1、計算機組成原理計算機組成原理第四章第四章 存儲器存儲器本章內容本章內容4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 主存儲器主存儲器 4.3 4.3 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器 4.4 4.4 輔助存儲器輔助存儲器4.3 高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（Cache）1. Cache-存儲器映象存儲器映象2. 替換算法替換算法問題的提出問題的提出1.CPU和和I/O爭搶訪問主存爭搶訪問主存2.主存速度始終跟不上主存速度始終跟不上CPU的發展的發展100MHz的的Pentium處理器平均處理器平均10ns就執行一條指令，就執行一條指令，而而DRAM的典型訪問時間是的典型訪問時間是60120ns。 Ca

2、che的出現主要使的出現主要使CPU不直接訪問主存，只不直接訪問主存，只與高速與高速Cache交換信息。交換信息。程序訪問的局部性原理程序訪問的局部性原理時間局部性：最近的訪問項（指令時間局部性：最近的訪問項（指令/數據）很可能在數據）很可能在不久的將來再次被訪問（往往會引起對最近使用區域不久的將來再次被訪問（往往會引起對最近使用區域的集中訪問）的集中訪問）空間局部性：一個進程訪問的各項其地址彼此很近空間局部性：一個進程訪問的各項其地址彼此很近（往往會訪問在存儲器空間的同一區域）（往往會訪問在存儲器空間的同一區域）Cache/主存存儲空間的基本結構主存存儲空間的基本結構主存儲器主存儲器主存塊號

3、主存塊號字塊字塊0字塊字塊1字塊字塊2m-1 主存塊號 塊內地址 n位m位b位M塊B個字 塊號 塊內地址 c位b位C塊B個字Cache標記標記字塊字塊0字塊字塊1字塊字塊2c-1塊長塊長：塊的大小：塊的大小B（=2b），即塊內字數。），即塊內字數。命中、不命中、命中率命中、不命中、命中率 Cache命中（命中（hit） CPU欲訪問的數據已在緩存中，即可直接訪問欲訪問的數據已在緩存中，即可直接訪問Cache Cache不命中（不命中（miss） CPU欲訪問的數據不在欲訪問的數據不在Cache內，此時需將該內，此時需將該數所在的主存整個子塊一次調入數所在的主存整個子塊一次調入Cache中。中。

4、 命中率命中率是指是指CPU要訪問的信息已在要訪問的信息已在Cache內的比率。通常用命中率來衡量內的比率。通常用命中率來衡量Cache的的效率。效率。Cache效率效率 Cache的的容量容量和和塊長塊長是影響是影響Cache效率的重效率的重要因素。要因素。 Cache容量越大，命中率越高。容量越大，命中率越高。 當當Cahce容量達到一定值時，命中率不會因容量容量達到一定值時，命中率不會因容量的增大而明顯提高。的增大而明顯提高。 Cache容量大，成本增加。容量大，成本增加。Cache的命中率與的命中率與cache容量的關系容量的關系 C H 1Cache容量容量命中率命中率塊容量與命中率

5、塊容量與命中率 容量大 BC 1 H 容量小 命中率命中率塊大小塊大小Cache的讀數操作流程的讀數操作流程開始開始CPU發出訪存地址發出訪存地址訪問訪問Cache取取出信息送出信息送CPU命命中中?結束結束訪問主存取出訪問主存取出信息送信息送CPU將新的主存塊將新的主存塊調入調入Cache中中執行替換算執行替換算法騰出空位法騰出空位Cache滿滿?YNNYCache的寫操作的寫操作命中命中寫直達法（寫直達法（Write-through、Store-though）每次寫入每次寫入Cache的同時，也寫入主存。的同時，也寫入主存。寫回法（寫回法（Write-back）：）：執行寫操作時，信息只寫

6、入執行寫操作時，信息只寫入Cache；當當Cache塊被替換時，先將該塊內容寫回主存，然后再調入新頁。塊被替換時，先將該塊內容寫回主存，然后再調入新頁。信息只寫入主存，同時將相應的信息只寫入主存，同時將相應的Cache塊塊有效位有效位置置“0”不命中：被修改的單元根本不在不命中：被修改的單元根本不在Cache內，此時寫操作內，此時寫操作只能對主存進行。只能對主存進行。比較比較寫回法的開銷是在塊替換時的回寫時間，而寫直達法則在每次寫回法的開銷是在塊替換時的回寫時間，而寫直達法則在每次寫入時，都要附加一個比寫寫入時，都要附加一個比寫Cache長得多的寫主存時間。長得多的寫主存時間。一般來說，寫直達

7、法的開銷大一些，但其一般來說，寫直達法的開銷大一些，但其一致性一致性保持的要好一保持的要好一些。些。關鍵在于如何使關鍵在于如何使Cache與主存內容保持一致。與主存內容保持一致。Cache的基本結構的基本結構Cahce存儲體、地址映象變換機構、替換機構存儲體、地址映象變換機構、替換機構 Cahce存儲體存儲體 以塊為單位和主存交換信息以塊為單位和主存交換信息 Cache訪存的優先級最高訪存的優先級最高 地址映象變換機構地址映象變換機構 主要是主要是 主存塊號和主存塊號和Cache塊號之間的轉換。塊號之間的轉換。 四種映象：直接映象、全相聯映象、組相聯映象和四種映象：直接映象、全相聯映象、組相聯

8、映象和段相聯映象。段相聯映象。 替換機構替換機構 Cache內容已滿時，無法接受來自主存塊的信內容已滿時，無法接受來自主存塊的信息，需由息，需由Cache內的替換機構按一定的內的替換機構按一定的替換算替換算法法來確定從來確定從Cache內移出某個塊寫回主存。內移出某個塊寫回主存。Cache的改進的改進 近年來多采用多個近年來多采用多個Cache，其含義有兩個，其含義有兩個方面：一是增加方面：一是增加Cache的級數；二是將統的級數；二是將統一的一的Cache變成分開的變成分開的Cache。 單一緩存和兩級緩存單一緩存和兩級緩存 統一緩存和分開緩存統一緩存和分開緩存單一緩存和兩級緩存單一緩存和兩

