第一节 存储器概述 一、存储器分类 访问方式的随机 SRAM 访问位置的随机 RAM DRAM 存 储 器 系 统 主存（内存） 第一节 存储器概述 一、存储器分类 访问方式的随机 SRAM 访问位置的随机 RAM DRAM 存 储 器 系 统 主存（内存） 半导体存储器 ROM 随机 易失 永久 辅存（外存） 磁存储器 磁盘 软盘 顺序 永久 光存储器 磁带 硬盘 闪速存储器 随机 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

二、存储器的层次结构 第一节 存储器概述 1、速度快、容量大、价格低 2、程序的局部性原理 寄存器堆 L1 Cache L2 Cache 第一节 存储器概述 二、存储器的层次结构 1、速度快、容量大、价格低 2、程序的局部性原理 寄存器堆 L1 Cache L2 Cache 主存储器 辅助存储器 CPU 内存储器 外存储器 速度快 容量小 位价格高 Cache-主存层次 主存-外存层次 L=0T L=0~2T L=2~10T L=10~100T L=100K~1MT 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第一节 存储器概述 三、存储器技术指标 1、容量：包含的存储元个数 - 位（b） - 字节（B） - 1K=210=1024 第一节 存储器概述 三、存储器技术指标 1、容量：包含的存储元个数 - 位（b） - 字节（B） - 1K=210=1024 - 1M=220=1024K - 1G=230=1024M - 1T=240=1024G 2、访问速度 - 访问一次存储器所用的时间，一般用存储周期表示 3、带宽 - 单位时间内所访问的信息量，单位一般为位/秒或字节/秒 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 D A B X Y Vcc GND 一、概述 第二节 半导体存储器 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 D A B X Y Vcc GND 一、概述 1、包括随机访问存储器（又有静态和动态之分）、只读存储器、闪速存储器和高速缓冲存储器（Cache） 2、特点是：速度快（与磁存储器相比），体积小，可靠性高 3、不同特性的半导体存储器有不同的组织和用途，下面一一介绍 二、静态随机访问（读或写）存储器（SRAM） 1、SRAM的基本存储元 X Y D - 双稳态电路，六管（T7和T8一行共用），A点的电位表示所存二进制数位 - 只有X和Y同时为高电平，该存储元才能通过D线和外界交换信息 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 CPU A B C D 2、SRAM存储器的组织 第二节 半导体存储器 2、SRAM存储器的组织 - 计算机系统的主存就是由成千上万个这种存储元组成的，每个存储元保存一位二进制数。CPU访问主存时，不但要准确地读写某个存储元，而且还不能影响别的存储元（改变其值） - CPU与存储元如何组织，才能正确访问 CPU X0 Y0 D0 X1 Y1 D1 X2 Y2 D2 X3 Y3 D3 A B C D 如CPU需要访问（读或写）B，则CPU先使X1和Y1两条线为高电平，再从D1线上读取B中的值（0或1）或将要写入的数（0或1）送上D1线，通过D1写入B存储元 满足要求，但不现实。需要减少连线 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 CPU X0 D0 A X1 D1 B X3 D3 D X2 D2 C CPU X0 D0 A X1 B X3 D 第二节 半导体存储器 分析：数据线无法再减 访问A时，X3X2X1X0=0001 访问B时，X3X2X1X0=0010 访问C时，X3X2X1X0=0100 访问D时，X3X2X1X0=1000 但实际上，X3X2X1X0四条线的高低电平组合共有16种 也即，要区别4个存储元，只需两条线即可。比如： X1X0=00，选通A X1X0=01，选通B X1X0=10，选通C X1X0=11，选通D CPU X0 D0 A X1 D1 B X3 D3 D X2 D2 C CPU X0 D0 A X1 B X3 D X2 C D线（数据线） 有效减少。如 CPU要访问C存 储元，同样先要 使X2线为高电平， 此时，由于D线 公用，为使访问 C时不影响到其 他连在同一条D 线上的存储元， 则同时要使X0， X1和X3位低点平， 才能保证正确访 问。X线数仍是 线性关系 X D A 线数与存储元 的个数仍然是 线性关系，没 有本质的改变 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 CPU A B D C D0 X0 X1 1 CPU A B D C D0 X0 X1 1 CPU A B D C 第二节 半导体存储器 CPU A B D C D0 X0 X1 1 CPU A B D C D0 X0 X1 1 CPU A B D C D0 X0 X1 1 CPU A B D C D0 X0 X1 1 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 CPU A B D C D0 A0 A1 CPU A B D C D0 A0 A1 E F H G 2-4译码器 D1 第二节 半导体存储器 CPU A B D C D0 A0 A1 称D0为数据线，当A1A0=00时选通A存储元，我们称A存储元的地址为00，A1A0为地址线。