纪禄平-计算机组成原理(第四版)-4-1存储子系统-概述PPT课件
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纪禄平-计算机组成原理(第四版)PPT-4-6存储子系统-三级存储体系
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）
10/24
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( )：
5/24
（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
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
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[ 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
《存储子系统》课件
云存储服务
云存储服务是一种基于云计算的存储服务，可以 01 提供灵活、可扩展和高可用的数据存储和管理。
云存储服务通常采用分布式存储架构，将数据分 02 散存储在多个节点上，以提高数据的可靠性和可
用性。
云存储服务还提供了丰富的API和SDK，方便开发 03 人员进行数据存储和管理，同时也提供了完善的
机遇
随着数据安全和隐私保护需求的增长，将促进存储子系统相关技术的创新和发展，为存储 子系统带来更多的发展机遇和市场空间。同时，也将推动相关法规和标准的制定和完善， 为数据安全和隐私保护提供更加有力的法律保障。
THANKS
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《存储子系统》PPT 课件
目录
• 存储子系统概述 • 存储子系统的构成 • 存储子系统的技术原理 • 存储子系统的应用场景 • 存储子系统的性能评估与优化 • 未来存储子系统的发展趋势
01
存储子系统概述
定义与功能
01
定义
存储子系统是计算机系统中用于存储数据的硬件 和软件的集合。
02
功能
存储子系统负责数据的存储、读取、备份和恢复 ，为计算机系统提供可靠、高效的数据存储支持
负责管理存储空间的分配和卷的创建。
数据迁移软件
用于将数据从旧存储介质迁移到新介质。
存储介质
01 机械硬盘
具有较高的容量和较低的 价格，但性能相对较低。
03 固态硬盘
具有较高的性能和较快的
读写速度，但价格较高。
02 磁带
具有极高的容量和较低的
价格，但访问速度较慢。
04 光盘
适用于长期归档和离线存
储，具有较好的耐久性。
数据备份与恢复原理
1 2
数据备份方式
计算机组成原理(第四版)PPT课件
-
4
2.5 术语：存储元、存储单元、存储体、存储 单元地址，有何联系和区别？
存储元：存储一位二进制信息的基本单元电路。
存储单元：由若干存储元组成。一台机器的所有存储 单元长度相同，一般由8的整数倍个存储元构成。
存储体：是存储单元的集合，它由许多存储单元组成， 用来存储大量的数据和程序。
存储器单元地址：计算机在存取数据时，以存储单元 为单位进行存取。为区别不同单元，给每个存储单 元赋予地址，每个存储单元都有一条唯一的字线与 存储单元地址编码对应。
总称为
。
解：记录面号(磁头号)、磁道号(柱面号)、扇区号、 记录块、道密度、位密度、存储密度。
-
25
2.19 某磁盘组有4个盘片，5个记录面。每个记录面的内磁 道直径为22cm，外磁道直径为33cm，最大位密度为1600 位/cm，道密度为80道／cm，转速为3600r/min。求： (1)磁盘组的总存储容量是多少位(非格式化容量)? (2)最大数据传输率是每秒多少字节? (3)请提供一个表示磁盘信息地址的方案。
-
21
2.17 欲将10011101写入磁表面存储器中：
(1) 分别画出归零制、不归零制和调频制的写入电流 波形。
(2)改进不归零制(NRZl)的记录原则是见“1”就翻。 即当记录“1”时写电流要改变方向；记录“0”时不 改变方向。画出它的电流波。
(3)改进调频制(MFM)与调频制方式区别在于：FM在 信息元交界处写电流总要改变一次方向；而MFM仅 当连续记录两个“0”时，信息交界处翻转一次；其
解：该机的地址码为18b，字长8b，故该机的主存容 量为218X8b＝28 X 210 X 8 b＝ 256KB，
(1)若每个模板块为32K X 8b，
《计算机组成原理》 第四版 科学出版社版 第一章 课件
§3 计算机的硬件
1.3.1
1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5
硬件组成要素
运算器 存储器 控制器 适配器与输入输出设备
27
第一章 计算机系统概论
1.3.1
硬件组成要素
通过一个例子我们来了解数字计算 机的主要组成和工作原理。 假设给一个算盘、一张带有横格的 纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这 样一个题目。 解题步骤和数据记录在横格纸上， 请看过程，如表1.3所示。
第一章 计算机系统概论
第1章
home
计算机系统概论
1
第一章 计算机系统概论
第一章 计算机系统概论
§1 计算机的分类
§2 计算机的发展简史
§3 计算机的硬件
§4 计算机的软件
§5 计算机系统的层次结构
2
第一章 计算机系统概论
§1 计算机的分类
1.1.1
电子计算机的分类
1.1.2
1.1.3
数字计算机的分类
50
第一章 计算机系统概论
现代电子计算机组成
总之，现代电子计算机是由：