9、級緩存 單一緩存單一緩存：在：在CPU和主存之間只設一個緩和主存之間只設一個緩存。存。 片內緩存（片載緩存）片內緩存（片載緩存）：讓出存儲總線：讓出存儲總線 速度快、容量受限。速度快、容量受限。 兩級緩存兩級緩存：在主存和片內緩存之間在加一：在主存和片內緩存之間在加一級緩存（即級緩存（即片外緩存片外緩存）。）。 這種由片外緩存和片內緩存組成的這種由片外緩存和片內緩存組成的Cache，叫，叫做兩級緩存，并稱片內緩存為第一級，片外緩做兩級緩存，并稱片內緩存為第一級，片外緩存為第二級。存為第二級。統一緩存和分開緩存統一緩存和分開緩存統一緩存統一緩存：指令和數據存放在同一：指令和數據存放在同一Cach

10、e內內分開緩存（分開緩存（Harvard結構）結構）：指令和數據分別存：指令和數據分別存放在放在I_Cache和和D_Cache內。內。選用時要考慮的兩個主要因素：選用時要考慮的兩個主要因素：1.與主存結構有關：如果計算機的主存是統一的（指令與主存結構有關：如果計算機的主存是統一的（指令和數據在同一主存內），則相應的和數據在同一主存內），則相應的Cache采用統一緩采用統一緩存；如果主存采用指令、數據分開存放的方案，則相存；如果主存采用指令、數據分開存放的方案，則相應的應的Cache采用分開緩存。采用分開緩存。2.與機器對指令執行的控制方式有關：當采用與機器對指令執行的控制方式有關：當采用超前

11、控制超前控制或或流水線控制流水線控制方式時，一般都采用分開緩存。方式時，一般都采用分開緩存。超前控制、流水線控制超前控制、流水線控制 超前控制超前控制：是指在當前指令執行過程尚未結束時，：是指在當前指令執行過程尚未結束時，就提前將下一條準備執行的指令取出，這一過程就提前將下一條準備執行的指令取出，這一過程叫超前取指或叫指令預取。叫超前取指或叫指令預取。 流水線控制流水線控制：實質上是多條指令同時執行。：實質上是多條指令同時執行。 超前控制和流水線控制特別強調指令的預取和指超前控制和流水線控制特別強調指令的預取和指令的并行執行。因此，這類機器必須將指令令的并行執行。因此，這類機器必須將指令Cac

12、he和數據和數據Cache分開，分開，否則可能出現取指和否則可能出現取指和執行過程對統一緩存的爭用執行過程對統一緩存的爭用。 如果采用統一緩存，執行部件向緩存發出取數請求時，如果采用統一緩存，執行部件向緩存發出取數請求時，一旦指令預取機構也向緩存發出取指請求，那么統一一旦指令預取機構也向緩存發出取指請求，那么統一緩存只有先滿足執行部件要求，將數據送到執行部件，緩存只有先滿足執行部件要求，將數據送到執行部件，而取指請求暫時等待，顯然達不到預取指令的目的。而取指請求暫時等待，顯然達不到預取指令的目的。Cache主存地址映象主存地址映象 由主存地址映象到由主存地址映象到CacheCache地址稱為地

13、址映象。地址稱為地址映象。 直接映象直接映象 全相聯映象全相聯映象 組相聯影響組相聯影響 段相連映象段相連映象1. 直接映象直接映象CacheCache字塊數為：字塊數為：C=2C=2c c主存字塊數為：主存字塊數為：M=2M=2m m映射關系式：映射關系式：i=j mod Ci=j mod C 或或 i=j mod 2i=j mod 2c c字塊字塊0 0字塊字塊1 1字塊字塊2 2c c-1-1字塊字塊2 2c c字塊字塊2 2c c+1+1字塊字塊2 2c+1c+1-1-1字塊字塊2 2c+1c+1字塊字塊2 2m m-1-1主存儲器主存儲器字塊字塊0 0字塊字塊1 1字塊字塊2 2c

14、c-1-1Cache緩存塊號緩存塊號i主存塊號主存塊號j00，C，2m-C11， C1，2m-C1C-1C-1，2C-1, ，2m-11. 直接映象（續）直接映象（續）1. 直接映象（續）直接映象（續）訪問順序 1 2 3 4 5 6 7 8 塊地址 22 26 22 26 16 4 16 18 塊分配情況 操作狀態 調進 調進 命中 命中 調進 調進 命中 替換 - - - - - - 22 - - - 26 - - - 22 - - - 26 - - - 22 - - - 26 - - - 22 - 16 - 26 - - - 22 - 16 - 26 - 4 - 22 - 16 - 26

15、 - 4 - 22 - 16 - 18 - 4 - 22 - 字塊號012345671. 直接映象（續）直接映象（續） 優點：實現簡單，只需利用主存地址的某些位直優點：實現簡單，只需利用主存地址的某些位直接判斷，就可確定所需字塊是否在緩存中。接判斷，就可確定所需字塊是否在緩存中。 缺點：效率低。因為每個主存塊固定地對應某個缺點：效率低。因為每個主存塊固定地對應某個緩存塊（有緩存塊（有2t個主存字塊對應同一個個主存字塊對應同一個Cache字字塊），如果這塊），如果這2t個字塊中有兩個或兩個以上的主個字塊中有兩個或兩個以上的主存字塊要調入存字塊要調入Cache，必然會發生沖突。這時，必然會發生沖突

16、。這時，即使即使Cache中還有很多空閑塊也無法占用，使緩中還有很多空閑塊也無法占用，使緩存的空間得不到充分的利用。存的空間得不到充分的利用。2. 全相聯映像全相聯映像 主存 cache 第 0 塊 第 1 塊 第 0 塊 第 1 塊 第 2c-1 塊 第 2m- 1 塊 標記標記標記主存字塊標記主存字塊標記字塊內地址字塊內地址主存地址主存地址m=t+c位位b位位m=t+c位位Cache“標記位標記位”增多，比較位數增加；而且訪問增多，比較位數增加；而且訪問Cache時需要和時需要和Cache的全的全部部“標記標記”進行比較，才能判斷出所訪問的主存地址的內容是否已在進行比較，才能判斷出所訪問的