也就是说，地址也是一个二进制数，说某单元的地址是x，是指将x放到地址线上时，能唯一选通该单元，显然，地址与具体逻辑电路有关系。所以，CPU访问内存储器的过程是：无论读写，首先要在地址线上给出地址，唯一选中存储器中的一个存储单元，然后再通过数据线与该选中单元进行读或写操作 CPU A B D C D0 A0 A1 E F H G 2-4译码器 D1 以上就是存储器中存储元的一般组织方式，但如果CPU每次只访问一个存储元，显然速度太慢。我们把CPU一次能访问的存储元的个数称为一个存储单元，数据线的条数标识该值，一般称为机器字长 存储单元 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 DB AB 3、SRAM存储器实例（集成电路芯片） - Intel 2114 第二节 半导体存储器 3、SRAM存储器实例（集成电路芯片） - Intel 2114 - 芯片内部包含基本的存储元阵列，地址译码电路，读写控制电路 法 10-1024译码器 表 1 1022 DB AB 1023 1 2 3 63 62 61 60 …… 4-16译码器 6-64译码器 CS WE DB AB 15 这样译码较难实现，译码器电路复杂，线数太多 片选信号非常重要 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 z CPU 所需芯片片数=CPU能访问的存储器总容量/每个芯片能提供的容量 第二节 半导体存储器 所需芯片片数=CPU能访问的存储器总容量/每个芯片能提供的容量 依据芯片的地址线把CPU的地址线分为片内地址（一般用低位地址线）和片外地址两部分 片内地址线直接与芯片地址线相连 片外地址线经过译码与芯片的片选端相连 4、存储器芯片与CPU连接 - 一个存储器芯片的容量小于CPU能访问的存储器容量 - 主要有字扩展、位扩展和字位同时扩展 - 例1：CPU的AB=16，DB=8。SRAM芯片容量为16K*8（字扩展） z CPU 2-4 译码 器 CS D7~D0 A13~A0 A14 A15 算各片的地址范围 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 z CPU - 例2：CPU的AB=14，DB=8。SRAM芯片容量为16K*2（位扩展） CS 第二节 半导体存储器 - 例2：CPU的AB=14，DB=8。SRAM芯片容量为16K*2（位扩展） z CPU CS D1D0 A13~A0 D7~D6 D5~D4 D3~D2 D1~D0 芯片存储单元的位数小于CPU一次能访问的位数 用多个芯片中相同位置的多个存储单元来构成 地址线相同，数据线不同 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 A B C D z CPU - 例3：CPU的AB=16，DB=8。SRAM芯片容量为32K*4（字位同时扩展） CS 第二节 半导体存储器 - 例3：CPU的AB=16，DB=8。SRAM芯片容量为32K*4（字位同时扩展） z CPU CS D3D0 A14~A0 D7~D4 D3~D0 A15 A B C D 字位同时扩展 先位扩展 再字扩展 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 5、存储器的读写周期 - CPU访问一次内存储器需要一定的时间 - 读过程 • CPU发射地址→选通→读取数据 第二节 半导体存储器 5、存储器的读写周期 - CPU访问一次内存储器需要一定的时间 - 读过程 • CPU发射地址→选通→读取数据 - 写过程 • CPU发射地址→选通→写数据 - 基本的SRAM内存的访问速度可达到2ns 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

三、动态随机访问存储器（DRAM） 第二节 半导体存储器 …… 1、DRAM的基本存储元 - 通过电容是否充电表示所存信息 第二节 半导体存储器 三、动态随机访问存储器（DRAM） 1、DRAM的基本存储元 - 通过电容是否充电表示所存信息 C T D X - 电容泄漏，需要定期补偿（刷新） - 体积小，密度大，集成度高，容量大 - 刷新需要时间，与SRAM比，速度慢 - 读操作是破坏性读出，需要恢复 第0行（128个） 第1行（128个） 第126行（128个） 第127行（128个） 7-128译码 放大及缓冲区(128) …… 高位 地址 低位地址 2、DRAM存储器芯片 - Intel2116(16K*1) - 增加放大电路 - 地址引脚只一半 - 外围电路复杂 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 