运算器、控制器、存储器、 适配器和输入/输出设备组成的。 并用系统总线连起来
51
第一章 计算机系统概论
§4 计算机的软件
1.4.1
1.4.2
软件的组成与分类
软件的发展演变
52
第一章 计算机系统概论
1.4.1
软件的组成与分类
计算机软件相对计算机硬件来说是 看不见，是计算机系统中不可少的无形 部件。主要有两大类：
5
第一章 计算机系统概论
数字计算机与模拟计算机的主要区别
数字计算机
数据表示方式 数字0/1
计算机组成原理完整第4章PPT课件
储器中（由变址寄存器和位移量决定）所以是RS型指令。
21
精选课件
2021/6/9
4.3 指令和数据的寻址方式
在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式， 有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。
当采用地址指定方式时，寻找指令或操作数有效 地址的方式 指令寻址
顺序寻址 跳跃寻址
操作数寻址
PC存放下一条指令的地址
23
精选课件
2021/6/9
跳跃寻址
目标地址－＞PC
当程序中出现分支或循环时，就会改变程序的执 行顺序。此时对指令寻址就要采取跳跃寻址方式。
所谓跳跃，就是指下条指令的地址不是通过程序 计数器PC当前值获得的，而是由指令本身给出。
跳跃的处理方式是重新修改PC的内容。然后进入 取指令阶段。
11
精选课件
2021/6/9
4.2.2 地址码(AC)
(3)二地址指令 (A1) OP (A2) -> A1
(4)三地址指令 (A1) OP (A2) -> A3
A1为被操作数地址，也称源操作数地址； A2为操作数地址，也称终点操作数地址； A3为存放结果的地址。 A1，A2，A3可以是内存中的单元地址，也可以是运算器
n=2L 定长指令、变长指令（固定位数和可变位数）
9
精选课件
2021/6/9
4.2.2 地址码(AC)
地址码通常指定参与操作的操作数的地址或操作数本身 地址码包括被操作数，操作数，操作结果
三地址格式 操作码
二地址格式 操作码
一地址格式 零地址格式
操作码 操作码
Ａ1
Ａ2
Ａ3
Ａ1
Ａ2
Ａ1
10
精选课件
21
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4.3 指令和数据的寻址方式
在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式， 有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。
当采用地址指定方式时，寻找指令或操作数有效 地址的方式 指令寻址
顺序寻址 跳跃寻址
操作数寻址
PC存放下一条指令的地址
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跳跃寻址
目标地址－＞PC
当程序中出现分支或循环时，就会改变程序的执 行顺序。此时对指令寻址就要采取跳跃寻址方式。
所谓跳跃，就是指下条指令的地址不是通过程序 计数器PC当前值获得的，而是由指令本身给出。
跳跃的处理方式是重新修改PC的内容。然后进入 取指令阶段。
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4.2.2 地址码(AC)
(3)二地址指令 (A1) OP (A2) -> A1
(4)三地址指令 (A1) OP (A2) -> A3
A1为被操作数地址，也称源操作数地址； A2为操作数地址，也称终点操作数地址； A3为存放结果的地址。 A1，A2，A3可以是内存中的单元地址，也可以是运算器
n=2L 定长指令、变长指令（固定位数和可变位数）
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4.2.2 地址码(AC)
地址码通常指定参与操作的操作数的地址或操作数本身 地址码包括被操作数，操作数，操作结果
三地址格式 操作码
二地址格式 操作码
一地址格式 零地址格式
操作码 操作码
Ａ1
Ａ2
Ａ3
Ａ1
Ａ2
Ａ1
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精选课件
纪禄平-计算机组成原理(第4版)3(5)-CPU子系统-MIPS-4-多周期-3-控制系统PPT课件
3.5.4 多周期MIPS处理器
（组合逻辑与微程序）
-
1
※多周期CPU所需的控制信号
PCSrc[1:0]
01 00 10
PCWrite
PC
IorD MemWrite
存储器
0 1
Addr
RD
rst
WD
MemRead
IRWrite
<<2
U
RegDst RegWrite
RN1 RD1 A
operation 0 1
F
+4 00
MDR
1 0
WD
RD2 B
01 10
zero
MemtoReg
E
<<2
extend
11 AluSrc_B[1:0]
多路选择器: 4个+2个(2位/个)； ALU: 1组(4位)； 扩展器: 1个； 存储器: 2个； 寄存器堆: 1个； 专用寄存器: 2个； 共需13种控制信号, 共18位。
SC
Operation extend RegWrite IRWrite MemRead MemWrite PCWrite AluSrc_B AluSrc_A MemtoReg RegDst IorD PCSrc
2 1111 2 111 111 4 4
→00B08001H
-
2
24
❸ 整合所有指令的微程序并存储到Control Store √ T0中取指操作对应的微指令被全部指令共享 √各指令的其余微指令按顺序存储 √各指令的最末一条微指令中的顺序控制字段SC=10