17、主存地址的內容是否已在Cache內。內。2. 全相聯映像（續）全相聯映像（續）訪問順序 1 2 3 4 5 6 7 8 地址 22 26 22 26 16 4 16 18 塊分配情況 操作狀態 調進 調進 命中 命中 調進 調進 命中 調進 22 - - - - - - - 22 26 - - - - - - 22 26 - - - - - - 22 26 - - - - - - 22 26 16 - - - - - 22 26 16 4 - - - - 22 26 16 4 - - - - 22 26 16 4 18 - - - 字塊號012345673. 組相聯映象組相聯映象字塊0字塊1字

18、塊2c-r-1字塊2c-r字塊2c-r+1字塊2c-r+1字塊2m-1主存儲器主存儲器標記字塊0標記字塊1標記字塊2標記字塊3標記字塊2c-2標記字塊2c-1Cache（r1）第第0組組第第1組組第第2c-r-1組組主存地址主存地址主存子塊標記組地址子塊內地址s=t+r位q=c-r位b位m位3. 組相聯映象（續）組相聯映象（續） 原理：把Cache分為Q(=2q)組，每組有R(=2r)塊，且 i=j mod Q 其中，i為緩存的組號，j為主存的塊號 r0，直接相聯；rc，全相聯。 在主存塊和Cache的各組之間，屬于直接映象關系；而主存塊可以映射到對應組內的任何一塊，這又體現出了全相聯映象的關

19、系。4.段相聯映象段相聯映象 它將主存和它將主存和Cache都分成若干段，且使得都分成若干段，且使得它們每段包含的塊數都相等它們每段包含的塊數都相等 段之間采用全相聯映象，段內塊之間采用段之間采用全相聯映象，段內塊之間采用直接映象直接映象。 當段數與當段數與Cache塊數相等時（即每段只包塊數相等時（即每段只包含一塊），便為全相聯映象；當段數為含一塊），便為全相聯映象；當段數為1時，時，便為直接映象。便為直接映象。四種映象方式比較四種映象方式比較 直接映象直接映象：優點是實現簡單，缺點是不夠靈活。：優點是實現簡單，缺點是不夠靈活。 全相聯映象全相聯映象：實現電路較多：實現電路較多,成本較高，實

20、際的成本較高，實際的Cache還要采用各種措施來減少地址的比較次還要采用各種措施來減少地址的比較次數。數。 組相聯映象和段相聯映象組相聯映象和段相聯映象：是直接映象和全相：是直接映象和全相聯映象相結合的兩種形式。聯映象相結合的兩種形式。Cache的性能和類型的性能和類型 地址映象與命中率地址映象與命中率直接相聯全相聯CH組相聯和段相聯組相聯和段相聯替換算法 替換算法替換算法 先進先出算法（先進先出算法（FIFO）：選擇最早裝入的選擇最早裝入的Cache字塊替換出來。這種算法實現起來比較字塊替換出來。這種算法實現起來比較方便，但不能正確反映程序的局部性。因為最方便，但不能正確反映程序的局部性。因

21、為最先進入的字塊也可能是目前經常要用的字塊，先進入的字塊也可能是目前經常要用的字塊，因此，采用這種算法，有可能產生較大的失效因此，采用這種算法，有可能產生較大的失效率。率。 近期最少使用算法（近期最少使用算法（LRU）：選擇選擇“近期最少近期最少使用使用”塊作為調出塊，這種算法能比較正確反塊作為調出塊，這種算法能比較正確反映程序的局部性，因為當前最少使用的塊一般映程序的局部性，因為當前最少使用的塊一般來說也是未來最少被訪問的塊。但是它的具體來說也是未來最少被訪問的塊。但是它的具體實現比實現比FIFO要復雜一些。要復雜一些。 隨機替換隨機替換FIFO替換算法替換算法 訪問順序 1 2 3 4 5

22、 6 7 8 地址塊號 2 11 2 9 7 6 4 3 塊分配情況 操作狀態 調進 調進 命中 調進 調進 替換 替換 替換 2 - - - 2 11 - - 2 11 - - 2 11 9 - 2 11 9 7 6 11 9 7 6 4 9 7 6 4 3 7 顛簸現象顛簸現象 訪問順序 1 2 3 4 5 6 7 8 地址塊號 2 11 9 7 6 2 11 9 塊分配情況 操作狀態 調進 調進 調進 調進 替換 替換 替換 替換 先進先出替換方式下的cache內容顛簸情況 2 - - - 2 11 - - 2 11 9 - 2 11 9 7 6 11 9 7 6 2 9 7 6 2 1

23、1 7 6 2 11 9 近期最少使用算法近期最少使用算法 訪問順序 1 2 3 4 5 6 7 8 地址塊號 2 11 2 9 7 6 4 3 塊分配情況 操作狀態 調進 調進 命中 調進 調進 替換 替換 替換 2* - - - 2* 11 - - 2 11* - - 2 11* 9 - 2 11* 9 7 2* 6 9 7 4 6 9* 7 4 6 3 7 例：選最近例：選最近4 4次訪問期間最少使用次訪問期間最少使用CacheCache塊作為被替換的塊。塊作為被替換的塊。Pentium處理器框圖處理器框圖指令指令Cache(8KB)Cache(8KB)分支預測分支預測預取指令緩沖區預取

24、指令緩沖區整數整數ALUALU整數整數ALUALU整數寄存器組整數寄存器組數據數據Cache(8KB)Cache(8KB)浮點單元浮點單元除法器加法器乘法器寄存器組6464位總位總線接口線接口3232323232位64位U管道V管道256位Pentium處理器的片內處理器的片內Cache00010000F4901158AC01LRULRU位位標記標記 狀態狀態標記標記 狀態狀態000F50100F59011271270 01271270 0主存地址結構主存地址結構（共（共32位）位）20732標記標記 組號組號 雙字雙字 字節字節PowerPC 620處理器框圖處理器框圖指令Cache32KB

25、指令單元128位L2/總線接口整數寄存器整數ALU整數ALU整數ALU存/取單元浮點寄存器浮點ALU數據Cache32KB64bits64bits128bits128bits4.4 輔助存儲器輔助存儲器1.磁表面存儲器磁表面存儲器l磁記錄原理和記錄方式磁記錄原理和記錄方式l硬磁盤存儲器硬磁盤存儲器l軟盤存儲器軟盤存儲器l磁帶存儲器磁帶存儲器2.光盤存儲器光盤存儲器3.循環冗余校驗碼、奇偶校驗碼循環冗余校驗碼、奇偶校驗碼輔助存儲器的特點輔助存儲器的特點 外存外存 硬盤、軟盤、磁帶、光盤（硬盤、軟盤、磁帶、光盤（CD ROM） 容量大容量大，GigaBytes 速度慢速度慢, 7200轉轉/min

