多级结构的存储器系统.docx
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多级结构的存储器系统
第5章多级结构的存储器系统
概述
主存储器，又称内存储器，是传统计算机硬件系统的五大功能部件之一，用于存储处在运行中的程序和相关数据,其容量与读写速度等指标，对计算机总体性能有重大影响。
因此,在现代的计算机系统中，通常总是采用由三种运行原理不同，性能差异很大的存储介质分别构建高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器，再将它们组成三级结构的统一管理、调度的一体化存储器系统。
在三级结构的体系中，由高速缓冲存储器缓解主存读写速度慢，不能满足CPU运行速度需要的矛盾；用虚拟存储器（快速磁盘上的一片存储区）更大的存储空间，解决主存容量小，存不下更大程序与更多数据的难题。
显而易见，三级结构的存储器系统，是围绕主存储器来组织和运行的,就是说，设计与运行程序是针对主存储器进行的，充分表明了主存储器在计算机系统中举足轻重的地位。
本章将首先介绍多级存储器系统的基本组成，各级存储器所用介质的特性，多级结构存储器结构应满足的原则，以及它得以高效运行的原理；接下来讲解主存储器设计的基本概念。
在外存设备中，主要介绍磁盘存储器，然后介绍磁盘阵列与容错技术中的主要概念性知识。
在高速缓冲存储器一节，主要介绍高速缓冲存储器的构成、功能，以及运行原理。
此外，还应该了解它的3种基本映像构成方式的基本知识。
学习目标
1．要求了解三级结构的存储器系统的基本概念
2．掌握主存的组成与设计的基本知识
3．要求理解磁盘设备的组成与运行原理
4．了解磁盘阵列与容错技术中的主要概念
5．掌握高速缓冲存储器CACHE的工作原理
6．要求了解TEC-2000教学计算机主存储器的组成
学习指导
1．对本章的学习主要了解为什么要使用多级结构来构建存储器系统，并以此为线索，了解主存储器、高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本内容。
主存储器要求掌握容量与读写速度等指标的概念，存储器设计中的字、位扩展技术，存储器与CPU的连接关系等内容。
关于磁盘、磁带和光盘等存储设备，则属于概念和一般了解的知识比较多。
在了解高速缓冲存储器的功能和基本运行原理的基础上，重点应该从概念上比较、理解Cache的全相联映像、直接映像和多路组相联映像三种构成方式。
而在了解虚拟存储器的功能和概念的基础上，仅需要了解段式和页式两种管理方案，虚拟存储器的硬件组成和把逻辑地址转换为内存实际地址的办法。
对本节内容应在学习中强调学习掌握基本原理和概念。
2．认真了解本章要求达到的学习目标有哪些。
3．本章在“视频课堂”中安排了2讲视频教学内容，包括：
主存储器概述、高速缓存工作原理。
同学们可以根据需要观看。
4．本章在“自我测试”中还安排了一些测试内容，同学们学完后应该进行相关的自我测试，以便了解自己对知识点掌握的程度。
5．利用网络课程学习，不同于我们一般的课堂教学。
因为网络课程的学习内容是按各章知识点安排的，所以在学习中，我们特别强调要掌握本章的知识结构——知识树，如图所示。
而且要学会利用“课程索引”寻找相关的内容。
单元1 三级结构的存储器系统
学习目标
1．了解三级结构存储器系统的基本组成
2．了解三级结构的存储器系统的工作原理
知识点1采用多级结构的存储器系统的基本思想
随着计算机技术的发展，人们对计算机系统整体性能的要求越来越高。
要求存储容量大，存取速度快。
而且成本价格要低。
但这些要求往往互相矛盾，彼此制约，很难在同一个存储器中同时满足它们。
因此，在计算机系统中，常采用几种不同类型的存储器，构成多级存储体系，利用各级存储器的特点来适应不同层次的需要。
实现方法：