写出各位的输出逻辑式：
PCsrc[1]=j_flag PCsrc[0]=beq_flag·zero PCWrite=FT_flag+beq_flag·zero+j_flag
（组合逻辑与微程序）
-
1
※多周期CPU所需的控制信号
PCSrc[1:0]
01 00 10
PCWrite
PC
IorD MemWrite
存储器
0 1
Addr
RD
rst
WD
MemRead
IRWrite
<<2
U
RegDst RegWrite
RN1 RD1 A
operation 0 1
F
+4 00
MDR
1 0
WD
RD2 B
01 10
zero
MemtoReg
E
<<2
extend
11 AluSrc_B[1:0]
多路选择器: 4个+2个(2位/个)； ALU: 1组(4位)； 扩展器: 1个； 存储器: 2个； 寄存器堆: 1个； 专用寄存器: 2个； 共需13种控制信号, 共18位。
SC
Operation extend RegWrite IRWrite MemRead MemWrite PCWrite AluSrc_B AluSrc_A MemtoReg RegDst IorD PCSrc
2 1111 2 111 111 4 4
→00B08001H
-
2
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❸ 整合所有指令的微程序并存储到Control Store √ T0中取指操作对应的微指令被全部指令共享 √各指令的其余微指令按顺序存储 √各指令的最末一条微指令中的顺序控制字段SC=10
写出各位的输出逻辑式：
PCsrc[1]=j_flag PCsrc[0]=beq_flag·zero PCWrite=FT_flag+beq_flag·zero+j_flag
纪禄平-计算机组成原理(第4版)PPT 4.6-三级存储体系
※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。 ※由硬件系统实现，对用户透明。 ※已在CPU内集成，两级以上的Cache系统。
3/24
2. Cache的前提条件
※指令的执行具有局部性特征：
CPU从主存中取指令、数据，在一定时间内地址范围 常局限于主存的某个小区域。 因此可以将正在使用的部分（热点区指令和数据）， 提前预取并存储到一个高速的、小容量的Cache中。
CPU访存 [技术效果]
CPU访问Cache
能使CPU读写指令、数据的速度大大提高。
4/24
3. 主存与Cache的地址映射
[说明] 主存↔Cache之间是以固定大小的数据块为单 位进行整体调度（交换）； 基于下列条件，分析3种主存↔Cache映射： 存储器均按字节编址：1B/每个地址； 数据块大小：512B； Cache容量：8KB →分成16块（213/29） 主存容量大小：1MB →分成2048块（220/29）
A. 0 B. 2 C. 4
D.6
[解题分析]
Cache如何分组、分块？ Cache分8组，每组2块，每块32B 主存如何分组、分块？ 主存分若干组，每组又分成8块
129=10000001
（组内块序号100） 0…010000001
12/24
4.常用的替换算法
（1）最不经常使用(LFU, Least-Frequently Used) 将一段时间内被访问次数最少的那块从Cache中 置换出去。 （2）近期最久未使用(LRU, Least-Recently Used) 将近期内最久末被访问过的Cache块置换出去。 （3）随机替换 随机确定将哪块从Cache中替换出去。
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2. Cache的前提条件
※指令的执行具有局部性特征：
CPU从主存中取指令、数据，在一定时间内地址范围 常局限于主存的某个小区域。 因此可以将正在使用的部分（热点区指令和数据）， 提前预取并存储到一个高速的、小容量的Cache中。
CPU访存 [技术效果]
CPU访问Cache
能使CPU读写指令、数据的速度大大提高。
4/24
3. 主存与Cache的地址映射
[说明] 主存↔Cache之间是以固定大小的数据块为单 位进行整体调度（交换）； 基于下列条件，分析3种主存↔Cache映射： 存储器均按字节编址：1B/每个地址； 数据块大小：512B； Cache容量：8KB →分成16块（213/29） 主存容量大小：1MB →分成2048块（220/29）
A. 0 B. 2 C. 4
D.6
[解题分析]
Cache如何分组、分块？ Cache分8组，每组2块，每块32B 主存如何分组、分块？ 主存分若干组，每组又分成8块
129=10000001
（组内块序号100） 0…010000001
12/24
4.常用的替换算法
（1）最不经常使用(LFU, Least-Frequently Used) 将一段时间内被访问次数最少的那块从Cache中 置换出去。 （2）近期最久未使用(LRU, Least-Recently Used) 将近期内最久末被访问过的Cache块置换出去。 （3）随机替换 随机确定将哪块从Cache中替换出去。
2024版《计算机组成原理》ppt课件
《计算机组成原理》ppt课件目录•计算机系统概述•数字逻辑基础•计算机各部件的功能和组成•指令系统•CPU的结构和功能•存储器的层次结构•计算机组成原理的应用和发展01计算机系统概述Part计算机的发展历程第一代计算机（1946-1957）电子管时代，采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、可靠性差。