26、，速率，速率100Mb/s RAM：幾百兆：幾百兆(存取周期幾十納秒存取周期幾十納秒) 價格低價格低，80G/￥800.00 內存：內存：256M/￥400.00 可脫機保存信息，具有非易失性的特點可脫機保存信息，具有非易失性的特點磁表面存儲器磁表面存儲器主要內容主要內容1. 技術指標技術指標記錄密度、容量、尋址時間、傳輸率、誤碼率記錄密度、容量、尋址時間、傳輸率、誤碼率2. 磁記錄原理磁記錄原理3. 磁盤記錄格式磁盤記錄格式4. 評價記錄方式的主要指標評價記錄方式的主要指標5. 硬磁盤存儲器硬磁盤存儲器6. 軟磁盤存儲器軟磁盤存儲器7. 磁帶存儲器磁帶存儲器磁記錄設備磁記錄設備盤片磁道磁頭磁

27、盤磁帶磁盤驅動器移動技術指標記錄密度技術指標記錄密度 記錄密度：道密度（磁盤）、位密度（磁盤、記錄密度：道密度（磁盤）、位密度（磁盤、磁帶）磁帶） 道密度：沿半徑方向單位長度磁道數道密度：沿半徑方向單位長度磁道數 單位：道單位：道/英寸（英寸（ TPI，Tracks Per Inch） P：道距：道距 位密度：單位長度磁道所記錄的數據位數，單位位密度：單位長度磁道所記錄的數據位數，單位為位為位/英寸（英寸（bpi）或位）或位/毫米（毫米（bpm）PDt1mindfDtb每道總位數，各道相同同心圓最小直徑技術指標容量技術指標容量 容量：存儲的信息總量容量：存儲的信息總量 以磁盤為例以磁盤為例 磁

28、盤總容量磁盤總容量Cnks n：盤面數，：盤面數，k：每面磁道數，：每面磁道數，s：每道記錄代碼數：每道記錄代碼數 非格式化容量：磁表面可以利用的磁化單元總數。非格式化容量：磁表面可以利用的磁化單元總數。 格式化容量：按某種特定的記錄格式所能存儲信息的格式化容量：按某種特定的記錄格式所能存儲信息的總量，約為非格式化容量的總量，約為非格式化容量的60%70技術指標尋址時間技術指標尋址時間 磁盤尋址過程：先尋道，再定位記錄磁盤尋址過程：先尋道，再定位記錄 尋址時間尋道時間（尋址時間尋道時間（ts）等待時間（）等待時間（tw） 平均尋址時間平均尋址時間 尋道：最外、最內、相鄰，各不相同尋道：最外、最

29、內、相鄰，各不相同 等待時間：外道、內道長度不同等待時間：外道、內道長度不同 磁帶尋址過程：順序存取，磁頭不動，磁帶空磁帶尋址過程：順序存取，磁頭不動，磁帶空轉到指定位置。轉到指定位置。 尋址時間空轉時間尋址時間空轉時間22minmaxminmaxwwsswasaattttttT技術指標傳輸率、誤碼率技術指標傳輸率、誤碼率 傳輸率傳輸率： 單位時間傳輸的數據量（字節、位）單位時間傳輸的數據量（字節、位） Dr記錄密度（記錄密度（D）介質運行速度（介質運行速度（V） 誤碼率誤碼率： 讀出時，出錯位數讀出時，出錯位數/讀出的總位數讀出的總位數 為了減少出錯率，磁表面存儲器通常采用循環冗為了減少出錯

30、率，磁表面存儲器通常采用循環冗余碼來發現并糾正錯誤。余碼來發現并糾正錯誤。磁記錄原理磁記錄原理 磁記錄機制磁記錄機制 寫：將磁層表面單元磁化，極性區別寫：將磁層表面單元磁化，極性區別“0”、“1” 讀：磁化單元的磁通，產生感應電勢，方向區別讀：磁化單元的磁通，產生感應電勢，方向區別“0”、“1” 水平記錄、垂直記錄水平記錄、垂直記錄磁記錄原理磁記錄原理讀、寫過程讀、寫過程 寫入：寫入：記錄介質在磁頭下勻速通過記錄介質在磁頭下勻速通過,磁頭線圈中通入一定方磁頭線圈中通入一定方向和大小的電流向和大小的電流,則會在介質上形成一個磁化單元則會在介質上形成一個磁化單元. 電流方電流方向不同向不同,則磁化

31、方向也不同則磁化方向也不同.一個磁化方向規定為一個磁化方向規定為“0”,另一另一個磁化方向就規定為個磁化方向就規定為“1”. 讀出：讀出：記錄介質在磁頭下勻速通過時記錄介質在磁頭下勻速通過時,讀出線圈會感應出電讀出線圈會感應出電壓壓,磁化方向不同磁化方向不同,則感應電壓就不同則感應電壓就不同,對感應電壓進行放大對感應電壓進行放大和整型和整型,就可以讀出就可以讀出“0”或或“1”.磁表面記憶原理磁表面記憶原理記錄方式記錄方式磁記錄方式又稱為編碼方式磁記錄方式又稱為編碼方式，它是按某種規律，它是按某種規律，將一串二進制數字信息變換成磁表面相應的磁將一串二進制數字信息變換成磁表面相應的磁化狀態。化狀

32、態。磁記錄方式對記錄密度和可靠性都有很大影響。磁記錄方式對記錄密度和可靠性都有很大影響。常用的編碼方式有：常用的編碼方式有：1. 1.歸零制（歸零制（NZNZ）2.2.不歸零制（不歸零制（NRZNRZ） 3.3.見見 1 1 就翻的就翻的 NRZ1NRZ14.4.調相制調相制 （PMPM）5.5.調頻制調頻制 （FMFM）6.6.改進調頻制（改進調頻制（MFMMFM）磁表面存儲器的磁記錄原理磁表面存儲器的磁記錄原理 （1） 歸零制（歸零制（RZ） 正脈沖電流表示正脈沖電流表示“1”，負脈沖電流表示，負脈沖電流表示“0”； 不論記錄不論記錄“0”或或“1”，在記錄下一個信息前，記錄電，在記錄下一