类型 速度 密度 容量 价格 用途 SRAM 快(3ns) 低 小 高 Cache 第二节 半导体存储器 3、DRAM存储器的刷新 - DRAM存储器必须进行刷新 - 通过读操作进行刷新（只是读操作过程的一半），按行刷新 - 刷新周期：从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器刷新 一遍为止的时间，一般为2ms - 刷新一行的时间：就是一次读操作的时间，即一个读周期 - 常用刷新方式：集中式，分散式，异步式（参见教材P84） 4、SRAM和DRAM的比较 类型 速度 密度 容量 价格 用途 SRAM 快(3ns) 低 小 高 Cache DRAM 慢(60ns) 高 大 低 主存 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 5、各种快速DRAM 第三章 存储系统 第二节 半导体存储器 5、各种快速DRAM - FPM-DRAM（快速页模式）：每一行称为一页，突发连续访问4个地址，速度为5-3-3-3。若没有突发技术，则为5-5-5-5，1995年 - EDO-RAM（扩展数据输出）：在连续访问期间允许时间重叠（参见教材P88），必须相应主板芯片支持，速度为5-2-2-2，1998年 - SDRAM（同步DRAM）：消除了异步DRAM的大部分延迟，是一种与内存总线运行同步的DRAM，速度为5-1-1-1，2000年 - DDR-SDRAM（双倍数据速率）：并不将实际时钟频率加倍，而是通过在每个传输周期里传输两次来获得加倍性能。2001年多数主板支持 - RDRAM（Rambus DRAM）：1999年出现在高端PC系统里的崭新内存设计方法，内宽外窄，多通道，低电压。Intel承诺2001年支持 - DIP（Dual Inline Package，双内联封装），SIMM（Single Inline Memory Module，单内联内存模块，30针和72针），DIMM（Dual Inline Memory Module，双内联内存模块，168针和184针），RIMM（Rambus Inline Memory Module，184针） 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 四、只读存储器和闪速存储器 五、高速半导体存储器 1、只读存储器（ROM） 第二节 半导体存储器 四、只读存储器和闪速存储器 1、只读存储器（ROM） - ROM，PROM，EPROM，EEPROM - EPROM的引脚：与RAM比，没有WE端，增加PD/PGM和Vpp 2、闪速存储器（flash） - 通过在EPROM功能基础上增加电路的电擦除和重新编程能力改造而成，高密度、非易失的随机访问（读/写）半导体存储器 五、高速半导体存储器 1、双端口存储器 - 就存储器而言，端口是指包含地址线和数据线的读写部件 - 一般存储器芯片只有一个端口。双端口，4端口和8端口 - 存在写冲突 - 价格昂贵，用于并行计算机中 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 2、多体交叉存储器 z CPU - 多体指多个存储器模块，交叉指多模块交叉编址 第二节 半导体存储器 2、多体交叉存储器 - 多体指多个存储器模块，交叉指多模块交叉编址 - 内存储器的组织结构使多体交叉很容易实现 z CPU 2-4 译码 器 CS D7~D0 A13~A0 A14 A15 速 度 慢 速度快 存储器控制部件 A15~A2 A0 A1 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第二节 半导体存储器 u 3、相联存储器 - 是一种非常重要的特殊存储器 - 一般存储器按地址访问，相联存储器按内容来访问 地址：存储单元 第二节 半导体存储器 3、相联存储器 - 是一种非常重要的特殊存储器 - 一般存储器按地址访问，相联存储器按内容来访问 地址：存储单元 x y z …… w 1 2 5000 一般存储器 地址：存 储 单 元 x y z …… w 1 2 50 a b c u 相联存储器 u 1 w - 主要用于快速查找，硬件查找，各种地址映像 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

一、Cache基本原理 第三节 Cache存储器 CPU 主存 Cache 1、Cache的功能和特点 - 由高速SRAM组成 - 容量小（1/1000），速度快（1/10），功能全由硬件实现 2、Cache的基本工作原理 CPU 主存 地址映射机制 主存地址 Cache地址 Cache - CPU访问主存时同时访问Cache - 第一次肯定不命中 ，则CPU直接访问主存，并将相应块(行)猝发式读入Cache中某块 - 第二次CPU可能直接从Cache读入(命中)，提高了速度 - 某次不命中时，调入新主存块 - 当Cache中无空闲块时，要替换 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