采用多级存储器（三级）把要用的程序和数据，按其使用的急迫程度分段调入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由硬软件系统统一调度管理。
即采用高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器组成统一管理与调度的三级结构的存储器系统，如图5－1所示。
图5－1
在这种三级结构的存储器系统，主存储器读写速度尚可、存储容量适中，高速缓冲存储器读写速度快、存储容量小，它介于CPU与主存储器之间，缓解主存读写速度慢、不能满足CPU运行速度需要的矛盾。
虚拟存储器存储空间大，读写速度慢，用它解决主存容量小、存不下规模更大的程序与更多数据的矛盾。
从而使整个存储器系统形成有更高的读写速度、尽可能大的存储容量、相对较低的制造与运行成本。
高速缓冲存储器使用静态存储器芯片实现，主存储器通常使用动态存储器芯片实现，而虚拟存储器则使用快速磁盘设备上的一片存储区。
前两者是半导体电路器件，以数字逻辑电路方式进行读写，后者则是在磁性介质层中通过电磁转换过程完成信息读写。
知识点2程序运行的局部性原理
三级结构存储器的运行原理是建立在程序运行的局部性原理之上的。
程序运行时的局部性原理主要表现在：
1．在一小段时间内：
最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；
2．这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；
3．指令执行顺序上：
指令顺序执行比转移执行的可能性大（大约5:
1）。
这样就有可能把要使用的程序和数据，按其使用的急迫和频繁程度，分时间段、分批量、合理地调入存储容量不同、读写速度不同的存储器部件中，并由计算机硬件、软件自动地统一管理与调度。
即是，把CPU最近一小段时间要频繁、高速使用的信息存储在高速缓冲存储器中，可以快速完成读写操作，不至于拖慢CPU的运行速度。
把那些暂时可以先不使用的信息保存在容量非常大的虚拟存储器中，用到时再从那里以更大的批量读入主存储器。
单元2主存储器部件的组成
学习目标
1．掌握主存储器组成的基本概念
2．了解TEC-2000教学计算机主存储器的组成
知识点1主存储器概述
1．主存储器组成
主存储器是计算机硬件系统中的五大功能部件之一，用于存放正在运行中的程序和相关数据。
主存储器通过地址总线、数据总线、控制总线与计算机的CPU和外围设备连接在一起。
如图5－2所示。
图5－2
地址总线用于选择主存储器的一个存储单元（字或字节），其位数决定了可以访问的存储单元的最大数目，称为最大可寻址空间。
数据总线用于在计算机各功能部件之间传送数据，数据总线的位数（总线的宽度），与总线时钟频率的乘积，正比于该总线所支持的最高数据吞吐（输入/输出）能力。
控制总线用于指明总线的工作周期类型和本次入/出完成的时刻。
总线的工作周期可以包括主存储器读周期，主存储器写周期，I/O设备读周期，I/O设备写周期，即区分要用哪个部件（主存或I/O设备）和操作的性质（读或写）；还有直接存储器访问（DMA）总线周期等。
从实现的读写操作功能区分，主存储器可以由只读存储区（ROM）和读写存储区（RAM）两部分组成，是分别采用ROM和RAM存储器芯片实现的。
ROM存储区用来储存内容固定不变的程序和数据，例如操作系统的内核部分，系统刚加电时运行的硬件诊断程序等。
从所用的半导体生产工艺区分，存储器芯片又可以分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM两种类型。
由于动态存储器集成度高，生产成本低，被广泛地用于实现要求更大容量的主存储器。
静态存储器读写速度快，生产成本高，通常多用其实现容量可以较小的高速缓冲存储器。
2．主存储器性能指标
主存储器涉及的主要性能指标是：
读写速度和存储容量。
读写速度，通常用读、写一个存储单元必需的时间度量，例如60nS。