33、個信息前，記錄電流恢復到零電流。流恢復到零電流。 簡單易行，記錄密度低，改寫磁層上的記錄比較困難，簡單易行，記錄密度低，改寫磁層上的記錄比較困難，一般是先去磁后寫入。一般是先去磁后寫入。 具有自同步能力（能從磁頭讀出信號中分離獲得同步信具有自同步能力（能從磁頭讀出信號中分離獲得同步信號）號） （2）不歸零制（）不歸零制（NRZ） 磁頭線圈始終有電流，電流方向見變就翻磁頭線圈始終有電流，電流方向見變就翻 對連續記錄的對連續記錄的“1”和和“0”，寫電流的方向是不改變的。，寫電流的方向是不改變的。 無自同步能力。無自同步能力。011100010011100010磁表面存儲器的磁記錄原理磁表面存儲器

34、的磁記錄原理 （3 3）見）見“1”1”就翻的不歸零制（就翻的不歸零制（NRZ1NRZ1） 磁頭線圈始終有電流通過。磁頭線圈始終有電流通過。 在記錄在記錄“1”時，電流改變方向，寫時，電流改變方向，寫“0”電流保持不變。電流保持不變。 不具備自同步能力，需要引用外同步信號不具備自同步能力，需要引用外同步信號 （4）調相制（）調相制（PM）：又稱為相位編碼（）：又稱為相位編碼（PE） 記錄數據記錄數據“0”時，規定磁化翻轉的方向由負變為正，記時，規定磁化翻轉的方向由負變為正，記錄數據錄數據“1”時從正變為負時從正變為負 “0”，“1”的讀出信號相位不同，抗干擾能力強的讀出信號相位不同，抗干擾能力

35、強磁帶多用此方式磁帶多用此方式 具有自同步能力具有自同步能力011100010011100010磁表面存儲器的磁記錄原理磁表面存儲器的磁記錄原理 （5）調頻制（）調頻制（FM） 頻率變化（頻率變化（“1”的頻率是的頻率是“0”的兩倍）的兩倍） 在位與位之間的邊界處都要翻轉一次在位與位之間的邊界處都要翻轉一次 具有自同步能力。具有自同步能力。 用于軟硬磁盤用于軟硬磁盤 （6）改進調頻制（）改進調頻制（MFM） 不是在每個位周期的起始處都翻轉。當連續兩不是在每個位周期的起始處都翻轉。當連續兩個或兩個以上個或兩個以上“0”時，在位周期的起始位置翻時，在位周期的起始位置翻轉一次。轉一次。 具有自同步能

36、力具有自同步能力011100010011100010磁記錄方式編碼方式磁記錄方式編碼方式NRZ1MFM 寫電流波形的形式011100010RZNRZPMFM在每一位的起點電流都反轉只有在連續多個“0”時，起點電流才反轉，密度高。見1就翻見變就翻無電流、空白，密度低評價記錄方式的主要指標評價記錄方式的主要指標 編碼效率編碼效率：是指位密度與磁化翻轉密度的比值，用：是指位密度與磁化翻轉密度的比值，用記錄一位信息的最大反轉次數表示記錄一位信息的最大反轉次數表示 FM、PM：最多反轉：最多反轉2次，效率次，效率50 NRZ、NRZ1、MFM：最多反轉：最多反轉1次，效率次，效率100 自同步能力自同步

37、能力 自同步能力是指從單個磁道讀出的脈沖序列中提取同步自同步能力是指從單個磁道讀出的脈沖序列中提取同步脈沖的難易程度。脈沖的難易程度。 外同步：從專門設置的用來記錄同步信號的磁道中取得外同步：從專門設置的用來記錄同步信號的磁道中取得同步脈沖。同步脈沖。 NRZ、NRZ1 自同步：記錄方式中隱含同步信息自同步：記錄方式中隱含同步信息 PM、FM、MFM 自同步能力自同步能力(R)最小反轉間隔最小反轉間隔/最大反轉間隔最大反轉間隔 FM：R=1/2NRZ1的讀出代碼波形的讀出代碼波形0 1 1 0 0 1 0數據序列數據序列驅動電流驅動電流磁通變化磁通變化同步脈沖同步脈沖讀出代碼讀出代碼感應電勢感

38、應電勢( (寫入寫入) )( (磁化單元磁化單元) )( (讀出讀出) )硬磁盤存儲器硬磁盤存儲器硬盤的發展硬盤的發展和幾個指標和幾個指標1956年，美國IBM公司研制成第一個商品化的硬磁盤。1973年，IBM又發明了溫徹斯特(溫氏)磁盤，簡稱溫盤。80年代以來，硬盤隨微機的普及而廣泛使用。硬盤的幾個指標： 體積：體積：5.25英寸/全高、3.5英寸/半高(臺式PC)；2.5英寸(筆記本PC)容量：容量： 1040MB(8086/286) 80GB(目前)傳輸速率：傳輸速率： 100KB/s 50MB/s平均尋道時間：平均尋道時間： 80ms 5ms轉速：轉速： 目前大約為7200轉/s。磁盤

39、類型磁盤類型 固定磁頭磁盤存儲器和移動磁頭磁盤存儲器固定磁頭磁盤存儲器和移動磁頭磁盤存儲器 固定磁頭磁盤存儲器固定磁頭磁盤存儲器：磁頭位置固定不變，磁盤：磁頭位置固定不變，磁盤上每個磁道都對應一個磁頭，盤片也不可更換。上每個磁道都對應一個磁頭，盤片也不可更換。 移動磁頭磁盤存儲器移動磁頭磁盤存儲器：磁頭在片面上做徑向運動。：磁頭在片面上做徑向運動。 可換盤磁盤存儲器和固定盤磁盤存儲器可換盤磁盤存儲器和固定盤磁盤存儲器 可換盤磁盤存儲器可換盤磁盤存儲器：盤片可以更換，脫機保存。：盤片可以更換，脫機保存。 固定盤磁盤存儲器固定盤磁盤存儲器：盤片不可更換。：盤片不可更換。磁盤類型（示意圖）磁盤類型（

