存储系统概述PPT课件

主存和外存统一分页后进行管理。 ※页表 记录虚地址页号与实地址页号的对应关系，即虚页面 调入主存时被安排在主存中的位置（实页号） 页表中的每一行，称为页表项；
虚页号 0000 有效位 1 实页号 0101 … …
0001 0010 …
1 0 …
1011 0010 …
… … …
←页表项 ←页表项 ←页表项
定位Cache的分组：直接映射；
定位Cache数据块：全相联映射；
→直接映射和全相联映射的折衷 速度快、硬件简单、成本低、易实现 （图4-49示）
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0组
标记
0块
0块
标记
标记 标记 … 标记 标记 标记
1块
2块 3块 … 12块 13块 14块
1块
… 7块 8块 9块 … 15块
主存 0组 地址
255组
据此判断所在内存块 是否已映射到缓存中
图4-49 组相联映射 Na=20，每块512字节
11/24
[ 举例 ] 某计算机的 Cache 共有 16块，采用 2路 - 组相联映 射方式 ( 即每组包括 2 块 ) 。存储器按字节编址，每个主 存块大小为 32字节，那么 129号主存单元所在的主存块 应装入到的Cache组号是( )：
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（1）直接映射
Cache：只分块、不分组 主存：既分块、也分组（每组的块数 = Cache块数）
[映射规则]主存的每一个数据块，只能映射到 与其组内序号相同的Cache数据块位置。
如果：K为Cache的块序号，J为主存块的序号，C为 Cache块号的位数。
则 K=J mod 2c =J mod 24
2046块
2047块
主存
将主存块的块号与Cache 块的标记字段比较，判 断主存块是否已映射到 缓存中

2013-8ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ31 《计算机系统结构》多媒体课件 15
结论：CPU在执行程序时， 所用到的指令和数据的MEM 单元地址分布不会是随机的， 而是相对集中成自然的块或 页面(MEM中较小的连续单元 区)。
2013-8-31
《计算机系统结构》多媒体课件
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Embedded , desktop, server computers
2013-8-31 《计算机系统结构》多媒体课件 6
1、MEM容量、速度、价 格的矛盾 2、存贮体系层次 3、程序的局部性 4、存贮体系的性能参数
2013-8-31 《计算机系统结构》多媒体课件 7
2013-8-31
《计算机系统结构》多媒体课件
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introduction
In 1980 microprocessors were often design without caches,while many come with two levels of caches on the chip. Why? !!!!
A A
Tm
2013-8-31
Tm
9
《计算机系统结构》多媒体课件
(3)频宽Bm： * MEM连续访问时，每单位时间内存取的信 息量以bit/s OR Byte/s为单位。 * 单体MEM ：Bm =W/TM * 多体并行MEM ：Bm =W·m/TM 理想状态下MEM满负荷工作的最大频宽。 * 实际上由于MEM不可能一直处于RD/WR , 所以实际频宽 < 最大频宽。
1、MEM 容量 * Sm＝W*L*m * W:MEM 存储体字长（以 bit OR Byte 为单位） L:单个存贮体字数 m：并行工作的MEM 体个 数 * Sm 单位为***bit OR ***B

控制 输入 电路
读 /写 选 片
地址反相器
A5 A6 A7 A8 A9
第14页 2012年6月11日星期一
第5章 存储系统 1．存储体 一个基本存储电路表示一位二进制位 存储电路有规则的组合，就是存储体，即存储阵列 2．外围电路 包括地址译码器、I/O电路、片选控制、输出驱 动电路 3．地址译码方式 （1）单译码方式 只有行方向的译码器 （2）双译码方式 行译码（X译码）和列译码（Y译码）
可擦除可编程ROM—EPROM ：用特殊手段擦除， 然后可重新多次写入
电可擦除可编程ROM—E2PROM ：用电方式进行 在线擦除
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第5章 存储系统
5.4.1 掩膜型ROM（Read Only Memory）

