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第4章存储系统主存储器是传统计算机硬件系统的五大功能部件之一,其作用是存储计算机在运行过程中的程序和数据计算机系统希望存储器以较低__提供尽可能高的速度和尽可能大的存贮容量,尽量保证在速度上和CPU速度匹配,容量上尽可能放得下所有系统软件及多个用户软件但是目前,想在合理的__下,依靠现有的技术和条件用单一类型的存储器来满足这样的要求是不可能的因此,在现代计算机系统中总是使用多种不同类型的存储器组合在一起,组成一个统一管理、调度的存储体系本章主要介绍当前广泛应用的各类存储器的结构和工作原理能,以及三级存储器系统的有关技术
4.1存储系统概述
4.
1.1存储器分类
1、任务及要求任务和要求理解存储器的分类方式,了解它们的基本结构和原理关键点分析存储器的分类是根据它们的基本结构以及工作特点来进行
2、具体内容现在计算机系统中使用的存储器种类繁多,为了更好地了解各种存储器的结构和功能,可以根据它们的特点进行分类按存储介质划分随机访问目前使用的存储介质主要是半导体器件、磁性材料和光盘存储器等半导体存储器这种存储器的存储元件是由半导体器件组成的其特点是体积小、攻耗低、存取时间短磁性材料存储器这种存储器一般是在金属或塑料基材的表面上涂上一层磁性材料作为存储记录的介质,通过磁头完成数据的存取光盘存储器它是应用激光在记录介质上进行读写其特点是记录密度高、耐用性强按存取方式划分按不同的存取方式,存储器的存取方式可以划分成随机读写方式只读方式顺序存取方式,直接存取方式,相联存取方式随机读写方式可以按地址随机访问任何一个存储单元,并且访问各个存储单元所需时间是相同的,与地址无关按照存储器芯片的不同,可以分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两种只读方式在正常工作中只能读出,不能写入按照存储器芯片的不同,可以分为固定掩摸型、一次编程写入型、紫外线擦除可编程型、电擦除可编程型顺序存取方式主要应用在磁带中通过磁带的正向或反向走带,计算机顺序存储或访问文件直接存取方式主要应用在磁盘中在磁盘中,每个记录面被划分为若干个磁道,每个磁道又划分为若干个数据块计算机在存储数据时候直接指向存储器中某个较小的区域,不需要从头开始顺序寻址,因而把这种存取方式称为直接存取方式相联存取方式采用的是一种随机存取方式,但它允许在整个存储器各单元中,同时进行对存取单元中的某些指定的位进行检查比较,看是否与特定的样式比配这种方式一般被高速缓存采用按功能效用划分按存储器在计算机系统中作用的不同,可以将它们划分为主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器主存储器一般称为内存,由半导体存储器来承担辅助存储器一般是指磁盘、磁带、光盘等高速缓冲存储器也是由半导体存储器来承担,一般集成在CPU内
4.
1.2存储器的层次结构
1、任务及要求任务和要求理解存储器层次结构形成的思想以及应该遵循的原则关键点分析多级存储层次的形成以及基本构成
2、具体内容随着计算机的高速发展,在合理__下,使用单一存储器不能满足计算机的存储需求因此采用多级存储方式来缓急计算机因存储速度、容量带来的瓶颈是必然的趋势多级存储层次是指计算机的存储系统由结构不同,容量不同,速度不同的存储器连接在一起从CPU角度来看,这些存储器构成一个整体其速度具有接近最高层中的M1存储器的速度,容量接近最底层中的Mn存储器的容量如图
4.1所示图
4.1多级存储层次在微机系统中,存储器的层次一般分为高速缓存—主存层次和主存—辅存层次这两个层次组合在一起构成一个三级存储系统它的速度接近高速缓存,容量接近辅存如图
4.2所示图
4.2三级存储系统
4.
1.3存储器的技术指标
1、任务及要求任务和要求理解存储器的各种技术指标关键点分析存储器优劣的比较是通过比较存储器的各种技术指标来完成的因此理解和掌握存储器技术指标是必要的
2、具体内容存储器的技术指标主要有以下几个方面存储容量存储容量表示的是一个存储器能够存储数据的最大值,通常用字节B来表示一个字节为8位二进制现在使用的单位一般有KB、MB、GB和TB等其中1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024B=GB存储周期存储周期tc是指连续启动两次读操作所需要间隔的最小时间它等于存取时间加下一次存取开始之前所需要的附加时间存储器的可靠性存储器的可靠性用平均故障间隔时间来衡量它表示为两次故障之间的平均时间间隔时间间隔越长,表示可靠性越高,即保持存储器正确工作能力越强
4.2半导体存储器
4.
2.1半导体存储器的分类
1、任务及要求任务和要求掌握半导体存储器的划分
2、具体内容半导体存储器按使用功能划分可以分为两大类随机读写存储器RAM和只读存储器ROMRAM的特点是能很方便读出数据和写入数据,但存储单元中的数据一旦断电就会丢失ROM的特点是写入的数据在使用的时候只能读出不能改变,而且断电后也不会丢失表
4.1中给出了几种常见的RAM和ROM表
4.1半导体存储器分类RAM双极型RAMMOSRAM静态随机读写存储器SRAM动态随机读写存储器DRAMROM掩膜只读存储器MROM可编程只读存储器PROM紫外线可擦除只读存储器EPROM电可擦除只读存储器EEPROM快闪存储器FlashMemory
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2.2RAM随机读写存储器
1、任务及要求任务和要求掌握MOSRAM的基本结构和工作原理关键点分析MOSRAM可以分为静态RAM和动态RAM,它们之间的结构和功能有较大区别
2、具体内容随机读写存储器根据使用的材料不同可以分为双极型RAM和MOSRAM两大类双极型RAM采用晶体管的触发器作为基本存储电路,所用管子较多,带来的结果是集成度较低、功耗大、成本高现在除了一些小容量快速存储器是双极型RAM,更多的随机读写存储器是使用MOS器件来构造因此下面就MOSRAM进行讨论MOSRAM根据存储数据的方式可以分为静态RAM和动态RAM它们的主要区别如表