40、示意圖）磁道磁道固定磁頭固定磁頭移動磁頭移動磁頭移動磁頭多盤片磁盤移動磁頭多盤片磁盤溫 徹 斯 特 磁 盤 存 儲 器溫 徹 斯 特 磁 盤 存 儲 器（溫盤）（溫盤）是一種可移動是一種可移動磁頭固定盤片的磁盤存磁頭固定盤片的磁盤存儲器，采用密封組合式儲器，采用密封組合式結構，將磁頭、驅動部結構，將磁頭、驅動部件、盤體、讀寫電路及件、盤體、讀寫電路及主軸驅動機構等封裝在主軸驅動機構等封裝在一起形成一個不能隨意一起形成一個不能隨意拆卸的整體（叫做拆卸的整體（叫做頭盤頭盤組合體組合體），具有防塵性），具有防塵性好、可靠性高等優點。好、可靠性高等優點。溫盤溫盤硬磁盤存儲器的結構硬磁盤存儲器的結構 硬

41、磁盤存儲器有磁盤驅動器、磁盤控制器和盤片組成。主機磁盤控制器磁盤驅動器盤片磁盤驅動器的結構及定位驅動系統磁盤驅動器的結構及定位驅動系統磁盤驅動器又稱磁盤機，包括主軸、定位驅動系統和數據控制等磁盤驅動器又稱磁盤機，包括主軸、定位驅動系統和數據控制等.磁盤控制器磁盤控制器 磁盤控制器是主機與磁盤驅動器之間的接口。磁盤控制器是主機與磁盤驅動器之間的接口。 磁盤控制器內部包含兩個接口：磁盤控制器內部包含兩個接口： 對主機的接口，稱作系統級接口；二是對硬盤（設備）的接口，稱作設對主機的接口，稱作系統級接口；二是對硬盤（設備）的接口，稱作設備級接口。備級接口。 磁盤控制器與主機之間的界面比較清晰，只與主機

42、的系統總線磁盤控制器與主機之間的界面比較清晰，只與主機的系統總線打交道，即數據的發送或接收，都是通過總線完成的。打交道，即數據的發送或接收，都是通過總線完成的。 磁盤控制器與驅動器之間的界面則可以放在多個不同的位置。磁盤控制器與驅動器之間的界面則可以放在多個不同的位置。驅動器驅動器硬磁盤的磁道記錄格式硬磁盤的磁道記錄格式 定長記錄格式 不定長記錄格式磁道磁道(Track(Track)：磁面上均勻分布的同心圓存儲軌跡。最外層為0磁道。盤面盤面：磁盤組由多個同軸盤片組成，每個盤片都是雙面存儲，第一個盤片的第一面為0磁面，下一個為1磁面；第二個盤片的第一面為2磁面，以此類推。扇區扇區(Sector(

43、Sector)：磁道上等弧度劃分的扇段。一般一個扇區的存儲容量為512字節。柱面柱面(Cylinder(Cylinder)：各個盤面上同一編號磁道的組合。定長記錄格式定長記錄格式盤體、磁道、扇區和柱面盤體、磁道、扇區和柱面信息交換通常在柱面上進行。柱面個數等于磁道數。信息交換通常在柱面上進行。柱面個數等于磁道數。柱面號就是磁道號，磁頭號則是盤面號。柱面號就是磁道號，磁頭號則是盤面號。單個扇區磁道磁道磁道磁盤地址：臺號磁道號盤面號扇段號定長記錄格式定長記錄格式硬盤上的數據分布硬盤上的數據分布磁盤地址：臺號磁道號盤面號扇段號定長記錄格式定長記錄格式ISOT型磁道記錄格式型磁道記錄格式 結構簡單，可

44、按柱面號、盤面號、扇段號進行直接尋址，但是記錄區的利用率不高。頭空 序標數據（512字節）檢驗字段尾空R0R1R2R11運動方向運動方向扇區標志0和磁道標志 扇區標志1扇區標志2扇區標志11扇標脈沖一個扇段（記錄塊）下一扇段不定長記錄格式不定長記錄格式IBM2311盤的不定長度磁道記錄格式IDG1HAG2R0G3R1G2Rn磁道格式標志F柱面號C C磁頭號C C塊號 R鍵長KL數據長度DL DL校驗C CG2關鍵字Key校驗C CG2數據D校驗C C起始標志間隙磁道地址塊磁道標識塊間隙間隙數據塊間隙數據塊數據塊計數區關鍵字區數據區 定長記錄格式：若文件長度不是定長記錄的整數倍時，往往造成記錄塊

45、的浪費 不定長記錄格式：根據需要來決定記錄塊的長度，如IBM2311、2314等磁盤驅動器。硬磁盤存儲器的發展方向硬磁盤存儲器的發展方向1.半導體盤半導體盤用半導體材料制成的用半導體材料制成的“盤盤”，實際上它并沒有盤，而是，實際上它并沒有盤，而是以半導體芯片為核心，加上接口電路和其他控制電路組以半導體芯片為核心，加上接口電路和其他控制電路組成的，在功能上模擬硬盤。成的，在功能上模擬硬盤。EEPROMFlash Memory2.提高磁盤記錄密度提高磁盤記錄密度3.提高傳輸率和縮短存取時間提高傳輸率和縮短存取時間提高主軸轉速提高主軸轉速磁盤磁盤Cache4.采用磁盤陣列采用磁盤陣列RAID將并行

46、處理技術引入磁盤系統。使用多臺小型溫盤構成將并行處理技術引入磁盤系統。使用多臺小型溫盤構成同步化的磁盤陣列，數據分開存放。但是從外部看來有同步化的磁盤陣列，數據分開存放。但是從外部看來有時一個整體，可以像操作一臺溫盤那樣操作磁盤陣列，時一個整體，可以像操作一臺溫盤那樣操作磁盤陣列，使數據傳輸時間為單臺盤的使數據傳輸時間為單臺盤的1/n(n為并行驅動器的個數為并行驅動器的個數)。軟盤、磁帶、光盤軟盤、磁帶、光盤軟盤存儲器軟盤存儲器 軟盤，也稱軟磁盤（軟盤，也稱軟磁盤（floppy disk）。）。 軟盤盤片是用類似塑料薄膜唱片的柔性材料制成的，軟盤盤片是用類似塑料薄膜唱片的柔性材料制成的，表面涂