连续两次读写必须的时间间隔被称为存储周期，考虑到线路恢复的延迟问题，它应略大于一次主存读、写所用的时间。
存储容量，通常用构成存储器的字节（8bits）数或字数表述，一个存储字通常由2、4、8个字节组成。
多数计算机都能在逻辑上同时支持按字或字节读写主存储器。
3．主存储器的工作过程
主存储器的工作过程可以分成读出与写入两种操作。
简要工作过程如图5－3所示。
图5－3
知识点2教学计算机的主存储器组成
教学计算机的内存储器用静态存储器芯片实现,由8K字的ROM区和2K字的RAM区组成。
内存字长16位,按字寻址方式读写。
实现中选用的是每片8192个存储单元,每个单元8位长度的58C65（ROM）芯片，每片2048个存储单元、每个单元8位长度6116（RAM）静态存储器芯片。
为组成16位的存储器，必须用两片芯片完成存储器的字长扩展；为达到10K的内存容量，还必须用两片芯片实现存储器的存储单元数量扩展。
也就是说，用两片58C65芯片组成8K字的ROM存储区，地址分配在0-8191范围内，用两片6116芯片组成2K字的RAM存储区,地址分配在8000-8范围内。
具体设计如图5－4所示。
图5－4
教学计算机采用单总线结构，16位的地址总线，16位的数据总线和简化的控制总线。
考虑到扩展内存容量，扩展的输入/输出接口，中断和DMA接口等教学实验的实际需要，电路板上设置了一些接线插孔，出于教学机本身的器件安全需要，通过两片74LS245器件把数据总线隔断为内部总线IB与外部总线DB两部分。
地址总线（记为AB15-AB0）统一由地址寄存器AR驱动,而地址寄存器只接收由ALU输出的信息。
地址总线要提供读写内存用的16位的地址，读写输入/输出接口用的8位（地址总线低8位）的入/出端囗地址。
地址总线的位数决定了可寻址的最大内存空间，I/O端口地址的位数影响可接入系统的外设数目。
控制总线的信号主要是经一片双2-4的译码器器件74LS139给出的。
控制总线的基本功能，是用来指明总线周期的类型和本次入/出操作完成的时刻。
教学机中的基本总线周期类型包括：
内存写、内存读、外设（接口）写、外设（接口）读四类。
分别用/MMW、/MMR、/IOW、/IOR四个信号标记，还用/MMREQ和/IOREQ区分是内存工作还是外设工作。
数据总线是在计算机各功能部件之的完成数据传送的线路，它的工作速度（频率）和位数（宽度）决定了总线上最大的数据传送率。
出于保护教学机本身主要部件CPU的需要，把教学机的数据总线通过双向三态门电路分割成内部数据总线IB和外部数据总线DB两部分。
外部总线用于连接安装在教学机主板上的内存芯片和串行接口芯片的数据线引脚，也通过扁平电缆去连接扩展实验板上的存储器芯片和其它入/出接口芯片的数据线引脚。
内部总线除接收教学机主板上16位数据开关的输入之外，重点用于CPU内部信息传送，包括接收指令寄存器IR的低位字节的内容，状态寄存器的内容，运算器输出的运算结果的内容，中断向量寄存器的内容。
内部总线上的信息可以送往指令寄存器IR，状态寄存器，运算器的数据输入端D，和为了写控制存触器专门设置的四组寄存器LDR。
单元3 外存储器设备与磁盘阵列技术
学习目标
1．要求理解磁盘设备的组成与运行原理
2．了解磁盘阵列与容错技术中的主要概念
知识点1外存设备
1．外存设备概述
外存设备主要用于存放需联机存放但暂不使用的程序和数据。
磁盘设备是其中最主要的外存设备，也是计算机外围设备中，在提高性能、降低成本两个方面取得骄人成绩的最典型的设备。
它是利用磁表明存储技术来实现对数据的存取，目前使用最多最广的是硬磁盘和软磁盘两种类型。
2．外存设备的主要技术指标
外存设备的主要技术指标包括：
存储密度、存储容量、寻址时间、数据传输率、误码率、价格
3．磁记录原理与记录方式
●磁表面记录设备，是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时，通过一个电磁转换过程完成读写操作的。