4.2所示表
4.2静态RAM和动态RAM比较静态RAM动态RAM存储数据方式触发器电容运行速度较快较慢集成度较低较高发热量较大较小成本较高较低数据读出方式非破坏性读出破坏性读出静态RAM的存储原理和基本结构静态RAM一般采用6个MOS管组成一个触发器来完成数据的存取图
4.3是一个能存储1位二进制数据的N沟道增强型MOS存储单元电路的基本结构图图
4.3MOS静态存储器的存储单元在这个存储单元中,T1和T3,T2和T4分别组成一个反相器,这两个反相器通过彼此交叉反馈组成一个1位触发器,用于存储1位二进制数据当T1截止T2导通,输出端为低电平,表示存储的是1__;反之,T1导通T2截止,输出端为高电平,表示存储的是0__T5,T6是两个控制门管,通过字线Z控制它们的通断完成对存储单元的读写操作写入操作写操作时,两条位线W、提供写入的数据__,字线Z通过加高电平,使T
5、T6导通若需要写入1,加高电平表示输入为1,W加低电平B点通过T6放电成低电平,T1截止A点通过T5充电成高电平,T2导通存储单元存储数据1若需要写入0,加低电平表示输入为0,W加高电平B点通过T6充电成高电平,T1导通A点通过T5放电成低电平,T2截止存储单元存储数据0读出操作读操作时,两条位线W、被充电成高电平,字线Z通过加高电平,使T
5、T6导通若原来存储单元的内容为0,B点为高电平,T1导通通过T
5、T1形成回路,在上产生电流,经放大成为0__,完成数据读出此时A点为低电平,T2截止,W上没有电流流过若原来存储单元的内容为1,A点为高电平,T2导通W通过T
6、T2形成回路,在W上产生电流,经放大成为1__完成数据读出此时B点为低电平,T1截止,上没有电流流过总之,W上有电流则读出的数据为1,上有电流则读出的数据为0在这个读出过程中并不改变存储单元中原有的状态,属于是非破坏性读出动态RAM的存储原理和基本结构动态RAM的数据存储是将存储信息以电荷形式存储在电容上根据电容的物理特性,电容是无法保证它的极间电阻无穷大因此当MOS管断开后,电容上的电荷会通过极间电阻形成泄漏电流漏电,使所存储的数据丢失为了保存住数据信息,需要经过一定时间后对存储器重新写一遍,即对存储器中存储数据为1的电容重新充电这个过程称为刷新动态RAM的存储单元早期由四个MOS管构成,后来简化为三个,现在已改为单管下面就单管存储单元结构进行简单分析一个典型的MOS单管存储单元如图
4.4所示图
4.4MOS单管存储单元在这个存储单元中,MOS管T用来控制单元的读写,电容C用来存储电荷,它可以是专用的电容,也可以是MOS管的极间电容通常定义电容充电至高电平表示数据1,放电至低电平表示数据0写入操作写操作时,位线W提供写入的数据__,字线Z通过加高电平,使T导通若需要写入1,W加高电平W通过控制管T对电容C充电,电容C成高电平,完成数据写入存储单元存储数据1若需要写入0,W加低电平,电容C通过控制管T对W放电,电容C成低电平,完成数据写入存储单元存储数据0读出操作读操作时,先对位线W预充电至高电平与低电平的中间值,字线Z通过加高电平,使T导通若原来存储单元的内容为0,W通过控制管T对电容C充电,W上有电流流过若原来存储单元的内容为1,电容C通过控制管T对W放电,W上有电流流过根据W上电流的流向以及电平变化的幅度可以鉴别原来存储单元中存储的数据是1还是0这样的读操作要引起电容C上电荷的变化,破坏存储的数据,属于破坏性读出因此需要在完成读操作之后重写入原来的数据
4.
2.3ROM只读存储器
1、任务及要求任务和要求理解ROM的分类和基本工作原理
2、具体内容只读存储器ROM主要用于存放已经调试好的不再修改的程序或者数据信息,这些信息要求写入后在使用的时只能读出不能改变,而且断电后也不会丢失按照不同的写入方式可以分为掩膜只读存储器MROM,可编程只读存储器PROM,紫外线可擦除只读存储器EPROM,电可擦除只读存储器EEPROM,快闪存储器FlashMemory等几类下面分别就它们的特点进行介绍掩膜只读存储器MROM掩膜只读存储器由用户提供数据信息,芯片生产厂根据数据制造出相应的掩膜只读存储器制造出来后用户无法再修改数据这类ROM可由二极管、双极型晶体管或MOS电路构成在生产过程中,制造商设计出光刻版的图形(掩模)它决定ROM管中相应位置上有无元件,以此分别表示二进制信息中的1和0所以把这种MOS管称为掩膜式ROM可编程只读存储器PROM与掩膜只读存储器相比,可编程只读存储器的芯片在出厂时内容全部设计为0当要使用的时候,用户用专门的PROM写入器将数据写入这种写入方式是一种破坏性写入方式,数据写入后就不能修改可擦除只读存储器EPROM虽然可编程只读存储器的内容可以由用户写入,一旦数据写错,或需要对数据进行修改,原来的芯片就报废了,只能用新的芯片重写这将增加用户的__成本为了便于用户实验各种数据,在20世纪70年代发展产生了一种可擦除只读存储器芯片这种芯片根据擦除的方式不同可以分为紫外线可擦除只读存储器EPROM和电可擦除只读存储器EEPROM紫外线可擦除只读存储器使用专门写入器在+25V电压下写入数据,在+5V下可读出数据正常使用如果要修改数据,则用紫外线照射一段时间后擦除原来写入数据,再用专门写入器在+25V电压下写入新的数据电可擦除只读存储器的工作原理与前者相似,由于结构上的不同,它的擦除使用高压完成,即可电擦除快闪存储器FlashMemory快闪存储器是一种快擦除写入的存储器类型它的数据存储电路由一个晶体管构成,通过沉积在衬底上被氧化物包围的多晶硅浮空栅来保存电荷,以维持衬底上源、漏极之间导电沟道的存在,从而保持其上的数据存储若浮空栅上保持有电荷,则在源、漏极之间形成导电沟道,为一种稳定状态,可以认为该单元电路保存数据0;若浮空栅上没有电荷存在,则在源、漏极之间无法形成导电沟道,为另一种稳定状态,可以认为该单元电路保存数据
14.3主存储器的组成、控制和设计
4.
