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  • 存储子系统

    存储系统的层次结构:

    ​ CPU(Cache)、主存、外存;

    主存:主要存放CPU当前使用的指令和数据。

    ​ 特点:能随机访问、工作速度快、有足够的的存储容量;

    辅存(外存):存放大量的后备程序和数据。

    ​ 特点:速度较慢,容量较大;

    高速缓冲存储器:存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序和数据,以缓解CPU和主存的速度差异。

    ​ 特点:速度非常快、容量小;

    物理存储器与虚拟存储器:

    ​ 物理存储器:物理形态上真实存在的存储器,简称为实存,其地址称为物理地址或实地址。

    ​ 虚拟存储器:虚拟存储器是一个逻辑模型,并非物理存在,基于物理存储器并靠硬件+ 操作系统的映射来实现。

    存储器的分类(按存储介质):

    半导体存储器:

    静态存储器:利用双稳态触发器的两个稳定状态存储信息,信息易失;

    动态存储器:依靠电容上的电荷暂存信息,主存。

    磁表面存储器:

    利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大,

    光盘存储器:

    利用光斑的有无/晶相等变化表示信息,容量很大,非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存。

    存储器的分类(按存取方式):

    ​ 随机存取存储器(随机存取:按地址访问存储器中的任一单元,访问时间与存储单元的地址无关);

    ​ 顺序存取存储器:访问时读/写部件按顺序查找目标地址,访问时间与数据的存储位置有关;

    ​ 直接存取存储器:访问时读/写部件先粗定位一个小区域,再在该区域内顺序寻找。

    存储器的技术指标:

    ​ 存取时间、存取周期、数据传输率;

    静态RAM:依靠存储单元中的交叉反馈电路形成互锁,通过电源对电路的持续供电以存储信息。

    动态RAM:依靠存储单元中形成的栅极电容来保存信息,不需要持续电源,因此需要定期逐行刷新。

    存储器的设计原则:

    ​ 接口协议的匹配(物理特性、功能规范、电平特性、时序逻辑等等);

    ​ 存储芯片选择;

    ​ 存储器的地址分配与地址译码;

    ​ 芯片的布局和排线;

    动态存储器的刷新:

    ​ 刷新的含义:定期向电容补充电荷 。

    ​ 原因:动态存储器依靠电容电荷存储信息,没有电源持续供电,电荷会泄露,故需定期向电容补充电荷,才能维持存储的信息不变。

    ​ 最大刷新间隔 DDR:64ms

    ​ 刷新方法:逐行刷新;

    刷新与重写的区别:

    ​ 刷新与读写操作无关,定期自动补充电荷以保持信息;重写是破坏性读出后的自动操作,以恢复原来信息。

    刷新周期的安排:

    ​ 集中刷新、分散刷新、异步刷新;

    磁表面存储器:

    存储介质与磁头:

    存储介质:磁层材料;

    读写原理:

    ​ 两种磁化方式:水平磁化垂直磁化;

    ​ 存储介质:磁层;

    ​ 读/写部件:磁头;

    ​ 数据写入:磁头线圈中加磁化电流(写入电流),磁层移动,形成连续的小段磁化区(位单元区)。

    ​ 读出数据:线圈中不加电流,磁层移动。当位单元的转变区经过磁头下方时,线圈两端会产生感应电势。

    磁记录的编码方式:

    ​ 采用某种变化规律,将一串二进制代码序列转换成记录磁层中相应的磁化状态。

    集中常见的记录方式:

    ​ 不归零 -1 制(NRZ 1)

    ​ 调相制(相位调制PM,相位编码PE)

    ​ 调频制(FM)

    ​ 改进型调频制(MFM或M^2F)

    ​ 群码制(GCR)

    磁盘存储器及其接口:

    ​ 磁盘系统包括以下几个部分:

    硬件:盘片(存储体),磁盘驱动器,磁盘控制器与接口。

    软件:主要是硬盘驱动程序,固化在ROM中。

    硬盘:适用于调用较频繁的场合,常作为主存的直接后援。

    ​ 盘片:单面或双面记录;

    ​ 盘组:多个盘片组装成1个盘组;

    ​ 磁盘整列(RAID):多个盘组形成;

    硬盘信息分布与寻址信息:

    信息分布:

    盘组:多个盘片,双面记录;

    圆柱面:各记录面上相同的序号的磁道构成一个圆柱面(圆柱面 = 道数/面)

    数据块:扇区(定长记录格式);记录块(不定长记录格式),无扇区划分;

    寻址方式:

    驱动器号 --- 圆柱面号 --- 磁头号 --- 扇区号 --- 字节序号;

    确定硬盘 确定柱面 确定磁面 定位扇区 定位字节

    记录格式(磁道的格式):

    非格式化容量

    = 盘面数 × 磁道数/面 × 内圈周长 × 内圈位密度;

    格式化容量

    = 盘面数 × 磁道数/面 × 扇区数/道 ×字节数/扇区;

    硬盘的基本操作:

    数据寻址:寻找磁道(磁头径向移动) ---- 寻找扇区(盘片旋转)

    数据读写:串行读/写 ---- 格式转换 ---- 输入/输出(DMA)

    硬盘的技术指标与校验

    记录密度:

    磁道密度:盘面上单位径向长度内的磁道数;

    位密度:磁道上单位长度可记录的比特数量;

    存储容量:

    格式化容量:通过扇区来计算;

    非格式化容量:通过位密度来计算;

    速度指标:

    平均存取时间(寻道 + 旋转)、数据传输率(带宽);

    磁表面存储器的校验

    海明校验

    循环冗余校验(CRC)

    磁盘适配器

    ​ 功能与作用:

    面向总线:提供符合总线标准的接口逻辑;

    面向磁盘驱动器:提供与磁盘驱动器匹配的接口逻辑;

    ​ 工业标准:

    SCSI、IDE、SATA等

    光学存储器

    光存储原理:

    用激光照射存储介质,使其发生某种物理化学的特性变化,据此记录信息。

    ​ 存储介质特性:形变型、相变型、磁光型;

    ​ 激光波长与焦距;

    光盘存储器:

    光道特征:每个光道也划分成若干扇区;由内向外的螺旋线,与蚊香的结构相似。

    设置Cache的原因:

    ​ 为解决CPU和主存速度不匹配而采用的一项技术,使访问主存的平均速度接近于访问Cache的速度。有硬件系统实现,对用户透明。已在CPU内集成,两级以上的Cache系统。

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