如图5－5所示。
图5－5
磁存储器的写入过程：
当磁头前端与磁记录介质距离很近时，磁头线圈中通过电流，磁头前间隙处的漏磁将把处于附近的磁记录介质上的一小片磁性材料磁化，即写入信息。
若磁头线圈中无电流，也就不会产生漏磁，则不会对磁记录介质产生任何影响，即无写入操作。
磁存储器的读出过程：
当磁头前端与磁记录介质距离很近且高速经过时，若所经过的磁记录介质上的一小片磁性材料已被磁化，这一磁化状态将在磁头的环体内产生磁力线，从而在磁头的线圈中感应出一个脉冲电流，这表示读出了记录在磁记录介质中的一位信息。
若磁头所经过的磁记录介质上的磁性材料未被磁化，则磁头也就感应不出任何磁状态的变化，表示没有读出什么信息。
●磁记录方式是指一种编码方法，即如何将一串二进制信息，通过读写电路变换成磁层介质中的磁化翻转序列，并且可以容易、可靠地用读写控制电路实现这一转换过程。
常用的编码方式有：
1、归零制（RZ）；2、不归零制（NRZ）；3、见1就翻的NRZ；4、调相制（PM）；5、调频制（FM）；6、改进调频制（MFM）
知识点2磁盘设备的组成与运行原理
1．磁盘设备的组成
磁盘设备主要由主轴及其驱动系统、磁头及其定位系统、数据读写等控制逻辑部分组成，如图5－6所示。
图5－6
2．磁盘片上的信息组织
磁盘片是磁存储器的信息记录载体，通常使用其两个记录面，也可以把多片磁盘片组装在同一个轴上，从而构成为一个多片结构的磁盘组。
此时读这样的磁盘上的信息时，必须指出该信息在磁盘的哪个盘片的哪一记录面，具体会表现为选择多个磁头中的哪一个磁头（假定对应每个可用的盘片记录面各有一个磁头）。
在同一个磁盘记录面上，信息被写在许多个同心圆上，每个同心圆为一个磁道，不同磁道用磁道号表示，磁道间的距离为道密度。
对多片结构的磁盘组，不同记录面上的同一磁道被叫做一个柱面。
在同一个磁道上，信息被组织为固定大小的区段，称为扇区，即把一个圆周等分成若干部分，每部分就构成一个扇区，每个扇区的一个磁道，用于存储一定数目的二进制信息（如以字节数表示）。
扇区的一个磁道通常是磁盘进行读写的最小信息单位。
不同扇区用扇区号表示。
如图5－7所示。
图5－7
3．磁盘设备的运行原理
要读写磁盘上的信息，首先必须给出信息在磁盘设备上的准确位置，这个位置信息通常由哪个磁盘面（即哪一个磁头），哪一个磁道的哪一个存储区域（通常为磁道的扇区）等几部分组成。
对于写操作，当把要用的写入地址送入磁盘的地址寄存器之后，再把要写入的数据经磁盘接口送到磁盘的读写控制逻辑电路，经过编码处理），送写入驱动器再送入选定的磁头的写入线圈，把信息串行地写入选定的磁道中。
对于读操作，首先使磁头移动到由磁盘地址寄存器指定的存储区域，选中的磁头执行读操作，读出信号送读出放大器，经译码电路分离出数据脉冲，拼装成字节或字的格式送入磁盘接口。
知识点3磁盘阵列技术与容错支持
作为计算机系统外存储器的主要支柱设备，磁盘的容量、读写速度、价格和容错支持，一直是人们致力解决的问题。
1．磁盘阵列技术
一个有效途径是使用统一管理的由多个磁盘组成的磁盘阵列，通过多个磁盘设备的并行操作来提高设备总体的性能和可靠性。
通过合理地在多个磁盘之间组织数据，可以得到比较理想的容错能力。
为统一管理磁盘阵列，就要使用一块特定的接口卡（一般称为RAID卡，阵列控制卡），把组成阵列的多个物理磁盘连接为一个逻辑整体，这被称为一个逻辑磁盘。
该卡的一端被插接到高速的SCSI总线或PCI总线的插槽中，以便与计算机主机接通，另外一端有1到3个接插头，通过电缆与1到3组磁盘设备连接，每组可有串行连接在一起的1到7物理磁盘。
系统能通过该卡对连接到卡上的多个磁盘，按用户的使用要求，灵活地配置为不同的使用和容错方式。
如图5－8所示。
图5－8
2．容错方式
合理地把一个文件的内容划分为“块”并写到组成一个逻辑磁盘的多个物理磁盘中去，再采取适当的数据存储保护措施，不仅可以提高数据读写的速度，而且可以大大增加磁盘系统工作的可靠性，就是说使该磁盘系统具有很好的容错能力。