3.1存储容量的扩展
1、任务及要求任务和要求掌握RAM的基本结构和存储容量扩展的几种方法关键点分析一个存储体是通过大量的基本存储电路组合在一起的在计算机系统中,一般单块存储芯片的容量是不够的,需要通过存储容量扩展把若干芯片__在一起构成一个存储器常见的扩展方式有位扩展、字扩展和位字扩展
2、具体内容一个基本存储电路只能存储一位二进制数据要完成计算机的数据存储需要将大量的基本存储电路有规则地组合成一个存储体为了区分不同的存储单元,存储体中每个存储单元被连接到不同字线位线的交叉处,并加入读写控制电路,用地址译码器提供字线、位线选择__一个典型的RAM如图
4.5所示图
4.5典型的RAM结构图
4.5是一个2084×1的静态RAM芯片,图中的小方块表示一个6个MOS管的静态RAM存储单元2084×1表示这块芯片有2084个1位的存储容量在数据的读写过程中每次进行1位操作2084个存储单元在芯片中按64行,32列的矩阵形式__X地址译码器产生的64个__完成对64行存储单元的控制,称为字线Y地址译码器产生的32个__通过控制MOS管T
7、T8,决定位线W、能否与存储单元导通,从而完成对32列存储单元的控制在计算机系统中,存储器的容量一般是采用字节表示比如微型计算机中,存储器容量通常为256MB、512MB或者是1GB而现在的存储器一般把各个字的相同位放在同一块芯片中如果用256M×1的芯片组成一个256MB的存储器需要用8块,这个存储器的容量可以表示为256M×8如果用2084×1的芯片组成一个256MB的存储器需要用4096块这种由于单块存储芯片的容量的限制,进而把若干芯片__在一起构成一个存储器的方式叫做存储容量扩展常见的扩展方式有位扩展、字扩展和位字扩展例如前面分析构成一个256MB存储器的扩展方式,若用256M×1的芯片构成是位扩展方式,若用2084×8的芯片构成则是字扩展,如果用2084×1的芯片构成则须采用位字扩展下面就这三种扩展方式进行讨论位扩展方式位扩展方式是指单片的存储芯片存储字长度不够,而采用多块这样的存储芯片构成满足需要字长的存储器例用1024K×1的芯片组成一个1024KB的存储器图
4.6所示图
4.6用1024K×1的芯片组成一个1024KB的存储器用1024K×1的芯片组成一个1024KB的存储器需要8块A0A1~A18A19为地址线连接每块芯片控制每块芯片的读写操作为片选__,在位扩展方式中,8块芯片需要同时选中,可以将它们直接接地D0~D7为数据线,每根数据线接一块芯片构成一个8位的数据字扩展方式字扩展方式是指在单片的存储芯片存储字长满足要求的情况下,通过增加芯片来增大存储器容量例用512KB的芯片组成一个1024KB的存储器图
4.7所示图
4.7用512KB的芯片组成一个1024KB的存储器用512KB芯片组成一个1024KB的存储器需要2块A0为片选__,当是低电平时,为有效__;当是低电平时,为有效__位字扩展方式位字扩展方式是指当单片的存储芯片在字长和字的容量上都不够的情况下,采用多块存储芯片组合成一个存储器例用512K×4的芯片组成一个1024KB的存储器图
4.8所示图
4.8用512K×4的芯片组成一个1024KB的存储器用512K×4的芯片组成一个1024KB的存储器需要4块,每两块构成一个8位数据A0为片选__,当是低电平时,为有效__;当是低电平时,为有效__
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3.2存储器与CPU的连接
1、任务及要求任务和要求理解存储器与CPU的连接方式关键点分析存储器和CPU的连接主要是三个方面的连接地址线的连接、数据线的连接和控制线的连接CPU通过这三方面的连接完成对存储器的读写
2、具体内容要完成对存储器的读写操作一般需要三个步骤首先要给出存储器的地址,即是对存储器中的哪个存储单元进行操作然后确定是读操作还是写操作,这个根据读写控制__来决定最后通过存储器与数据线之间的数据交流,完成对存储器的读写操作存储器与CPU的连接需要解决上面三个问题,即地址线的连接、数据线的连接和控制线的连接地址线的连接在存储器中,为了区别不同的存储单元需要对每个单元给出一个不同的标志,这种标志就是通常所说的地址,对应的电路称为地址线当要对一个存储单元读写数据时要先从CPU中送出地址数据到一个专门的寄存器——地址寄存器,然后通过地址译码器完成对存储单元的选择地址译码器有两种方式单译码方式和双译码方式图
4.5中的译码方式属于双译码方式,也就是有两个地址译码器数据线的连接存储器的功能是存储计算机其他部件送来的数据,同时也向计算机中的其他部件提供数据这些都是通过数据线来完成数据的传输在现在中,计算机的设计方案更多的是围绕存储器部件来__的CPU可以认为是一个通过数据线与存储器进行数据交换的设备控制线的连接完成CPU与存储器的数据交换需要在相应的控制__下进行这些__由控制线提供基本的控制__有读写__,片选__,就绪__等等随着计算机存储器结构__的变化,根据需要加入不同的控制__完成对存储器数据传输的控制
4.
3.3动态存储器的刷新
1、任务及要求任务和要求理解动态存储器的三种刷新方式关键点分析动态存储器的刷新是为了保证存储在其中的内容不丢失常用的刷新方式是集中刷新方式、分散刷新方式和异步刷新方式
2、具体内容现在主存储器都采用动态RAM的存储结构,它是依靠电容上存储电荷来暂存数据由于电容的物理特性,当某些存储单元__没有访问,无读出也无写入时,电容上的电荷会逐渐泄露,导致数据丢失为了使数据有效保存,需要定期刷新存储单元上的数据信息刷新周期与电容放电时间有关目前大多数芯片的刷新周期,即从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新为止需要2ms在刷新过程中刷新地址以行地址为单位进行,通过设置一个计数器,每刷新一行计数器加1,保证在2ms中对所有行刷新一次常用的刷新方式是集中刷新方式、分散刷新方式和异步刷新方式集中刷新方式集中刷新方式是指在规定的一个刷新周期内对全部存储单元集中刷新在刷新期间停止对存储单元的读写操作比如某存储器的读写周期为
0.5us,共有64行,每行刷新时间为
0.5us,刷新周期2ms在2ms内存储器可以完成4000个读写周期,连续刷新64行需要32us,占64个读写周期按照集中刷新方式工作原理,在2ms内4000个读写周期的前3936个周期进行正常读写操作,后64个周期进行刷新操作进行刷新的64个周期禁止对存储器读写采用集中刷新方式,存储器的控制电路简单,但存储器出现访问“死区”,如果行数越多禁止读写的时间就越长分散刷新方式分散刷新方式是指把每行的刷新工作分散到每个存储周期中,将存储周期分为两个部分,前半部分进行正常的读写操作,后半部分完成刷新每读写1次完成1行的刷新比如某存储器的读写周期为
0.5us,共有64行,刷新时间为
0.5us,刷新周期2ms在读写操作完成后再加一个刷新操作,整个过程需要1us这样在2ms内只能完成2000次读写,而对整个存储器完成2000/64=
31.25次刷新这种分散刷新方式克服了出现“死区”但使存储器的工作效率下降异步刷新方式异步刷新方式是指将存储器的每一行刷新分散到读写过程中比如某存储器的读写周期为
0.5us,共有64行,刷新时间为
0.5us,刷新周期2ms在2ms内对64行进行刷新,分散到读写过程中,每隔2ms/64=
7.8us刷新一行每次要刷新的时候发出一个刷新请求,如果CPU正在访问存储器,可等CPU交出控制权后,稍后刷新这种分布刷新方式每次刷新只占用一个读写周期,即解决了集中刷新方式中出现的“死区”现象,又避免了分散刷新方式中存储器工作效率下降的问题
4.
