第四章 存储子系统 西南石油大学计算机科学学院 主讲教师 杨 梅 联系电话：15928582759 主讲教师 杨 梅 联系电话：15928582759 E－mails：961135186@qq.com

第四章 存储子系统 4.1 存储子系统概述 4.2 主存储器 4.3 辅助存储器 4.4 提高存储系统性能的一些措施 SWPU 计算机组成原理 第四章 存储子系统 存储子系统概述 4.1 主存储器 4.2 辅助存储器 4.3 提高存储系统性能的一些措施 4.4

第四章 4.4—4.6节 主要知识点： １．理解磁盘的工作原理、 磁记录方式 2、光盘的工作原理（了解） 3、提高存储系统性能的措施： SWPU 计算机组成原理 第四章 4.4—4.6节 主要知识点： １．理解磁盘的工作原理、 磁记录方式 2、光盘的工作原理（了解） 3、提高存储系统性能的措施： 掌握高速缓冲存储器的基本组成与工作原理 掌握虚拟存储器的工作原理

4.4 磁表面存储器的存储原理 4.4.1 记录介质与磁头 1.基体与磁层 2.读/写磁头 （1）软质基体与磁层 如：磁带、软盘 SWPU 计算机组成原理 4.4 磁表面存储器的存储原理 4.4.1 记录介质与磁头 1.基体与磁层 具有矩磁特性的材料， 如：氧化铁、铁镍钴合金等 （1）软质基体与磁层 如：磁带、软盘 （2）硬质基体与磁层 如：硬盘 高导磁材料，绕有线圈 2.读/写磁头 磁头：实现电 磁转换的装置

4.4 磁表面存储器的存储原理 磁层----矩磁特性 SWPU 计算机组成原理 4.4 磁表面存储器的存储原理 磁层----矩磁特性 具有矩磁特性的材料（如氧化铁、钴）的粉末用电镀工艺敷在某种基体（铝合金、陶瓷、玻璃、塑料）上，涂层很薄，约0.1um。 矩磁特性如右图 的磁滞回线

4.4.2 磁表面存储器读写原理 1. 写入 在磁头线圈中加入磁化电流（写电流），并使磁层移动，在磁层上形成连续的小段磁化区域（位单元）。 SWPU 计算机组成原理 4.4.2 磁表面存储器读写原理 1. 写入 在磁头线圈中加入磁化电流（写电流），并使磁层移动，在磁层上形成连续的小段磁化区域（位单元）。 定义： 向右为正向剩磁+Br，记为→ 局部磁化单元 载磁体 写线圈 S N I 铁芯 磁通 磁层

4.4.2 磁表面存储器读写原理 2.读出 磁头线圈中不加电流，磁层移动。单位单元的 转变区经过磁头下方时，在线圈两端产生感应电势。 SWPU 计算机组成原理 4.4.2 磁表面存储器读写原理 2.读出 磁头线圈中不加电流，磁层移动。单位单元的 转变区经过磁头下方时，在线圈两端产生感应电势。 N 读线圈 S 铁芯 磁通 磁层 运动方向 s t f e 读出信号 磁通变化 的区域 e=-dΦ/dt

将二进制代码转换成磁层中相应磁化状态的变换规律 SWPU 计算机组成原理 4.4.2 磁表面存储器读写原理 磁化状态如何表达0和1信息 磁记录方式 将二进制代码转换成磁层中相应磁化状态的变换规律

4.4.3 磁记录方式 1、磁记录方式： 选择原则:主要由以下三点决定 (1)自同步能力 (2)记录密度 (3)可靠性 磁记录方式 SWPU 计算机组成原理 4.4.3 磁记录方式 1、磁记录方式： 选择原则:主要由以下三点决定 (1)自同步能力 (2)记录密度 (3)可靠性 磁记录方式 归零制（RZ) 不归零制(NRZ) 不归零-1制（NRZ1) 群码制(GCR) 调相制(PE) 调频制(FM) 改进型调频制（M2F)

4.2.2 磁记录方式 传统磁记录方式 （1）归零制（RZ） 0 0 1 1 0 1 I t 特点： SWPU 计算机组成原理 4.2.2 磁记录方式 传统磁记录方式 （1）归零制（RZ） 写0时，给反向电流-I，写完归零； 写1时，给正向电流+I，写完归零 0 0 1 1 0 1 I t 特点： 1、简单易行，每位记录数据本身包含时钟脉冲信号，提供自同步能力 2、每写一位数据，磁层状态变换两次，记录密度低

4.2.2 磁记录方式 （2）不归零制（NRZ） 0 0 1 1 0 1 I t 特点：转变数目少，记录密度提高 SWPU 计算机组成原理 4.2.2 磁记录方式 （2）不归零制（NRZ） 写0时，维持-I不变，不归零； 写1时，维持+I不变，不归零 0 0 1 1 0 1 I t 特点：转变数目少，记录密度提高 缺点：无自同步能力，无法区分连续的0和1

