《计算机组成原理》第7章存储系统.ppt

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1、第7章存储系统（时间：4次课，8学时）第7章存储系统现代计算机的存储系统主要由主存、高速缓存和辅存三部分组成。主存、缓存均属于主机系统，所以又称为内存；辅存就是辅助存储器，属于外部设备，所以又称为外存。就目前情况说，普遍使用的辅存存储介质是磁盘，也使用磁带和光盘，但后者通常是作为后备存储设备来发挥作用的。早期的计算机内存，几乎都使用磁芯作为存储介质；而现在的内存介质则全部采用半导体了。本章重点讲述存储系统的层次结构、各层次存储器的组成方式以及与系统总线的连接、读写时序信号及其他相关内容。第7章存储系统7.1存储系统概论7.2主存储器7.3高速缓存7.4虚拟存储器7.5磁盘存储器7.6磁带存储

2、器7.7光盘存储器7.1存储系统概论存储器是计算机系统必不可少的重要部件。计算机系统的功能之一就是通过运行程序来处理数据，功能之二就是能大量地、长期地保存信息。运行中的程序是保存在主存储器中的，而大量、长期保存的信息则是存放在辅助存储器(或称外存)上的。除了主存和外存之外，为了加快程序的运行，还需要另一种存储部件，就是高速缓冲存储器。主存和高速缓存都属于内存。主存、外存和高速缓存，这三者组成了计算机的存储系统，在计算机中发挥着各自的作用。7.1存储系统概论主存、高速缓存和虚拟存储器(快速磁盘上的一片存储区)，其运行原理不同，性能差异很大，然而在现代计算机中都同时需要它们，需要它们各自发挥自己

3、的优势，相互协调地工作，以提高计算机的运行速度。为此，将其组成三级结构的一体化存储器系统，统一管理、统一调度，如图7-1所示。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；用虚拟存储器更大的存储空间，解决主存容量小、存不了更大程序和更多数据的难题。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。图7-1三级结构的存储器系统7.1存储系统概论在现代计算机中，主存储器处于全机中心地位，其原因是：第一，当前计算机正在运行的程序和被处理的数据均存放在主存储器中；第二，为了加快主机与外部设备之间的数据传送，多采用直接存储器存取(DMA)技术和输入/输出通道技术，在

4、主存储器和输入/输出系统之间直接传送数据；第三，对共享存储区的多处理机来说，正是利用主存储器存放共享数据，以实现处理机之间的通信，更加强了主存储器作为全机中心的作用；第四，由于中央处理器都是由高速器件组成，不少指令的执行速度基本上取决于主存储器的速度。所以计算机解题能力的提高、应用范围的日益广泛和系统软件的日益丰富，无一不与主存储器技术发展密切相关。7.1存储系统概论存储系统的层次结构，如果只根据存储介质本身来组织，那么，还可以使用另一种形式来表示，如图7-2所示。最上层是CPU中的寄存器，其存取速度可以满足CPU的要求。下面一层是高速缓存，目前的容量在32KB到几兆字节之间。再往下是主存储

5、器，容量从微型计算机的16KB到巨型机系统的几十吉字节都有。然后是磁盘存储器，这是当前用于永久存放数据的主要存储介质。最后，还有用于后备存储的磁带和光盘存储器。7.1存储系统概论图7-2存储器层次结构图7.1存储系统概论按层次结构自上而下，有3个关键参数逐渐增大。首先是访问时间逐渐增长。第二个参数是存储容量逐渐增大。第三个参数就是存储介质价位比逐渐减小。根据以上的分析可知，衡量一个存储器件有4个重要指标，即容量、速度、单位容量的价格和数据传输率。所谓存储器容量是指半导体存储芯片所能存储的二进制信息的位数。注意，要将存储器容量与计算机系统的存储容量区分开来：当讨论存储芯片的容量时，采用的单位是

6、位；当讨论计算机存储器的容量时，采用的单位是字节。7.1存储系统概论所谓速度，通常用存取时间(访问时间)和存取周期来表示。存取时间是指从启动一次存取操作到完成该操作所经历的时间；存取周期是指对存储器进行连续两次存取操作所需要的最小时间间隔。由于有些存储器在一次存取操作后需要有一定的恢复时间，所以通常存取周期大于或等于取数时间。单位容量的价格是指每位的价格。数据传输率是指在单位时间内可以存取的二进制信息的位数，在数值上等于存储器总线宽度除以存取周期，所以又可称为存储器总线带宽或频宽。除此之外，存储器件还有一个十分重要的性能，就是它是否是挥发性的。7.1存储系统概论当我们在组织一个存储系统时，首

7、先要按照实际需要，根据3种存储器件的指标和性能，选取各自的存储容量，组成一个既能满足实际需要，又有更高的性能价格比值的存储系统。实现虚拟存储器所依靠的是操作系统的支持。在操作系统的支持下，使用户访存的编址范围远比真实主存空间大。用户感到自己可以编程访问一个很大的存储器，但实际的主存并没有这么大。我们将提供给用户的这个存储器，即在软件编程上可使用的存储器，称为虚拟存储器。它的存储容量即虚拟存储空间，简称虚拟空间