- 一般Cache的命中率H在90%以上，可达98% - ，较为准确 - 衡量标准最终是程序执行时间 - ，其中 - 一般Cache的命中率H在90%以上，可达98% 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

采用块概念后，地址由一维线性地址转变为二维的块号和块内地址 第三节 Cache存储器 CPU 主存地址 Cache地址 0000 0100 1000 1100 000000 000100 001000 001100 010000 010100 011000 011100 100000 100100 101000 101100 110000 110100 111000 111100 a b c d 地址 映射 机构 数据线 二、主存与Cache的地址映射 1、数据交换单位：块（行），块大小相同，块数不同 2、地址映射方法：把主存某单元如何定位到Cache某单元 3、全相联：主存的任意一块可以装入到Cache的任意一块中 0101 00 特点：块冲突率低，相对命中率高； 地址映射速度慢，使得命中时间长 a b c d 采用块概念后，地址由一维线性地址转变为二维的块号和块内地址 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第三节 Cache存储器 4、直接映射：主存某块只能被交换到Cache的特定某块中 CPU a b c d a b c d 01 01 00 地址线 Cache地址 0000 0100 1000 1100 000000 000100 001000 001100 010000 010100 011000 011100 100000 100100 101000 101100 110000 110100 111000 111100 a b c d 主存地址 数据线 目录表地址 00 01 10 11 相等？ 01 01 00 01 特点：地址映射速度快，使得命中时间短 块冲突率高，相对命中率低 a b c d 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第三节 Cache存储器 1、Cache中无空闲块时，需要替换 三、替换策略 5、组相联 - 将Cache块分成组，组内全相联，组间直接映像 - 既保证速度，又提高命中率 - 一般4路或8路组相联 三、替换策略 1、Cache中无空闲块时，需要替换 2、主要采用最近最少使用替换算法 3、替换算法全由硬件实现 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第四节 虚拟存储器 一、虚拟存储器的基本概念 CPU 1、程序的局部性原理 2、主存-辅存层次 主 存 3、基本思想 第四节 虚拟存储器 一、虚拟存储器的基本概念 1、程序的局部性原理 2、主存-辅存层次 3、基本思想 - 程序在内主存中被CPU执行 - 分段装入 - OS实现 - 逻辑地址(程序地址空间)，虚拟地址，实地址(物理地址) - 解决容量矛盾，管理存储设备 - 基本信息传送单位：页(比块大得多)、段(比页大) CPU 主 存 辅 存 用户 程序 虚存 外存 用户 程序 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第四节 虚拟存储器 二、页式虚拟存储器 1、把虚拟存储器空间分成页 第四节 虚拟存储器 二、页式虚拟存储器 1、把虚拟存储器空间分成页 2、OS把待执行程序按页装入虚存中（主要看操作系统的管理方案和当前实际的存储资源以及进程（正在执行的程序）本身的优先情况） 3、OS为每个装入虚存的程序建立一个页表，记录地址映射关系 4、OS为整个内存建立一个全局页表，记录整个内存的使用情况 5、一个程序在执行过程中可能（只能是可能）要换页 6、替换算法主要是LRU算法 7、地址映射通过页表完成 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第四节 虚拟存储器 8、页式虚拟举例 CPU 页 表 主 存 用户程序 辅 外存 用户程序1 虚存 第三章 存储系统 1 2 3 4 5 6 第四节 虚拟存储器 8、页式虚拟举例 主 存 辅 虚存 外存 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 用户程序1 用户程序 CPU 逻辑 页号 装入 位 主存 地址 物理 页 表 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第五节 外存储器 二、硬磁盘存储器 一、外存储器概述 1、相对内存而言，非易失性，非破坏性读出，容量大，速度慢 第五节 外存储器 一、外存储器概述 1、相对内存而言，非易失性，非破坏性读出，容量大，速度慢 2、磁存储器（硬磁盘，软磁盘，磁带 ），光存储器（LD，CD，VCD，DVD），半导体存储器（闪速存储器） 二、硬磁盘存储器 1、磁性存储原理 - 之前是穿孔卡片。IBM1952年磁带机，1956年硬磁盘，1971年软磁盘 - 衬底材料上沉着磁化材料，磁性颗粒的磁场初始散乱，在 磁头上施加不同方向的电流，将磁性颗粒磁化为两种稳定的剩磁状态 - 记录方式（数据编码方式）：形成不同写入电流波形的方式，主要为定时（或曰同步）。