4.4.3 磁记录方式 3) 不归零－１制（ＮＲＺ１） 用于早期低速磁带机 写入：写0时，维持原电流方向不变；写1时，电流方向翻转 SWPU 计算机组成原理 4.4.3 磁记录方式 3) 不归零－１制（ＮＲＺ１） 用于早期低速磁带机 写入：写0时，维持原电流方向不变；写1时，电流方向翻转 读出：没有读出信号为0，有读出信号为1 优点：产生的转变区少，同等技术条件下可缩短位单元长度，提高记录密度 缺点：无法区分连续0的个数，需增加外同步信号，限制了记录密度的提高

4.4.3 磁记录方式 4) 调相制（ＰＭ） 广泛用于磁带机中 写入：写0时，位单元中间位置电流负跳变，写1时，位单元 中间位置电流正跳变 SWPU 计算机组成原理 4.4.3 磁记录方式 4) 调相制（ＰＭ） 广泛用于磁带机中 写入：写0时，位单元中间位置电流负跳变，写1时，位单元 中间位置电流正跳变 读出：根据读出信号的相位区分0和1信号 优点：可靠性高，具有自同步能力，较NRZI的记录密度高 缺点：转变区太多，限制了记录密度的进一步提高

4.4.3 磁记录方式 5) 调频制（ＦＭ） 用于早期磁盘中 每个位单元起始处改变一次电流方向，留下一个转变区做为本位同步信号 SWPU 计算机组成原理 4.4.3 磁记录方式 5) 调频制（ＦＭ） 用于早期磁盘中 每个位单元起始处改变一次电流方向，留下一个转变区做为本位同步信号 写入： 写入0，位单元中间不变； 写入1，位单元中间改变一次方向 读出：通过分离电路，把每个位单元起始处的信号分离做为同步信号 触发单稳电路产生选通窗口，选通窗口有信号为1，无信号为0

4.4.3 磁记录方式 6) 改进调频制（Ｍ２Ｆ） 写入： 写入1，位单元中间改变电流方向，用来记录信号“1” SWPU 计算机组成原理 4.4.3 磁记录方式 6) 改进调频制（Ｍ２Ｆ） 写入： 写入1，位单元中间改变电流方向，用来记录信号“1” 写入两个以上0，交界处改变电流方向，记录“0”的个数 读出： 分离电路把每个位单元起始处的信号分离出来做为同步信号，区分0的个数； 选通窗口有读出信号，说明为“1” 优点：转变区较FM少了约一半，记录密度提高近一倍

4.2.2 磁记录方式 总结： 自同步能力。 记录密度：由记录1 位二进制信息的磁 化翻转次数决定， 翻转次数多的磁记 录密度相对低。 4.2.2 磁记录方式 总结： 自同步能力。 记录密度：由记录1 位二进制信息的磁 化翻转次数决定， 翻转次数多的磁记 录密度相对低。 记录信息的可靠性

4.6 提高存储系统性能的措施 提高存储系统性能 措施 采用高 采用层 调整主 适当的 速器件 次结构 存结构 管理措施 SWPU 计算机组成原理 4.6 提高存储系统性能的措施 提高存储系统性能 措施 采用高 速器件 采用层 次结构 调整主 存结构 适当的 管理措施

存储系统的分层结构 程序的局部性原理 • 对存储器的要求是： 容量大，速度快，成本低。 SWPU 计算机组成原理 存储系统的分层结构 • 对存储器的要求是： 如何保证分层结构在技术上的可用性？ 容量大，速度快，成本低。 • 为解决三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。 CPU CACHE 主存（内存） 辅存（外存） 程序的局部性原理

程序局部性原理 1、虚拟存储和Cache的理论依据 ——“程序的局部性原理” 时间局部性:当前正在使用的信息很可能是后面立即还要 SWPU 计算机组成原理 程序局部性原理 1、虚拟存储和Cache的理论依据 ——“程序的局部性原理” 时间局部性:当前正在使用的信息很可能是后面立即还要 用的信息,例：程序循环和堆栈操作. 空间局部性:连续使用到的信息很可能在存储空间上相邻 或相近， 如：顺序执行的程序和数据(如数组） 访问的局部性是存储系统层次结构技术可行性的基础。这样，才有可能把计算机频繁访问的信息放在速度较高的存储器中

SWPU 计算机组成原理 4.6.1 高速缓冲存储器 1、Cache的设计思想 在CPU与主存之间设置一个容量不大但速度很快的存储器 （即 Cache），存放主存中的部分内容（正被CPU频繁访问的） CPU同时访问主存和Cache，若在Cache中找到，称命中， CPU就不再访问主存。 由于程序的局部性原理，命中率会很高。从而提高了CPU访 问主存的速度。 CPU CACHE 主存（内存） 辅存（外存）