47、有厚為表面涂有厚為2.33.0m的磁層。的磁層。 按直徑有按直徑有8英寸，英寸，5.25英寸，英寸，3.5英寸等幾種。英寸等幾種。 盤片尺寸越小，記錄密度越高，受溫度影響也小，盤片盤片尺寸越小，記錄密度越高，受溫度影響也小，盤片不易變形，能保證讀寫的精度。不易變形，能保證讀寫的精度。 隨著技術的進步，隨著技術的進步，8英寸，英寸，5.25英寸已經被淘汰。英寸已經被淘汰。目前尚在使用的軟盤是目前尚在使用的軟盤是3.5英寸的軟盤，但是也已英寸的軟盤，但是也已處于將被淘汰的地位。處于將被淘汰的地位。磁帶存儲器磁帶存儲器 磁帶存儲器由磁帶和磁帶機兩部分組成。磁帶存儲器由磁帶和磁帶機兩部分組成。 磁帶磁

48、帶 磁帶長度：磁帶長度：2400英尺、英尺、1200英尺、英尺、600英尺等英尺等 磁帶寬度：磁帶寬度：1/4英寸、英寸、1/2英寸、英寸、1英寸、英寸、3英寸等英寸等 記錄密度：記錄密度：800bpi、1600bpi、 6250bpi等等 磁帶表面并行記錄信息的道數：磁帶表面并行記錄信息的道數：7道、道、9道、道、16道道 磁帶機磁帶機 磁帶機規模：標準半英寸磁帶機、海量磁帶機和盒式磁帶機規模：標準半英寸磁帶機、海量磁帶機和盒式磁帶機磁帶機 磁帶機走帶速度：高速磁帶機（磁帶機走帶速度：高速磁帶機（45m/s）、中速磁帶）、中速磁帶機（機（23m/s）和低速磁帶機（）和低速磁帶機（2m/s以下

49、）。磁帶的數以下）。磁帶的數據傳輸率取決于記錄密度和走帶速度。據傳輸率取決于記錄密度和走帶速度。 按磁帶記錄格式分：起停式和數據流式兩種。現代計按磁帶記錄格式分：起停式和數據流式兩種。現代計算機系統中用的更多的是數據流磁帶機。算機系統中用的更多的是數據流磁帶機。數據流磁帶機數據流磁帶機 數據流磁帶機數據流磁帶機將數據連續寫在磁帶上，在數據塊將數據連續寫在磁帶上，在數據塊之間插入記錄間隙，這樣磁帶機在數據塊之間不之間插入記錄間隙，這樣磁帶機在數據塊之間不用起停。用起停。 而起停式磁帶機在數據塊之間是需要啟動和停止。而起停式磁帶機在數據塊之間是需要啟動和停止。 數據流磁帶機采用串行讀寫方式。數據流

50、磁帶機采用串行讀寫方式。 而起停式磁帶機采用并行讀寫方式。而起停式磁帶機采用并行讀寫方式。1道3道0道2道BOTEOT磁帶的記錄格式磁帶的記錄格式 磁帶機與主機之間進行信息傳送的最小單位是數據磁帶機與主機之間進行信息傳送的最小單位是數據塊或叫塊或叫記錄塊記錄塊。 記錄塊的長度可以是固定的，也可以是變化的。記錄塊的長度可以是固定的，也可以是變化的。 記錄塊之間有空白記錄塊之間有空白間隙間隙，是磁頭停靠的地方（慣性緩，是磁頭停靠的地方（慣性緩沖）。沖）。 記錄塊尾部有幾行特殊的標記，表示數據結束。記錄塊尾部有幾行特殊的標記，表示數據結束。 磁帶信息的校驗屬于多重校驗磁帶信息的校驗屬于多重校驗 由橫

51、向奇偶校驗（多道（位）、循環冗余校驗（縱向，由橫向奇偶校驗（多道（位）、循環冗余校驗（縱向，數據塊）和縱向奇偶校驗共同完成。數據塊）和縱向奇偶校驗共同完成。起始間隙數據塊標記數據記錄尾標記校驗碼塊間間隙記錄塊BOT光盤存儲器光盤存儲器光存儲技術是一種通過光學方法讀出和寫入數據的數字存儲技術。 最早的光盤存儲系統是CD(Compact Disc:數字激光唱片)和LD(Laser Disc:激光視盤，模擬方式)。將CD進行糾錯方面的改進后用于計算機數據存儲。數據軌道中心孔空白區7.5mm17.5mm60mmCDCD格式光盤格式光盤光盤存儲器光盤存儲器光盤存儲技術特點光盤存儲技術特點 記錄密度高，存

52、儲容量大。單張光盤一般容量都在記錄密度高，存儲容量大。單張光盤一般容量都在550MB以上。以上。 采用非接觸方式讀采用非接觸方式讀/寫，沒有磨損，可靠性高。寫，沒有磨損，可靠性高。 可長期保存信息。可長期保存信息。 成本低廉，易于大量復制。成本低廉，易于大量復制。 存儲密度高，體積小。存儲密度高，體積小。 屬于易更換存儲媒體，能自由更換盤片。屬于易更換存儲媒體，能自由更換盤片。 光盤的數據存取速率比磁盤低，因此還不能完全取代光盤的數據存取速率比磁盤低，因此還不能完全取代磁盤。磁盤。光盤存儲器的分類光盤存儲器的分類 第一代光存儲技術第一代光存儲技術：通常把采用非磁性介質進行：通常把采用非磁性介質

53、進行光存儲的技術，稱作第一代光存儲技術（不能把光存儲的技術，稱作第一代光存儲技術（不能把內容抹掉重寫）。內容抹掉重寫）。 第二代光存儲技術第二代光存儲技術：使用磁性材料作存儲介質，：使用磁性材料作存儲介質，利用激光在磁記錄介質上存儲信息（也叫做磁光利用激光在磁記錄介質上存儲信息（也叫做磁光存儲技術）。其主要特點是可擦洗重寫。存儲技術）。其主要特點是可擦洗重寫。 近幾年出現了許多光盤產品，得到廣泛使用的有近幾年出現了許多光盤產品，得到廣泛使用的有以下幾種：以下幾種： 只讀光盤（只讀光盤（CD-ROM） 寫一次讀多次光盤（寫一次讀多次光盤（WORM、CD-R） 可擦光盤（可擦光盤（ CD-RW）