3.4主存储器的校验
1、任务及要求任务和要求掌握主存储器的校验方式关键点分析为了确保主存储器中内容的正确性,需要对存储在其中的数据进行校验主存储器的校验方式主要采用的是奇偶校验
2、具体内容数据在计算机系统内进行存取、运算过程中都可能出现错误引起这些错误的原因较多,一般情况下可能是因为硬件本身的可靠性引发的,也可能是外界干扰引发的不管是什么因素引起的,一旦数据出现错误必然导致计算机工作出现问题保证数据的正确性是保证计算机正常工作的先决条件数据校验是避免出现数据出错的方法之一现在的校验方法一般采用的是冗余校验,既在原有的数据上按照某种算法增加一位或多位校验位数据,构成新的数据信息称为校验码,增大合法编码之间的码距,然后全部写入存储器读出的时候对校验码进行校验,判断它是不是满足约定的规则是,则表示数据没有错误是合法编码;不是,则表示数据出错是非法编码码距是指任意两个合法编码之间存在几个不同的二进制位通过合理的校验算法得到的校验码可以发现错误,甚至可以纠正错误常用的校验方式有三种奇偶校验、汉明校验和循环冗余校验在主存储器中通常使用奇偶校验方式后两种方式在磁记录方式中使用更多这里先分析奇偶校验奇偶校验实际上指的是两种校验奇校验和偶校验由于这两种校验的原理是一样的所以统称为奇偶校验奇偶校验是一种能发现数据信息中一位出错情况的编码,它通过增加一个校验位,保证校验码中1的个数始终是奇数个或偶数个如果是奇数个采用的校验方式是奇校验方式,是偶数个则是采用偶校验方式对原来的数据使用奇偶校验后,将原来码距为1的数据重新编码为码距为2的校验码下面给出几个奇偶校验例子数据奇校验码偶校验码100101011100101010100101011101001011101001001101001001101110001101110101101110上面的例子中,数据位为8位,进行奇偶校验后得到的校验码为9位,其中最高位为校验位
4.4磁表面存储器的存储原理
4.
4.1记录介质与磁头
1、任务及要求任务和要求了解记录介质与磁头的基本特点
2、具体内容记录介质与磁头是构成磁表面存储器的两个重要组成部分记录介质用于保存信息,磁头用于完成对记录介质上信息的读写下面就它们的基本结构和功能进行分析记录介质记录介质由基体和磁层构成基体又可分为软质基体和硬质基体不同的基体对磁层材料和制造工艺的要求不同软质基体主要应用在磁带和软磁盘中一般采用聚氯乙烯或聚酯等材料做成薄膜或薄片在其上加上衬垫层,方便涂抹磁层;其下加上石墨导电层,防止静电磁层材料一般采用微细的氧化铁粉,属于颗粒型材料将它混合在塑料粘结剂或热固性的粘结剂内,均匀涂抹在基体上,做成磁带或软磁盘硬质基体主要应用在硬盘中早期使用塑料材料,后来随着硬盘转速和容量的提高出现的金属材料的盘片磁层采用非颗粒型材料,用电镀的方式将磁层附着在盘片上现在更多采用溅射工艺在基体上形成薄膜磁层磁头磁头是一种通过实现电磁转换完成对记录介质上数据的读写操作的装置在写入的时候磁头上流过电流是磁记录介质上的磁层磁化,从而保存相应的数据信息,完成数据写入在读出的时候,磁头通过磁记录介质产生感应电流,将其放大获得数据信息,完成数据读出磁头的基本结构如图
4.9所示它由高导磁性材料制作,然后在上面绕上线圈在磁头面向记录介质的地方有个缝隙,称为磁头间隙通过这个间隙,磁头和记录介质之间形成了闭合磁路,完成数据的读写图
4.9磁头的基本结构
4.
4.2读写原理
1、任务及要求任务和要求了解磁记录方式读写原理的基本过程
2、具体内容磁记录方式是依据电磁转换原理来进行的读的过程是由磁__到电__的转换,写的过程是电__到磁__的转换下面就磁记录方式的读写原理进行分析磁记录方式的读出原理当磁头的磁头间隙与记录介质近距离相对运动时,记录介质上磁层通过磁头,磁头上的线圈受变化磁通的作用获得感应电流这表示读出了记录在记录介质上的信息若磁头中的磁通没有变化就意味着没有信息被读出磁记录方式的写原理当磁头中流过表示信息的电流时,磁头间隙处的漏磁将附近记录介质上一小段磁性材料磁化当磁头离开后,这段介质上的磁性材料留下剩磁,从而记录下相应的信息
4.
4.3磁记录方式
1、任务及要求任务和要求掌握磁记录方式的几种方式和特点关键点分析选择不同的磁记录方式对实现数据的读写起着很重要的作用一般从编码效率、自同步能力和可靠性3个方面评价一种记录方式的优劣
2、具体内容磁记录方式实际上是一种磁记录的编码方式,即按什么规律把数据信息转换为记录介质磁层中相应的一个磁化状态序列并且要求这种记录方式借助读写电路可以方便、可靠地完成数据信息的存取在计算机系统中,数据信息是一些由0和1组成的二进制代码串磁记录最简单的方法就是使用两种不同的状态表示0和1例如分别向磁头线圈送入正、负脉冲电流形成相反的磁饱和状态来表示当磁性材料被磁化后,会出现稳定的剩磁状态,呈现剩磁状态的地方就形成了一个磁化元或存储元,它是记录一个二进制信息位的最小单位为了提高记录密度,出现多种记录方式评定一种记录方式优劣的标准主要从3个方面进行编码效率、自同步能力和可靠性编码效率是指记录密度和最大磁化翻转密度之比,也就是指每次磁层状态翻转所存储的数据信息位的多少自同步能力是指从读出数据信息脉冲序列中自动提取同步__时间基准__的能力同步时钟__是指分隔出连续多个数据的不同位所需要的时间基准__如果不能从读出的数据信息中提取出同步时钟__则需要采用外同步方式可靠性包括检读分辨力、信息相关性、抗干扰能力等方面的问题检读分辨力是指磁记录系统对读出__的分辨能力信息相关性是指漏读或错读一位是否会传播误码它是衡量精度的指标现在常见的几种记录方式是归零制(RZ)、不归零制(NRZ)、不归零制-见1翻转(NRZ1)、调相制(PM)、调频制(FM)和改进调频制(MFM)归零制(RZ)写0的时候送入负向脉冲电流,然后电流归零写1的时候送入正向脉冲电流,然后电流归零这种方式便于理解磁记录方式,但由于每次都要归零,不利于提高存储密度不归零制(NRZ)与归零制相比,不归零制中,写0的时候送入负向电流,并维持不变如果下一个数据写入0,负向电流继续保持;如果为1,则送入正向电流这种方式下改变写入内容,也就是当数据__从0到1,或从1到0转变的时候,在位单元起始处改变电流方向需要外同步不归零制-见1翻转(NRZ1)写入0的时候,写入电流维持不变即,无论原来是正向电流还是方向电流都继续保持当写入1的时候,写入电流方向在位单元中间处发生改变如果原来是正向电流变为负向电流,是负向电流则变为正向电流需要外同步读出的时候,由于写入1的时候有电流变向,因此产生感应电流当有感应电流表示读出为1,无感应电流表示为0调相制(PM)写入0的时候,要求在位单元中间处从正向电流变为反向电流写入1的时候要求在位单元中间处从反向电流变为正向电流有自同步能力但是当出现连续写入0或1的时候,在相邻两位之间的交界处,即位单元起始处需要改变电流方向读出的时候,在位单元中间的电流方向变化将产生感应电流根据感应电流方向决定读出数据是0还是1同时感应电流也作为同步__调频制(FM)首先在每个位单元起始处改变电流方向,以便产生自同步__写入0的时候,保持电流方向不变写入1的时候,在位单元中间改变电流方向读出的时候,如果位单元的感应电流方向变化两次表示读出数据为1,变化一次表示读出数据为0改进调频制(MFM)在调频制的基础上只保留在连续写入0的位单元起始处的电流方向变化,取消了其他位单元起始处的电流方向变化,以便保留自同步能力图