容错方式通常划分成6种模式，又经常被说成6级容错，分别叫作RAID0、RAID2…、RAID5。
常用的是RAID0、RAID1、RAID4、RAID5这4种。
已被工业界广泛接受并在一些产品中得到实际应用。
单元4 高速缓冲存储器Cache
学习目标
1．掌握高速缓冲存储器CACHE的工作原理
2．了解掌握高速缓存中的3种映像方式
知识点1高速缓冲存储器的运行原理
高速缓冲存储器，是一个相对于主存来说容量很小、速度特快、用静态存储器器件实现的存储器系统。
它的作用在于缓解主存速度慢、跟不上CPU读写速度要求的矛盾。
它的实现原理，是把CPU最近最可能用到的少量信息（数据或指令）从主存复制到CACHE中，当CPU下次再用这些信息时，它就不必访问慢速的主存，而直接从快速的CACHE中得到，从而提高了得到这些信息的速度，使CPU有更高的运行效率。
高速缓冲存储器的运行原理，主要基于如何解决主存单元与CACHE单元的对应问题。
通常使CACHE的每个存储单元由3部分内容组成。
第一部分内容，是CACHE的数据字段，保存从主存某一单元复制过来的数据内容，这是在CPU第一次从主存读出内容传送到CPU的同时，顺便将该内容写进一个选中的CACHE单元的数据字段；第二部分内容，是CACHE的标志字段，保存相应主存单元的地址信息，用它指明该CACHE单元的数据字段部分保存的数据是从哪一个主存单元复制过来的。
当程序中的一条指令要用一个主存地址读主存的某一单元时，就用这一地址来与CACHE中的各个标志字段的内容相比较，若找到某一标志字段的内容与该地址值相同，则同一CACHE单元的数据字段中的数据内容可能就是被读的数据；这表明，读CACHE时，是用CACHE单元内容的一部分（标志字段）的值（原本用于读主存的一个地址），来确定该CACHE单元另外一部分（数据字段）的内容是否就是要读的数据。
以这种原理运行的存储器被称为关联（联想）存储器。
第三部分内容，是CACHE单元的有效位字段，规定其值为1，表示该CACHE单元中的标志字段、数据字段的内容是有效的，为0，则说明该CACHE单元在此之前尚未使用，其标志字段、数据字段的内容是无效的。
有效位字段的内容，应在CACHE刚投入使用时，清每个单元的有效位为0；在一个CACHE单元被选中，且数据字段、地址字段的内容完成写入操作之后，该单元的有效位亦被置为1，表明该单元已被占用，其标志字段、数据字段的内容是有效的。
如图5－9所示。
图5－9
知识点2高速缓冲存储器的3种映像方式
在把一主存单元的数据复制到CACHE中时，还要把该主存单元的地址，经过某种函数关系处理后写进CACHE的标志字段，这一过程被称为CACHE的地址映像。
CACHE存储器通常使用3种映像方式，它们是全相联映像方式、直接映像方式、多路组相联映像方式，3种映像方式有各自的优缺点。
全相联映像方式，是指主存的一个字（字块）可以映像到整个CACHE的任何一个字（字块）中，反过来说，CACHE的一个字（字块）中，在不同时刻可能存放的是整个主存中的任何一个字（字块）中的内容，即二者的对应关系是完全随意的，没有任何强制性的限制条件。
直接映像方式，是指主存的一个字（字块）只能映像到CACHE的一个准确确定的字（字块）中，反过来说，CACHE的一个字（字块）中，在不同时刻存放的仅能是整个主存中确定的某些字（字块）中的一个字（字块）的内容，即二者的对应关系是完全硬性确定的，没有任何选择余地。
多路组相联映像方式，是对全相联映像和直接映想象的一种折衷的处理方案。
它既不是在主存和CACHE之间实现字块（字）的完全地随意对应，也不是在主存和CACHE之间的实现字块（字）的多对一的硬性对应，而是实现一种有限度的随意对应。
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