其基本存储电路可由二极管、晶体管、MOS管构成
X选线 X选线 X选线
基本存储电路如图示（6管） X 选 择 线 T1、T2：双稳态触发器 T3、T4：负载管 T T5、T6：控制门 T7、T8：控制管 T1截止 →A为1 →T2导通 → ↑ B为0 ← ← T2截止为另一种稳态
第11页
Vc c
1T
5
3
T4 B T2
0
T6
─ ─
T1
A
→
D0 T7
D0 T8 I /O
I /O
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第5章 存储系统 （1）单译码方式
A0 A1 · · An 地 址 译 码 · · · · · · · ··· · · ·
···
写 读选通 写选通
I/O 控 制
读 写
I/O 控 制
读
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2012年6月11日星期一

/webnew/
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。
图7-6 2114的读/写周期波形图
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
4. 静态存储器的组织 1)位扩展
图7-7 位扩展连接方式
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性 能 存储信息 破坏性读出 需要刷新 行列地址 运行速度
SRAM 触发器 否 否 同时送 快 电容 是 需要 分两次送 慢
DRAM
集成度
发热量 存储成本
低
大 高
高
小 低
表7-1 静态存储器和动态存储器性能比较
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7.2 主 存 储 器
7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7

基本概念 静态MOS RAM芯片举例 动态MOS RAM 2164芯片 动态MOS RAM 4116芯片 动态RAM的刷新 只读存储器举例 主存储器与CPU的连接
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
3. 读写时序 为了使芯片正常工作，必须按所要求的时序关系 提供地址信息、数据信息和有关控制信号，2114 的读/写周期波形图如图7-6所示。 1) 读周期 2) 写周期

柱面：所以盘面上的同一磁道，在竖直方向上构成的圆柱，即为柱面， 数据的读写按柱面进行，磁头读写数据首先在同一柱面，依次向同一 柱面的不同盘面上进行操作。选取柱面的过程即为寻道。 扇区：将每个环形磁道等距离切割，形成等长的圆弧即为扇区。每个 扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入，是读写的最小单位。
硬盘结构
硬盘数据组织
一个扇区有两个主要部分：存储数据地点的标识符及数 据段，共512B（或4KB）。 CHS编址： 根据扇区中的三个信息,即扇区所在柱面（cylinder）、磁 头编号(header)、扇区号(sctor),三者简称CHS，即可知道数据 位于当前处理的盘片上的位置。注：可根据此计算硬盘容量。 LBA(逻辑扇区)编址： 硬盘保留CHS信息，但对外提供全部为线性的地址，LBA 地址可由CHS三个信息转换。
ATA( Advanced Technology Attachment 常称为IDE硬盘， 已逐渐退出市场 ATA接口 • 为并行ATA技术，下一代的产品是串行 ATA（SATA）。 • 最后一个ATA-7版本，使用80芯的线缆 ，接口速率达133MB/s。
FC接口磁盘
常用硬盘介绍
• FC硬盘采用FC-AL( Fiber Channel Arbitrated Loop，光纤通道仲裁 环) 接口模式，用于网状通道存 储区域阵列中（SAN）。 • 支持热插拔，在主机系统运行 时就可安装或拆除光纤通道硬 盘 • 可实现光纤和铜缆的连接。 • 在SAN中，扩展性强，支持连接 126块盘。 • 接口速率达8Gbit/s
硬盘数据组织
主要技术指标
转速:硬盘盘片每分钟转过的圈数(RPM)，决定磁盘旋转延 迟的时间，是影响硬盘连续IO时吞吐量性能的主要因素。 转速通常为5400/7200/10K/15K rpm。 平均寻道时间：硬盘磁头移动到数据所在磁道时所用的时 间，单位为毫秒。是影响磁盘随机IO性能的首要因素。 单碟容量：影响磁盘性能的间接因素。容量高则密度大， 会显示出更高的读写效率。 接口速度：是影响硬盘性能的一个最不重要的因素。目前 磁盘的接口速度都很高，对性能的影响远小于转速和寻道 时间。 缓存：由于CPU与硬盘总线之间存在比较大的速度差异， 为解决硬盘在读写数据时CPU的等待问题，在硬盘上设置 适当的高速缓存，以解决二者之间速度不匹配的问题。