4.9表示上面几种磁纪录方式的写入脉冲波形图
4.10几种磁纪录方式的写入脉冲波形
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4.4磁表面存储器的校验
1、任务及要求任务和要求理解海明校验和循环冗余校验的基本原理关键点分析磁表面存储器的校验主要有两种方式海明校验和循环冗余校验方式本节重点讨论对这两种方式如何获得相应的校验码;如何完成对校验码的校验,完成查错纠错功能
2、具体内容磁表面存储器的校验主要有两种方式海明校验和循环冗余校验方式下面就这两种方式进行分析海明校验海明校验是一种常用的校验方法,这是由RichardHamming于1950年提出它通过增加少数几个校验位,就能检测出两位同时出错或者检测出一位出错并自动纠错其基本思想是将有效数据按照某种规律分成若干组,对每一组设置一个奇偶校验位,从而提供多位检错信息以实现检错、纠错功能可见海明校验实质上是采用多重奇偶校验来进行校验的要实现海明校验需要完成三个方面的任务确定校验位数,确定编码方程和译码方程
1、确定校验位数假设有m位有效数据和n位校验位构成一个m+n位的校验码,则n位校验位可以表示2n种状态在这些状态中有一种表示了没有发生错误的校验码情况,而剩下的2n-1种状态可以表示校验码中有一位出错的情况比如有效位为4位,校验位为3位,则3位校验位可以表示23=8种编码状态其中一种表示正确状态,还可以表示7种错误状态而校验码的位数为4+3=7位假设校验码每次出现一位错误,可能出现的错误的情况最多有7种,刚好可以用3位校验位编码中剩下的7种编码状态表示因此,要表示一位出错,要求校验位n满足如下关系如果要求海明校验方式能检测出两位同时出错或者检测出一位出错并自动纠错则在前一条件下增加一位总校验位利用增加的这一位来表示一位出错情况,而上面讲到的校验位的出错编码状态表示出错位的位置由于计算机系统中的数据采用二进制表示,不是0则是1,只要找到了出错位将其取反就能实现纠错如果总校验位表示没有出错则可能出现两种情况校验码是正确的或者校验码中有两位出错具体是哪一种要根据校验位的编码,如果校验位的编码表示是正确状态则整个校验码是正确的,如果校验位的编码表示是错误状态则校验码中有两位出错因此,要两位同时出错或者一位出错并自动纠错,要求整个校验位n满足如下关系
2、确定编码方程根据海明校验的基本思想,要有效数据分成若干组,对每一组设置一个奇偶校验位如何进行分组是保证实现海明校验能够实现的关键同时,获得了分组方式也就获得了编码方程在分组的时候,先确定组中的校验方式采用奇校验还是偶校验,并且当选定一种方式后,所有组都要遵循这种方式然后考虑总校验位,它的值由所有有效数据位和校验位按选中方式进行校验后获得对于校验位,由于要反映有效数据位的信息,需要对有效数据位进行组合,每位校验位对应一种组合,其值由该组合中的有效数据位按选中方式进行校验后获得有效数据位组合选择的根据是能识别校验码中的一位出错并能确定出出错位
3、确定译码方程当数据接收端获得海明校验码后需要检查其合法性,这个过程称为译码过程它是根据译码方程来完成的译码方程是对应编码方程的它是用一个校验码和形成这个校验码的编码方程执行在编码过程中选择的奇偶校验方式进行校验根据获得的结果判断海明校验码的合法性例子设有3位有效数据位,试编写出相应的海明校验的编码方程和译码方程确定校验位数根据式,m=3,n的最小取值为4需要4位校验位海明校验码可以表示为确定编码方程3位数据位分别用、、表示,4位校验位分别用、、、表示,其中为总校验位选择偶校验作为组的校验方式根据总校验位的性质,有=对于校验位、、,每一位对应一个组选择、、为一组,、、为一组,、、为一组有===上面4个式子构成了一个编码方程确定译码方程设、、、表示校验码的检查结果,有====根据例子,假设3位有效数据为101,根据编码方程有==10=1==01=1==11=0==101110=0海明校验码为1010011在进行合法性检查中,如果数据接收端接收到数据为1010011,根据译码方程有==1010110=0==101=0==011=0==110=
0、、、的值全为0,表示数据没有出错如果数据接收端接收到数据为1000011==0010110=1==001=1==011=0==010=1的值为1,表示在海明校验码中有1位为101,表示出错位是同样道理,如果在合法性检查中的值为1,不全为0,海明校验码中出错位都对应其一种编码形式如出错为0001,出错为0011,出错为0101,出错为1001,出错为0111,出错为1101,出错为1011如果同时有两位出错则的值为0,不全为0循环冗余校验循环冗余校验方式的基本思想是在m位有效数据之后增加n位校验位,构成m+n位的校验码这个校验码与一个约定的编码按照模2运算法则进行除法运算,如果余数为0,表示校验码正确;如果余数不为0,则余数表示校验码出错位的位置
1、模2运算模2运算是以按位进行运算的一种运算规则,在运算过程中不考虑位之间的进位和借位关系模2加减运算规则在模2加减运算中,两者结果相同模2乘运算规则按模2加求部分积例子利用模2乘运算规则计算1011×101模2除运算规则按模2加减求部分余上商原则是当部分余数最高位为1时商取1,当部分余数最高位为0时商取0当部分余数位数小于除数位数时,不再继续运算,作为最后的余数例子利用模2除运算规则计算11000÷
