩種。將存儲(chǔ)的地址代碼分為兩個(gè)方向組，使用地址解碼器的“放大”功能將少量地址位轉(zhuǎn)換為多個(gè)選擇行，同時(shí)同步徐璐不同方向的驅(qū)動(dòng)器，使用驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)匹配技術(shù)選擇指定存儲(chǔ)設(shè)備，從而有效減少驅(qū)動(dòng)器數(shù)量并促進(jìn)存儲(chǔ)設(shè)備的擴(kuò)展。2020/7/15，45，3個(gè)陣列的基本操作，RAM邏輯塊圖，2020/7/15，46，陣列的基本操作是讀寫(xiě)操作。讀取操作是自給地址從選定的存儲(chǔ)設(shè)備中獲取信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR將其發(fā)送到中央處理器CPU。具體程序如下：MARE，E是CPU表示有效的地址。MDR(MAR)，將從指定地址的存儲(chǔ)設(shè)備讀取的信息加載到MDR中。R(MDR)、位于CPU內(nèi)部的通用寄存器r .2020/7/15，4