54、光盤的存取原理光盤的存取原理 只讀型光盤的讀/寫原理 可擦寫光盤的讀/寫原理只讀型光盤的讀只讀型光盤的讀/寫原理寫原理 形變形變 對對CD-ROM和和WORM光盤寫入時，將激光束聚焦成直徑小光盤寫入時，將激光束聚焦成直徑小于于1m的微小光點，以其熱作用，融化盤表面上的光存儲的微小光點，以其熱作用，融化盤表面上的光存儲介質薄膜，在薄膜上形成凹坑，有坑為介質薄膜，在薄膜上形成凹坑，有坑為“1”，無坑為，無坑為“0”。 讀出時，凹坑邊緣反射的光有變化，信息為讀出時，凹坑邊緣反射的光有變化，信息為“1”，平坦處，平坦處反射的光無變化，信息為反射的光無變化，信息為“0”。由于讀出光束的功率只有寫入光束功

55、率的由于讀出光束的功率只有寫入光束功率的1/10，因此不會融出新的，因此不會融出新的凹坑。凹坑。 相變相變 有些光存儲介質在激光照射下，晶體結構會發生變化，利有些光存儲介質在激光照射下，晶體結構會發生變化，利用介質處于晶態和非晶態區域的光學特性（如反射率和折用介質處于晶態和非晶態區域的光學特性（如反射率和折射率）不同，進而記錄和讀取信息。射率）不同，進而記錄和讀取信息。CD盤上凹痕和平面的轉換盤上凹痕和平面的轉換可擦寫光盤的讀可擦寫光盤的讀/寫原理寫原理 磁光磁光(MO)存儲存儲 記錄原理：記錄原理：在一定溫度下在一定溫度下,如果在磁記錄介質的表面上加如果在磁記錄介質的表面上加一強度低于該介質

56、矯頑力的磁場，則不會發生磁通翻轉，一強度低于該介質矯頑力的磁場，則不會發生磁通翻轉，也就不能記錄信息。假如我們提高溫度使得降低矯頑力，也就不能記錄信息。假如我們提高溫度使得降低矯頑力，使其低于外加磁場強度，則將發生磁通翻轉。利用激光使其低于外加磁場強度，則將發生磁通翻轉。利用激光照射磁性薄膜，被照射處溫度上升，矯頑力下降，在外照射磁性薄膜，被照射處溫度上升，矯頑力下降，在外加磁場加磁場HR的作用下發生磁通翻轉，使該處的磁場方向與的作用下發生磁通翻轉，使該處的磁場方向與外加磁場外加磁場HR一致，可視為寄存一致，可視為寄存“1”。而不被照射或。而不被照射或HR小于矯頑力處可視為寄存小于矯頑力處可視

57、為寄存“0”。 信息擦除：信息擦除：抹除信息和記錄信息的原理一樣，外加一個抹除信息和記錄信息的原理一樣，外加一個和記錄方向相反的磁場，對已記錄信息的介質用激光束和記錄方向相反的磁場，對已記錄信息的介質用激光束照射，使照射區反方向磁化，從而恢復到記錄前的磁化照射，使照射區反方向磁化，從而恢復到記錄前的磁化狀態。狀態。磁光記錄原理磁光記錄原理 讀出信息：讀出信息：在磁光記錄中利用在磁光記錄中利用克爾效應實現光學讀出。根據克爾效應實現光學讀出。根據磁化介質的相互作用，這種效磁化介質的相互作用，這種效應表現為光的偏振態的變化。應表現為光的偏振態的變化。反射時，克爾效應使偏振光的反射時，克爾效應使偏振光

58、的偏振面發生較小的轉動。根據偏振面發生較小的轉動。根據磁化方向不同，轉動的方向可磁化方向不同，轉動的方向可正可負，代表了介質上的記錄正可負，代表了介質上的記錄的的“0”、“1”信息。信息。 這種利用激光的熱作用改變磁這種利用激光的熱作用改變磁化方向來記錄信息的光盤，叫化方向來記錄信息的光盤，叫做做“磁光盤磁光盤”。光盤存儲器的組成光盤存儲器的組成 光盤存儲器的組成 盤片 驅動器 控制器 驅動器：由讀寫頭、尋道定位機構、主軸控制系統等組成。除了機械電子機構外，還有光學機構。寫一次型光盤光學系統示意寫一次型光盤光學系統示意CRC校驗碼校驗碼CRC（Cyclic Redundancy Check）

59、CRC：各類介質存儲器、數據通信：各類介質存儲器、數據通信 基于模基于模2運算：不考慮進位和借位運算：不考慮進位和借位 模模2加減運算：異或（相同為加減運算：異或（相同為“0”，不同為，不同為“1”） 模模2乘：按模乘：按模2加求部分積之和加求部分積之和 模模2除：按模除：按模2減求部分余數減求部分余數部分余數首位為部分余數首位為1，商，商1部分余數首位為部分余數首位為0，商，商0每上商一次，部分余數減少一位。部分余數位數少每上商一次，部分余數減少一位。部分余數位數少于除數位數時，結束于除數位數時，結束模模2運算舉例運算舉例011101000110 1010X 10110100000 1010

60、 1000101000010110110100100000100101001余數01CRC校驗步驟校驗步驟 CRC生成生成 將將n位數據位數據Dn-1,D0用用n-1次多項式次多項式M(x)表示，即表示，即M(x) Dn-1xn-1 + Dn-2xn-2 + D1 x1 + D0 x0 將將M(x)左移左移k位（補位（補0），即得：），即得：M(x)*xk 將將M(x)*xk除以除以k+1位的位的生成多項式生成多項式G(x)，余數即，余數即為為k位的位的CRC校驗位校驗位 將將CRC校驗位拼裝在校驗位拼裝在Dn-1,D0之后，成為之后，成為n+k位位數據，也稱（數據，也稱（n+k，n）碼。）碼