1012、编码在循环冗余校验中,校验位的确定与编码要求的码距有关选用不同位数的校验位可以完成1位出错判断;2位出错判断或1位出错判断并纠错;以及2位出错判断并能纠正1位出错等功能下面就k位有效数据和r位校验位如何构成一个k+r位的校验码进行分析第一步将k位有效数据表示为多项式Mx形式其中xi表示有效数据中各位的位置,系数Ci对应该位的值因取r位校验位,需将有效数据左移r位,用多项式表示为M‘x=Mx×xr其中到的取值与中到的取值一样,而到的值取0第二步选择一个生成多项式Gx校验位的值是通过多项式M‘x除以生成多项式Gx所的余式为了得到r位校验位,要求Gx有r+1项,即为r次多项式用Rx表示余式,Qx表示商,有对于生成多项式的选择要求满足任何一位发生错误都应保证上式中的余式不为0;不同位发生错误应保证余式不同,并在对余式继续作模2除时余式应循环第三步确定校验码将M‘x运用模2加法加上Rx拼接成校验码的多项式形式,然后把每一项的系数取出,按在多项式中顺序从高位到低位连在一起就构成了校验码例子求带有3位校验位的有效数据1100的循环冗余校验码有效数据1100的多项式Mx和M‘x形式(对应的数据编码形式为1100)(对应的数据编码形式为1_____0)选择生成多项式(对应的数据编码形式为1011)则有循环冗余校验码的多项式表示为因此带有3位校验位的有效数据1100的循环冗余校验码为
11000103、循环冗余校验码的译码与纠错当接收端得到校验码数据后,需要验证其有效性验证过程是将校验码数据利用模2除法除以生成多项式的数据编码形式如果余数为0表示校验码没有出错,如果不为0表示校验码出错,且不同的余数对应不同的出错位表
4.3给出了上面例子中出错位与余数的关系表
4.3循环冗余校验码出错位与余数的关系余数出错位11000110017110000001061100110100511010100114111001011031000010111201000101011从这个表中可以看出,校验码数据利用模2除法除以生成多项式的数据编码形式,如果余数不为0,继续补0除下去,将依次出现表中的余数假如余数为111,表示第2位出错补0再除,第二次余数为101,第三次为001,第四次为010,依次循环往复这也就是循环码的来历利用这个特点,只需设置一个余数为101的位纠错电路,对应第1位出错如果是其它位出错,通过对余数补0再除,同时让被检查的校验码循环左移当余数出现101时,出错位也移到第1位了这时利用设置的位纠错电路进行纠错继续__,直到移了7次,恰好一个循环,得到一个纠正后的校验码
4.5高速缓冲存储器
4.
5.1原理
1、任务及要求任务和要求掌握高速缓冲存储器的基本结构和工作原理关键点分析高速缓冲存储器的作用的为了提高CPU访存速度它涉及到CPU如何根据主存地址去访问高速缓冲中的数据
2、具体内容高速缓冲存储器(Cache)是设置在CPU与主存之间的,一种容量小但速度快的存储装置,它和主存构成Cache—主存存储层次其基本结构如图
4.11所示图
4.11高速缓冲存储器的基本结构当CPU需要指令或数据的时候,它同时访问Cache和主存如果在Cache中找到,称为命中如果在Cache中找不到,称为不命中这时需将主存中相应的内容__到Cache中为了保证一定的命中率,在Cache中存放应该是最近要使用的数据或指令根据计算机程序工作中存在的局部性(即在一段时间内,最近访问过的内容可能被再次访问而且最近访问的内容一般集中在一小段存储区域中),进入Cache的指令或数据可能就是CPU近期将频繁访问的指令或数据,当CPU需要再次使用它们的时候不需要访问速度较慢的主存,从而提高了CPU的工作效率CPU在访问数据或指令的时候是依据主存地址来进行那么当CPU从Cache中读取信息的时候,是根据什么依据保证从Cache中读出信息就是对应主存地址中的信息呢?为了解决这个问题,首先将高速缓存和主存都按地址被分成大小相同的块,每一块由若干字或者字节组成根据这种划分,高速缓存和主存地址都可以表示为块号+块__址由于高速缓存的存储容量远远小于主存的存储容量,在程序运行的时候,主存中的内容只能有很少部分能进入高速缓冲当CPU需要访问指令或数据的时候,计算机系统通过一个Cache—主存地址变换部件将主存地址变换为高速缓冲的地址去访问高速缓冲这个过程对于程序员来说是透明的如果CPU在Cache中找不到所需要的内容时,需要将主存中相应的内容__到Cache中当Cache中还没有装满数据可以直接把数据__过去这个过程称为调进当Cache已经装满,CPU把主存的数据__到Cache中代替原来Cache中的某些数据这个过程称为替换决定哪些数据被替换的算法称为替换算法
4.
5.2Cache的设计要素
1、任务及要求任务和要求掌握Cache的设计中Cache和主存之间的地址映像方式;理解Cache替换算法、Cache和主存中数据的一致性等内容关键点分析Cache和主存之间的地址映像方式有三种直接映像、全相联映像和组相联映像
2、具体内容在Cache的设计中,首先要考虑的就是Cache和主存之间的地址关系它是保证Cache正常运行的基础同时还要考虑Cache的命中率而影响命中率的因素是多方面的,包括Cache的容量,块的大小,Cache和主存之间的地址关系、替换算法、地址流情况等等以及Cache和主存中数据的一致性问题等等Cache和主存之间的地址映像要完成Cache和主存之间的地址转换,首先要确定两者之间的地址关系这种关系用地址映像进行描述Cache和主存之间的地址映像是指将主存中的按照某种规则(算法)装入(定位于)Cache中,即确定Cache地址和主存地址之间的对应关系地址变换部件就是依据这种映像关系完成地址变换的地址变换就是指当主存中的数据按照映像关系装入Cache后,在CPU根据主存地址访问Cache时,如何将主存地址转变成对应的Cache地址一般采用的映像方式有三种直接映像、全相联映像和组相联映像设Cache容量为8KB,主存容量为1MB,块的大小为512B则Cache中有16个块,主存中有2048个块Cache和主存的地址如图
4.12表示图
4.12Cache和主存的地址结构直接映像直接映像是指每个主存块只能__到某一固定的Cache块中其映像关系可以表示为j=imodm,其中j为Cache中的块号,i为主存中的块号,m为Cache的总块数在直接映像中,先将主存按Cache容量大小分为不同的区,装入Cache中某个块的信息只能是来自主存中不同区对应于这个块位置的块以前面给出的参数为例,图
4.13描述了直接映像规则图
4.13直接映像规则主存中的块和Cache中的块对应关系如表
4.4所示表
4.4主存中的块和Cache中的块对应关系Cache块号可能装入Cache的主存块号00,16,32,……,203211,17,33,……,203322,18,34,……,2034┇┇1515,31,47,……,2047为了实现主存与Cache的地址映像,将主存的11位块号分为两个部分主存区号(又称为主存标记)和Cache块号其中区号7位,表示128个区;Cache块号4位,表示区中的16块对应Cache中的相应的块根据直接映像的原理,用主存的区号就能反映出主存中的哪个块装入了Cache的哪个块中如图