FM，MFM，RLL（游程长度受限）。教材P252 - 磁头（铁氧体磁头、金属间隙磁头、薄膜磁头、磁性电阻磁头和超级磁性电阻磁头）和记录方式是容量改善的最主要因素 - 磁头工作时和磁盘的间隙约10纳米，是人的头发的1/8000 - 1982年，找道时间>85ms到<4.2ms。150美元/兆字节到0.5美元/兆字节 硬盘驱动器的终极比喻： 早期，一架747以500公里的时速离地面几英尺高飞行 这些摩天大楼一样的磁头（长1361英尺，宽1083英尺，高330英尺）浮在一层只有5毫米厚（大约0.2英寸）的气垫上，运行速度1780万英里/小时（每秒4958英里），同时在间距只有0.98英尺的磁道上读取间隔只有0.85英寸的数据位。相当于距地球表面0.2英寸每5秒钟绕地球一次 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第五节 外存储器 2、硬磁盘组成 - 磁介质：盘片，磁头，磁道，扇区，柱面 第五节 外存储器 2、硬磁盘组成 - 磁介质：盘片，磁头，磁道，扇区，柱面 - 硬磁盘驱动器：定位驱动系统，主轴系统，数据转换系统（精密！！） - 硬磁盘控制器：是主机与硬磁盘驱动器之间的接口 1978~1989：ST506，大部分功能集中在硬盘卡上。淘汰 1983~1991：ESDI，硬盘上的功能多一些，多功能卡。淘汰 1986~现在：SCSI（小型计算机系统接口），将各类设备接入PC的通用接口（硬盘比较多）。高性能PC（工作站、网络服务器） 1986~现在：IDE（集成驱动器电路）/ATA（AT嵌入式接口），IDE是一个一般性的术语，描述驱动器与控制器集成在一起的情况。而ATA是专用于硬磁盘的IDE，其特点是将所有控制功能完全与驱动器集成在一起，用一条40芯扁平电缆与系统总线相连即可，最快100MB/sec 2001~现在：SATA（串行ATA），解决ATA信号定时，电磁接口等问题，总线速率6000M/HZ，带宽600MB/sec 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第五节 外存储器 3、硬磁盘分类 - 可移动磁头固定盘片的磁盘机 - 固定磁头磁盘机 - 可移动磁头可换盘片的磁盘机 第五节 外存储器 3、硬磁盘分类 - 可移动磁头固定盘片的磁盘机 - 固定磁头磁盘机 - 可移动磁头可换盘片的磁盘机 - 温彻斯特磁盘机：IBM研发的密封组合式的可移动磁头固定盘片的磁盘机，应用最广 4、硬磁盘性能指标 - 可靠性：MTBF (Mean Time Between Failures，故障平均间隔时间)，300000~800000小时 - S.M.A.R.T (自检测、分析和报告技术，Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology)，提供磁盘驱动器故障预测的工业标准 - 性能：平均找道时间(磁头移过全部柱面1/3的时间，10ms~20ms) 平均等待时间(7200转数/分钟，4.17ms) - 平均传输速率：50MB/sec 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第五节 外存储器 5、硬磁盘的格式化 - 低级格式化（LLF）：将磁道划分成特定数目的扇区，创建扇区之间和磁道之间的间隔，并记录扇区头部和尾部信息。并用一个特征值填充每个扇区的数据域。划分扇区时主要有：标准记录格式，分区记录格式（zoned recording） - 分区：在硬盘上创建分区可以允许硬盘支持多个独立的文件系统，每个系统都位于自己的分区里。这可以使一个硬盘驱动器运行多种操作系统，或允许一个操作系统将磁盘用作多个卷标或逻辑驱动器。每个硬盘必须至少有1个分区，最多有4个分区，每个分区可以支持相同或不同的文件系统。分区信息保存在0头0柱面第1扇区（称为主引导扇区MBR）,具体参见不同操作系统的分区程序 - 高级格式化（HLF）：操作系统创建管理磁盘上文件和数据所必需的结构，它为磁盘创建一张内容目录，每个分区有一个引导扇区，文件分配表，根目录等内容 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统

第五节 外存储器 三、光存储器 1、1984年，Philips和Sony联合开发，CD-ROM 第五节 外存储器 三、光存储器 1、1984年，Philips和Sony联合开发，CD-ROM 2、类型：CD-ROM（致密盘只读存储器），容量737MB CD-R（可刻录CD） CD-RW（可重写CD） DVD（通用数字光盘，Digital Versatile Disc），容量4.7G 可写式DVD：DVD-RAM，DVD-R，DVD-RW，DVD+RW 3、CD-ROM文件系统：ISO 9660 4、与磁存储器相比：容量小，速度慢 5、自磁存储器诞生40多年以来，磁性存储的面密度增长了5000000倍，磁性存储器的发展空间已经非常有限，而全息照相技术被称为未来最有前途的技术，该技术用激光将数据三维地写入水晶盘片或立方体 2018年11月19日星期一 第三章 存储系统