第二代计算机（1958-1964）晶体管时代，采用晶体管作为基本元件，体积减小、功耗降低、可靠性提高。
第三代计算机（1965-1970）集成电路时代，采用中小规模集成电路，使得计算机体积更小、功耗更低、可靠性更高。
第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，计算机性能得到极大提升，应用领域不断扩展。
计算机系统的层次结构微程序机器级微指令由硬件直接执行，微程序由微指令构成，用于描述机器指令。
高级语言级用高级语言编写程序，通过编译或解释程序翻译成机器语言程序或汇编语言程序。
传统机器级用微程序解释机器指令系统，提供传统机器级虚拟机器。
汇编语言级用汇编语言编写程序，通过汇编程序翻译成机器语言程序。
操作系统级通过系统调用实现操作系统功能，提供扩展机器。
计算机的性能指标机器字长指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。
存储容量包括主存容量和辅存容量。
主存容量通常以字节为单位，辅存容量通常以位为单位。
存储容量越大，系统能存储的信息就越多。
运算速度用每秒钟所能执行的指令条数来表示，单位通常用MIPS（百万条指令/秒）。
运算速度越快，系统处理任务的能力越强。
02数字逻辑基础Part数制与编码数制的基本概念介绍二进制、十进制、十六进制等数制的基本概念及转换方法。
编码方式详细阐述原码、反码、补码等编码方式及其在计算机中的应用。
数的定点与浮点表示解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
1 2 3引入逻辑变量和逻辑函数的概念，为后续的逻辑运算打下基础。
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容量却很小
L3
L2
MM 主存(DDR3/4)
EM 外存(硬盘等)
.
5
2.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。
内存
虚拟存储技术
外存
数据传输率(b/s)
.
11
（3）直接存取存储器（DAM）
访问时读/写部件先粗定位一个小区域，再在该区 域内顺序查找。
访问时间与数据位置有关，例如: 硬盘。
定位（寻道）操作 三步操作 等待（旋转）操作
读/写操作
速度指标
平均定位（平均寻道）时间(ms) 平均等待（平均旋转）时间(ms) 数据传输率(b/s)
3
（1）主存（内存）
主要存放CPU当前使用的指令和数据。 能随机访问 工作速度快 有足够的存储容量
（2）辅存（外存）
速度较慢
存放大量的后备程序和数据
容量较大
.
4
（3）高速缓冲存储器(Cache)
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。
速度非常快
内核
L1
CPU
逻辑上能提供比物理存储器更大的虚拟存储空间，相 关地址称为虚拟地址或逻辑地址。
.
6
3.存储器的分类(按存储介质)
（1）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
（2）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, 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存
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。
RAM 例如，主存 ROM 例如，微程序控制器中的控制存储器（CM）
.
9
RAM：可读可写 如：SDR/DDR/DDR2-4
ROM：只读型
固化型：用户不能写入数据 PROM：用户可写入一次 EPROM：可多次编程（紫外线擦除） EEPROM：可多次写入（电擦除）
第4章 存储子系统
-半导体 -磁表面 -光存储
原理及器件
-虚拟存储技术
.
1
本章需解决的主要问题：
（1）存储器如何存储信息？ （2）在实际应用中如何用存储芯片组成具有 一定容量的存储器？ （3）如何改进存储系统的性能？
.
2
4.1 概述
1.存储系统的层次结构 CPU Cache
主存 外存
.
L1和L2(L3)
存储器的位宽
数据传输率(R) =
bps
存取周期
【例】某双通道DDR-4内存传输频率为3200MHz，位 宽64比特，则其有效带宽为：
RDDR-4=2×(64b×3200MHz÷8)=51.2GBps
.
14
例如：IDE硬盘，SATA硬盘
.
7
（3）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 ※只读型光盘CD-ROM ※一次写入型光盘WORM ※可擦除/重写型光盘
.
8
器(RAM，ROM) 随机存取：
.
12
4.存储器的技术指标
(1)存取时间
从存储器收到读写命令，到存储器读出（写入）信息 所需要的时间，TA
(2)存取周期 存储器做连续访问操作过程中一次完整的存取操作所 需的全部时间，TM (通常TM>TA)
存取时间
恢复期
存取周期
.
13
(2)数据传输率−R
单位时间内存取信息的数据量，也叫带宽或频宽
FLASH Memory（闪存） 接近 速度指标：频率-存取周期或读/写周期(ns) 通常用作主存、高速缓存。
.
10
（2）顺序存取存储器（SAM）
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。
例如：磁带机（录音机）、电影胶片。
定位操作 两步操作
数据读/写操作
平均定位时间(ms) 速度指标