计算机组成与系统结构
24
2.1.2 存储系统的分层结构
分层结构 局部性原理是存储系统层次结构技术可行性的基础. 一般:CPU频繁访问的信息 CPU不频繁访问的信息 高速存储器中 低速存储器中
计算机组成与系统结构
25
例: 二级存储器系统,第一级容量为1KB,访问时间1S； 第二级容量为1MB,访问时间10S。 CPU先访问第一级,如不在,就由第二级送至第一级.
计算机组成与系统结构
18
2.1 分级存储体系的形成
2.1.2 存储系统的分层结构

1.计算机应用对存储器要求的矛盾:
SC(价), C(价) C S
计算机组成与系统结构
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2.1.2 存储系统的分层结构

用户要求存储器的容量大,速度快.为解决容量、 速度、价格的矛盾,有效的措施是实现分级存储.
当r=100,要使e>0.9 当r=2, 要使e>0.9 H>0.998 H只需>0.889
注意:相邻两级存储器的速度差异不能太大,在 cache— 主存系统中,取r=5-7为好.
在主存—磁盘层次中, r= 104, 这很不理想,其间有 很大空档,从r不能太大的观点出发,最好应有一种S-CC介于其间的存储器作为中间层次. 29 计算机组成与系统结构
计算机组成与系统结构
22
2.1.2 存储系统的分层结构

2.存储器访问的局部性 它是存储器层次的设计思想，也是实现存储 器层次结构的先决条件。
主存
主存
空间局部性
计算机组成与系统结构
时间局部性
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2.1.2 存储系统的分层结构

实现存储系统的层次结构的先决条件（基础）： 存储器访问的局部性，即：时间局部性和空 间局部性。 时间上的局部性指的是当前正在使用的信息 很可能是后面立刻还要使用的信息。 空间上的局部性是指连续使用到的信息很可 能在存储空间上相邻或者相近。

RAID旳数据组织方式
分块：将一个分区提成多个大小相等旳、地址相邻旳块，这些块称为分块。 它是构成条带旳元素。 条带（Striping）：同一磁盘阵列中旳多个磁盘驱动器上旳相同位置构成条带， 提升同时读写性能
驱动器1
D6 D3 D0
磁盘上旳数 据分块
驱动器2
D7 D4 D1
磁盘上旳数 据分块
驱动器3
读取数据块D2，D3… 读取数据块D1 读取数据块D0
D0,D1,D2,D3,D4,D5
驱动器1 D4 D2 D0
驱动器2 D5 D3 D1
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
RAID 0数据丢失
阵列中某一种驱动器发生故障，将造成其中旳数据丢失。
驱动器1 D6 D3 D0
驱动器2 D7 D4 D1
磁盘失效 数据恢复
驱动器3 D5 D3 P0
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
RAID组合---RAID 10
• RAID 10是将镜像和条带进行组合旳RAID级别，先进行RAID 1镜像然后再做 RAID 0。RAID 10也是一种应用比较广泛旳RAID级别。
读取数据
D0,D1,D2,D3,D4,D5
SAS
FC
接口类型
并行
串行
并行
串行
串行
主流接口速 100MB/S
率
133MB/S
300MB/S 600MB/S
320MB/S
3GB/S 6GB/S
2GB/S、4GB/S 、8GB/S
容量
1T/2T/3T 4T/6T
转速
5900 rpm 7200 rpm
最大连接设
2
1 or 15 with