4.6.1 高速缓冲存储器 Cache层次结构及原理图 存 储 系 统 层 次 结 构 图 ALU CPU CPU 地址 映象 cache SWPU 计算机组成原理 4.6.1 高速缓冲存储器 Cache层次结构及原理图 存 储 系 统 层 次 结 构 图 ALU CPU CPU 地址 映象 cache 主存 数据总线 地址总线 通用寄存器 L1 L2 主存 存储 系统 Cache原理图 辅存

4.6.1 高速缓冲存储器 需要解决的问题 Cache内容与主存内容的映像关系 如何实现地址转换（将访存地址转换成访问Cache的地址） SWPU 计算机组成原理 4.6.1 高速缓冲存储器 需要解决的问题 Cache内容与主存内容的映像关系 如何实现地址转换（将访存地址转换成访问Cache的地址） 更新Cache内容的替换算法 Cache的读出与写入

4.6.1 高速缓冲存储器 1、地址映象 把主存与Cache均划分为若干大小相等的“页” SWPU 计算机组成原理 4.6.1 高速缓冲存储器 1、地址映象 把主存与Cache均划分为若干大小相等的“页” 地址映象是指：主存中的某一页若要复制到Cache中去， 应复制到Cache的哪一页的位置上 有三种映象方式： （1）直接映象方式 （2）全相联映象方式 （3）组相联映象方式 以缓存8KB为例，划分为16 页，每页512B； 假设主存1MB，则应划分为 2048页，每页512B

Cache的替换算法 2、替换算法 （1） 先进先出 （ FIFO ）算法 （2） 近期最少使用法（ LRU）算法 小结 不灵活 成本高 SWPU 计算机组成原理 Cache的替换算法 2、替换算法 （1） 先进先出 （ FIFO ）算法 （2） 近期最少使用法（ LRU）算法 小结 不灵活 成本高 直接 全相联 组相联 某一主存块只能固定映射到某一 缓存块 某一主存块能映到任一 缓存块 某一主存块 能 映射到某一缓存组中的任一块 折中办法

3、 Cache的读写操作 读 访问Cache 访问主存 Y N CPU发出访问地址 命中？ Cache满？ 将新的主存块 执行替换算法 SWPU 计算机组成原理 3、 Cache的读写操作 读 访问Cache 取出信息送CPU 访问主存 将新的主存块 调入Cache中 执行替换算法 腾出空位 结束 命中？ Cache满？ CPU发出访问地址 开始 Y N 命中率低

3、 Cache的读写操作 写（将信息写入主存的方法）： 标志交换法： SWPU 计算机组成原理 3、 Cache的读写操作 写（将信息写入主存的方法）： 标志交换法： 先写入Cache ，同时加入标记，直到该页的内容需从Cache中替换出来，再一次写入内存 特点：不在快速写入Cache中插入慢速写内存操作，当Cache内容与主存不一致，容易出错 写直达法： 写入Cache的同时也写入主存 特点：方法简单，但在快速写Cache中插入慢速写内存操作

4.6.1 虚拟存储器 为了扩大主存的容量，在存储管理部件（硬件）和 操作系统中的存储管理软件的支持下，将主存和辅存的 SWPU 计算机组成原理 4.6.1 虚拟存储器 为了扩大主存的容量，在存储管理部件（硬件）和 操作系统中的存储管理软件的支持下，将主存和辅存的 一部分作为一个整体，将它们的地址空间统一编址，为 用户提供一个比实际主存的容量大得多的地址空间，称 其为虚拟存储器。 主存 辅存 CPU CACHE 主存（内存） 辅存（外存）

4.6.1 虚拟存储器 1、页式虚拟存储器 页 表 要解决的问题： 虚拟存储器的三种模式： 主存与辅存空间的分区管理 SWPU 计算机组成原理 4.6.1 虚拟存储器 要解决的问题： 主存与辅存空间的分区管理 虚实之间如何映像 虚实地址的转换 主存与辅存的内容调换 虚拟存储器的三种模式： （1） 页式虚拟存储器、 （2）段式虚拟存储器 （3）段页式虚拟存储器 1、页式虚拟存储器 虚页号 页内地址 虚地址 页 表

SWPU 计算机组成原理 4.6.1 虚拟存储器 页式虚拟存储器地址转换示意图

4.6.1 虚拟存储器 Y N Y N CPU发出虚地址地址 在主存？ 主存满？ 实页号 页内地址 中断程序： 辅存调入主存 执行替换算法 SWPU 计算机组成原理 4.6.1 虚拟存储器 开始 CPU发出虚地址地址 形成页表地址 Y N 缺页中断 在主存？ Y 主存满？ 实页号 页内地址 N 中断程序： 辅存调入主存 执行替换算法 腾出空位 访问内存单元 访问内存单元 结束

SWPU 计算机组成原理 4.6.1 虚拟存储器 2、段式虚拟存储器

SWPU 计算机组成原理 4.6.1 虚拟存储器 3、段页式虚拟存储器地址转换示意图

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