4.14所示图
4.14直接映像方式的主存地址结构为了完成地址变换,先对Cache中的每个块用硬件设立一个7位的标记当CPU访存时,只需比较主存地址中高7位的主存标记与Cache块中的7位标记如果相同,表示主存块中的信息装入了Cache,并根据标记进行访问;如果不同,则还没有装入直接映像所需的硬件简单,只需要容量较小的区号标记存储器和简单比较电路就能实现但由于主存中的块只能对应Cache中唯一的块,当CPU要频繁的访问对应同一Cache块中不同的主存块时,将引起块冲突,使Cache的命中率降低同时,即便这时Cache中存在大量的空闲块,Cache的命中率也很低全相连映像全相连映像是指主存中的块可以装入Cache的任何一个块中以前面给出的参数为例,图
4.15描述了全相连映像规则图
4.15全相连映像规则为了实现主存与Cache的地址映像和变换,将主存的11位块号作为主存标记同时对Cache中的每个块用硬件设立一个11位的标记当CPU访存时,只需比较主存地址中的主存标记与Cache块中的标记如果相同,表示主存块中的信息装入了Cache,并根据标记进行访问;如果不同,则还没有装入全相连映像对Cache中块利用率最高,块冲突概率最低只有当Cache中所有块都被装入信息才可能出现块冲突但是由于Cache的标记位较多,导致比较电路复杂,实现成本较高组相联映像组相联映像是将Cache划分成几个组,每组拥有相同的块;将主存先按Cache大小划分成几个区,然后每个区按Cache中组的大小再划分Cache和主存的各组之间是直接映像,组内的块是全相联映像以前面给出的参数为例,图
4.16描述了组相联映像规则图
4.16组相联映像规则为了实现主存与Cache的地址映像,将主存的11位块号分为三个部分主存区号、Cache组号和组内块号(其中主存区号和组内块号构成主存标记)其中区号7位,表示128个区;Cache组号3位,表示区中的7组对应Cache中的相应的组,组之间采用直接映像;组内块号1位,表示组中的两个块对应Cache组中的块,组中块之间采用全相联映像根据组相联映像的原理,利用主存的区号和组内块号就能反映出主存中的哪个块装入了Cache的哪个块中如图
4.17所示图
4.17组相联映象方式的主存地址结构为了完成地址变换,先对Cache中的每个块用硬件设立一个8位的标记,当CPU访存时,只需把主存地址中高7位的主存区号和1位组内块号与Cache块中的8位标记进行比较如果相同,表示主存块中的信息装入了Cache,并根据标记进行访问;如果不同,则还没有装入组相联映像是对直接映像和全相联映像的综合利用当组的大小和Cache容量大小一样时,组相联映像变成了全相联映像直接映像;当组的大小只有一个块大小的时,组相联映像变成了直接映像组相联映像与直接映像相比明显提高了Cache的命中率;同时和全相联映像相比实现成本要低很多因此组相联映像是目前计算机系统中使用较多的映像方式Cache替换算法当Cache已经装满,CPU把主存的数据__到Cache中代替原来Cache中的某些数据这个过程称为替换在替换的时候需要考虑替换哪些数据才能保证较高的命中率这个问题就是替换算法要解决的问题已经使用过的替换算法有随机替换算法、先进先出替换算法和近期最少使用算法等随机替换算法是随机数产生器生成主存中要被替换块的块号来进行替换先进先出替换算法是选择最早装入的主存块作为被替换的块近期最少使用算法是选择近期最少访问的块作为被替换的块Cache和主存中数据的一致性虽然Cache的内容是从主存中__过来的,但主存中某些块的内容可能在一段时间内与Cache相应块中的内容不一致比如,CPU在对Cache内容进行写操作时,可能修改了其内容,但主存中的内容还是原来的内容因此必须采取措施解决这一问题常用的方法有两种写回法和写直达写回法是指在CPU执行写操作时,对应的信息只写入Cache,只有当该块需要被替换时,先将被写入过的块送回主存后再将新的块装入到Cache写直达是指当CPU写入Cache的同时也修改主存中对应块的内容
4.
5.3PentiumⅡ的Cache__
1、任务及要求任务和要求了解PentiumⅡ的Cache__
2、具体内容早期的8088主频为
4.77MHz,存取时间为840ns主存DRAM的存取时间200ns主存的速度比CPU的速度快,无需Cache当Intelhttp://detail.zol.com.cn/cpu_index/subcate28_125_list_
1.html\t_blank公司推出80___DX芯片后,主频增加到25MHz,它的存取时间为80ns在当时已没有速度相匹配的DRAM可用为了解决主存的速度与CPU的速度不匹配,提出2种解决方案一种是在基本总线周期中插入等待,降低CPU的处理能力;另一种是采用内部和外部Cache,使用SRAM芯片以提高存储器的读取速度开始时,Intelhttp://detail.zol.com.cn/cpu_index/subcate28_125_list_
1.html\t_blank公司考虑成本问题,在80___芯片内部没有设置Cache,只在芯片外部,一般在主板上设置Cache到80___,由于CPU的时钟频率继续增加时,外部Cache的SRAM芯片速度已经不能满足需要为此在80___中采用了内部Cache到PentiumPro,它内置有8KB指令和8KB数据Cache,两个Cache可以同时被访问PentiumⅡ的L2Cache已不在内嵌芯片上,而是与CPU通过专用64位高速缓存总线相联,与其它元器件共同被组装在同一基板上,即“单边接触盒”上双__总线结构就是L2高速缓存总线和处理器至主内存Pro__ssor-to-__in-memory的系统总线PentiumⅡ处理器可以同时使用这两条总线,与单一总线结构的处理器相比,该处理器可以进出两倍多的数据可允许PentiumⅡ处理器的L2高速缓存比Pentium处理器的L2高速缓存要快1倍随着PentiumⅡ处理器主频的提高,L2高速缓存的速度也将加快最后,流水线型系统总线可允许同时并行传输,而不是单个顺序型传输改进型的双重__总线结构,可以产生超过与单总线结构三倍带宽的性能另外,在PentiumⅡ中,采用了ECC技术,此技术应用到二级高速缓存中,大大提高了数据的完整性和可靠性
4.6虚拟存储器
4.