地址转换过程是：
CPU获得的逻辑地址首先与下限寄存器 的值相加，产生物理地址；然后与上限寄存 器的值比较。 1、若大于上限寄存器的值，产生“地址越界” 中断信号，由相应的中断处理程序处理； 2、若不大于上限寄存器的值，则该物理地址 就是合法地址，它对应于内存中的一个存储 单元。
案例分析
【例3-1】在某系统中采用固定分区分配管理 方式，内存分区(单位字节)情况如图3-10a所 示。现有大小为1KB、9KB、33 KB、121KB 的多个作业要求进人内存，试画出它们进入 内存后的空间分配情况，并说明内存浪费有 多大?
内存的在系统中的地位
CPU
内存
I/O 系统
外设
内存在计算机系统中的地位
3.1.1 存储体系
存储器存取 时间减少 存储器存取 速度加快 每位存储器 成本增加 存储器容量 减少 外 存 高速缓存器
程序和数据 可以被CPU 直接存取 内 存
程序和数据必 须先移到内存， 才能被CPU访问
三级存储器结构
存储器管理
单一连续分配仅适用于 单道程序设计环境，处 理机、主存都不能得到 充分的利用。
操作系统
32 KB
作业 分配给用户作 业的空间 未用
64 KB
1 60 KB
浪费
单一连续分配
特点：
（ 1 ）管理简单。它把主存分为两个区，用户区一 次只能装入一个完整的作业，且占用一个连续的 存储空间。它需要很少的软硬件支持，且便于用 户了解和使用。 （ 2 ）在主存中的作业不必考虑移动的问题，并且 主存的回收不需要任何操作。 （ 3 ）资源利用率低。不管用户区有多大，它一次 只能装入一个作业，这样造成了存储空间的浪费， 使系统整体资源利用率不高。 （4）这种分配方式不支持虚拟存储器的实现。

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3.2 主存储器
• 主存储器按其功能可分为RAM和 ROM。
一 二 随机存取存储器RAM 只读存储器ROM
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
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一、随机存取存储器RAM
MM
Y0
Bm-1
Y1
……
B0
An-1…A0
M A R
M A D
…
Y2n-2
Y2n-1
…
CS
WE
R/W读写 控制电路
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
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三、存储器的层次结构
1.分级原理： 根据程序执行的集中性和局部性原理而构建的分层结构。信 息流动分规律为从低速、大容量层次向高速、小容量层次流动 ，解决速度、价格、价格这三者之间的矛盾，层次间信息块的 调度由硬件和软件自动完成，其过程对用户透明。 2.三级存储管理系统： • Cache： • ·采用TTL工艺的SRAM，哈佛结构； • ·采用MOS工艺的SRAM，指令与数据混存，其与内存之间信息块 的调度（几十字节）全由Cache控制器硬件完成。 • 主存： • ·ROM常用FROM，E2PROM等构成； • ·RAM常用DRAM构成，RAM和ROM采用统一编码。 • 虚存： • 采用磁盘存储器，主存+OS中的存储器管理软件联合构成，其 信息块常用页、段表示，其间的信息块调度由管理软件完成。
字线
数 据 线 Cd
T
C
单管MOS动态存储器结构
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
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（2）DRAM存储器
RAS CAS WE OE 定时和控制
4M×4位的DRAM

Huawei Symantec Technologies Co., Ltd.
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•在整堂课 的教学 中，刘 教师总 是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
NAS (Network Attached Storage)
数据流
•在整堂课 的教学 中，刘 教师总 是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
存储系列产品
1 存储基础知识
2 存储产品介绍
课
程
3 技术建议书的制作
目
4 配置报价介绍
录
5 存储产品综合解决方案
6 竞争分析
Huawei Symantec Technologies Co., Ltd.
SAN (Storage Area Network)
LAN
数据流
存储设备
应用服务器
SAN
存储设备
存储设备
文件服务器
数据流
高可用性，高性能的专用存储网络，用于安全的连接服务器和存储设备并具备灵活
性和可扩展性；SAN对于数据库环境、数据备份和恢复存在巨大的优势；SAN是一种非
常安全的，快速传输、存储、保护、共享和恢复数据的方法。
IDE/ATA接口概述
IDE（Integrated Drive Electronics ，电子集成驱动器 ）它的本意是指把 “硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。 IDE仅代表第一代的 IDE标准，随着其接口技术的飞速发展，引入了许多新技术使这一IDE接口标 准得到了质的飞跃，并且引入了新的名称，如ATA （Advanced Technology Attachment ，高级技术附加装置 ）