6.1虚拟存储器概述
1、任务及要求任务和要求了解虚拟存储器的基本概念
2、具体内容随着计算机系统的发展,计算机的指令地址编码达到32位,使物理存储器的寻址空间是2的32次方,就是说它的最大物理地址是4GB而现在主存的容量一般都比它小同时程序运行所需空间往往大于主存空间特别是在运行多用户程序的情况下,每个用户只能使用主存中的一下部分,不能将程序全部装入主存为了便于应用程序员设计程序时不受主存空间的限制,在1961年英国曼彻斯特大学的Kilburn等人提出了虚拟存储器的概念虚拟存储器实际上是一个存储器逻辑模型它把内存和外存统一起来构成主存-外存层次,使应用程序员可以对整个程序进行统一编址,不必考虑程序在主存中的物理地址,从而摆脱主存容量的束缚虚拟存储器的容量称为虚拟空间,对应的地址编码称为虚拟地址或逻辑地址物理上存在的主存储器称为物理存储器或实存,对应的地址编码称为物理地址当CPU根据程序地址(即虚拟地址)访问主存时,首先检查这个虚拟地址对应的内容是否装入主存如果在,则将虚拟地址变换成物理地址访问主存;如果不在,则需要将该内容由辅存调入主存,然后再访问主存这个过程对应用程序员来说是透明的,但对于系统程序员要考虑主存和辅存空间如何管理,虚实地址如何映像、变换等等由于采用不同的虚实地址映像算法,形成不同的虚拟存储器管理方式主要的有段式、页式和段页式
4.
6.2虚拟存储器的结构
1、任务及要求任务和要求理解虚拟存储器的三种管理方式关键点分析虚拟存储器的管理方式三种段式管理、页式管理和段页式管理
2、具体内容在虚拟存储器管理中,要考虑的就是虚实地址映像关系,同时还要考虑命中率、替换算法等等因素对于命中率、替换算法等,它们和Cache中对应的内容有相似之处,下面主要分析虚实地址映像关系段式管理由于程序的模块性,可以把每个模块作为一个__的程序段和主存进行数据交换段的起始地址通过一个段表管理,段内的内容以该段的起点作为0地址进行编址称这种主存按段分配的存储管理方式为段式管理根据这种思想,虚拟地址由段号和段__址组成段表用于存放程序段装入主存的情况,实现虚实地址映像和变换图
4.18表现了段式管理的映像方式和地址变换过程图
4.18段式管理的映像方式和地址变换过程在图
4.18中,程序空间表示一个程序的逻辑地址以及段的划分情况段表描述了程序各段的基本状态段表的每一行表示一个段,从0段开始段起始地址表示段装入主存的地址;装入位表示这个段是不是在主存中;段长表示该段的大小,“0”表示没有装入,“1”表示已经装入当计算机运行中根据虚拟地址访问时,首先从虚拟地址中取出段号,根据段表__址,在段表中找到该段情况如果装入,取出段起始地址后和虚拟地址中的段__址相加,获得要访问的数据在主存中的地址如果没有装入,则将该段调入主存页式管理页式管理方式是指把虚拟空间与主存实空间划分成若干大小相同的页,以页为单位通过页表实现虚实地址映像和变换虚地址由虚页号和页__址组成,实地址由实页号和页__址组成图
4.19表现了页式管理的映像方式和地址变换过程图
4.19页式管理的映像方式和地址变换过程在图
4.19中,页表的每一行除了虚页号和实页号外还包含很多控制信息比如有效位(该页是否装入到主存中),修改位(该页的内容是否被修改),替换控制位(表示需要替换的页)等等当CPU根据虚拟地址访问时,首先从虚拟地址中取出页号,根据页表__址,在页表中找到该页情况如果装入,从页表中获得对应的实页号,将实页号与页__址结合在一起形成主存实地址段页式管理段页式管理方式结合了段式管理和页式管理的特点,把主存机械的等分成一定大小的页同时程序空间按模块分段,每个段按主存中页的大小再划分程序空间对应一个段表,每个段表有一个页表虚地址分为段号、页号和页__址三部分以页为单位与主存交换数据当CPU根据虚拟地址访问时,虚实地址需要通过段表和页表进行变换
4.
6.3两级存储器的技术指标
1、任务及要求任务和要求了解两级存储器有关技术指标
2、具体内容两级存储器的技术指标主要考虑存储器的位__C、访问时间T和命中率H设两级存储器由M1,M2组成,C1,C2分别表示M1,M2存储器每位__,S1,S2分别表示M1,M2存储器的存储容量,T1,T2分别表示M1,M2存储器的访问时间两级存储器每一位的平__格C为设计算机系统在访问过程中,数据能在M1中访问到的次数为R1,不能在M2中访问到,需要从M2中调入的次数为R2,命中率H为在两级存储器中,访问时间T与命中率有关
1、计算机系统中的存储器种类的分类方式有哪些?
2、在计算机系统中___要采用多级存储层次?
3、衡量计算机系统的技术指标是什么?
4、静态RAM和动态RAM的主要区别?
5、ROM般可分为哪几类,它们各有什么特点
6、用16K×16位的RAM芯片构成128K×32位的存储器应该如何__,请画出逻辑图
7、在上一题中,数据寄存器应该是多少位,地址寄存器应该是多少位?
8、动态RAM的刷新方式有几种,它们各有什么特点
9、设有一个动态RAM芯片内存储单元按32×32矩阵排列,储器的读写周期为
0.5us,采用集中刷新方式,每行刷新时间为
0.5us,刷新周期2ms这个存储器的刷新一遍实际需要多少时间?在一个刷新周期内有多少个正常读写周期?
10、什么是奇偶校验,其校验码的码距是多少
11、磁记录方式的工作原理是什么?
12、常见的磁记录方式有哪些,各有什么特点?
13、为了实现对一个有4位数据位数据进行汉明校验需要安排几个校验位,并设计出该汉明校验码的编码方程和译码方程
14、循环冗余校验码有什么特点,它的校验位跟什么有关
15、简述高速缓冲存储器的工作原理
16、高速缓冲存储器和主存之间的地址映像方式有几种,各有什么特点
17、设Cache容量为16KB,主存容量为1MB,块的大小为512B如果采用直接映像方式试写出Cache和主存的地址结构
18、虚拟存储器的三种管理方式各有什么特点多级存储层次CPUM1M3MnM2三级存储系统Cache—主存存储层次高速缓存主存辅存CPU主存—辅存存储层次WZVccBAT6T5T4T3T2T1WTCWZ1┄┄┄┄32I/O电路Y地址译码器12┆┆6364X地址译码器A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10WZ64×32=2048存储单元T7T8Dout控制电路Din数据输出数据输入A0A1┆┆A18A19┅┅┉┉1024K×11024K×1D0D1┆┆D6D7A0A1┆┆A18A19┅┅512KB512KBD0D1┆┆D6D7┅┅A0A1┆┆A18A19┅┅┅┅┉┉512K×4512K×4512K×4512K×4D0D1D2D3D4D5D6D7RZNRZNRZ1PMFMMFM位单元1100111000101CPU送来的主存地址主存Cache—主存地址变换主存地址块号块__址Cache地址块号块__址命中不命中已装满未装满替换调进Cache数据送CPUCache地址块号块__址1298049主存地址块号块__址19980119主存标记Cache块号块__址Cache地址主存地址主存块号191312980479主存标记组内块号Cache组号块__址Cache地址主存地址191312109803791。