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一、存储系统

• 存储器是计算机系统中的记忆设备，分为内部存储器、外存储器

• 内存的存取速度快、容量小，一般用来临时存放计算机运行时所需的程序、数据及中间结果

• 外存的容量大、存取的速度相对较慢，可用于长期保存信息，需要时会将信息调入内存

• 寄存器是CPU中的记忆设备，用来临时存放指令、数据及运算结果

• 与内存储器相比，寄存器的速度要更加快

二、存储器的分类

1、所处位置：内存、外存

2、构成存储器的材料：磁存储器、半导体存储器、光存储器

• 磁内存储器：用磁性介质做成的，如磁芯、磁泡、磁膜、磁鼓、磁带和磁盘等

• 半导体存储器：根据所用元件（双极型、MOS型）、根据是否需要刷新（静态、动态）

• 光存储器：光盘存储器

3、工作方式：读写存储器、只读存储器

• 读写存储器（RAM）：可读可写；存储信息易失，掉电信息丢失

• 只读存储器：所存信息是非易失的，掉电后信息仍然在

• 固定只读存储器（ROM）：厂家生产时就写好数据

• 可编程的只读存储器（PROM）：由用户一次性地写入

• 可擦除可编程的只读存储器（EPROM）：内容既可以读出，也可以改写。修改方法：写入之前先用紫外线照射15~20分钟以擦去所有信息，然后再用特殊的电子设备写入信息

• 电擦除的可编程的只读存储器（EEPROM）：内容既可以读出，也可以改写，用电擦除的方法进行数据的改写

• 闪速存储器：闪存的特性介于EPROM和EEPROM之间，类似于EEPROM，闪存也可以使用电信号进行信息的擦除操作。整块闪存可以在数秒内删除，速度远快于EPROM

4、访问方式：按地址访问、按内容访问

5、寻址方式：随机存储器、顺序存储器、直接存储器

• 随机存储器：可对任何存储单元存入或读取数据，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的

• 顺序存储器：访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关，磁带是典型的顺序存储器

• 直接存储器：介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。磁盘是一种直接存取存储器，它对磁道的寻址是随机的，而在一个磁道内，则是顺序寻址

三、存储系统的层次结构（三级存储系统）

• 若将CPU内部的寄存器（最接近CPU速度）也看做是存储器的一个层次，则可将存储系统分为四层结构

• CPU处理的速度很快，直接从辅存取的话太慢了，只能借助主存来过渡。借助主存可以加快数据传输速度，如果主存的速度仍然跟不上，那就需要借助高速缓存来进行了

（一）高速缓存（cache）—— 在存储系统中是非必要的

• 由半导体储存器制成，位于主存与CPU之间，其内容是主存内容的副本（对程序员来说是透明的）

• 优点：容量小；速度比主存快5~10倍；可显著提高计算机系统工作速度

• 缺点：信息存储时间短、造价高

• 组成：控制部分和cache存储器部分

• cache存储器部分：存放主存的部分拷贝（副本）

• 控制部分的功能：判断CPU要访问的信息是否存在cache存储器中。若存在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对cache存储器寻址。未命中时，若是读取操作，则从主存中读取数据并按照确定的替换原则把该数据写入cache存储器中；若是写入操作，则将数据写入主存即可

（二）主存储器

• 内存也称为主存，用来存放机器当前运行所需要的程序和数据，以便向CPU提供信息

• 由RAM和ROM这两种工作方式的存储器组成，其绝大部分存储空间由RAM构成

1、组成

• 存储体（主要存储信息）、控制线路、地址寄存器、数据寄存器和地址译码电路

​

• 地址寄存器（MAR）：用来存放由地址总线提供的将要访问的存储单元的地址码，MAR的位数N决定了其可寻址的存储单元的个数M，即M=

• 数据寄存器（MDR）：用来存放要写入存储器的数据或从存储体中读取的数据

• 存储体：存放程序和数据的存储空间

• 译码电路：根据存放在地址寄存器中的地址码，在存储体中找到相应的存储单元（根据房间号找住在哪）

• 控制线路：根据读写命令，控制主存储器的各部分协作完成相应的操作

2、操作：读写

• 读出时，CPU把要读取的存储单元的地址送入MAR，经地址译码线路分析后选中主存的某一存储单元，在控制线路的作用下，将被选存储单元的内容读取到MDR中，读操作完成

• 写入时，CPU将要写入的存储单元的地址送入MAR，经地址译码线路分析后选中主存的某一存储单元，在控制线路的作用下，将MDR的内容写入到MAR指定的存储单元中，写操作完成

3、反映主存性能的主要术语（考点）

• 储存周期（MCT）：连续两次进行存储器的访问的最小时间间隔，记作Tm

• 带宽（bandwidth）：指存储器的数据传送速率，即每秒钟由存储器读出的二进制数据的位数，记作Bm。假设存储器传送的数据宽度为W位（即一个存储周期中读取或写入的位数），那么：Bm=W/Tm（b/s）

4、编址

• 主存是由多个存储芯片组合而成的

• 一个格子是一个二进制位，需要三个二进制位，3根地址线才能把000变换到111

• ​16K需要4根地址线，64K需要16根地址线

​

​

（三）外存储器

• 外存也称为辅存，如磁盘、磁带、光盘等，用来存放当前不参加运行的大量信息，在需要时，可把需要的信息调入内存

• 外存上的信息以文件的形式存储。CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存方可访问

• 外存储器由电磁表面存储器（如磁盘、磁带）及光盘存储器构成

1、磁盘存储器

• 在磁表面存储器中，磁盘的存取速度较快，且具有较大的存储容量，是目前广泛使用的外存储器

• 组成：由盘片、驱动器、控制器和接口构成

• 盘片：存储信息

• 驱动器：用于驱动磁头沿盘面作径向运动以寻找目标磁道位置，驱动盘片以额定速率稳定旋转，并实现控制数据的写入和读出

• 控制器：接受主机发来的命令，将它转换成磁盘驱动器的控制命令，并实现主机和驱动器之间数据格式的转换及数据传送，以控制驱动器的读/写操作。一个控制器可以控制多台驱动器

• 接口：主机和磁盘存储器之间的连接部件

2、硬盘（考点）

• 分类

• 按盘片是否固定、磁头是否移动：移动磁头固定盘片的磁盘存储器、固定磁头的磁盘存储器、移动磁头可换盘片的磁盘存储器、温彻斯特磁盘存储器（简称温盘）

• 按盘片的直径：14英寸、8英寸、5.25英寸、3.5英寸

• 组成

• 记录面：硬盘中可记录信息的磁介质表面

• 磁道：每一个记录面上都分布着若干同心的闭合圆环，数据就记录在磁道上（从外到里编号，最外一圈为0道）。最内圈的位密度称为最大位密度

• 扇区：磁盘上的每个磁道又分为若干段，每一段称为一个扇区

• 一个硬盘驱动器内可装有多个盘片，组成盘片组，每个盘片可以提供两个记录面，每个记录面都配有一个独立的磁头。所有记录面上相同序号的磁道构成一个圆柱面，其编号与磁道编号相同

​

• 硬磁盘的主要技术指标

• 道密度

• 为了减少干扰，磁道之间要保持一定的间隔。沿着磁盘半径方向，单位长度内磁道的数目称为道密度

• 常用的道密度单位是：道/毫米、道/英寸

• 位密度

• 指在磁道圆周上单位长度内存储的二进制位的个数

• 常用的位密度单位是：b/mm、b/in

• 为了简化电路设计，规定每个磁道上记录的位数是相同的。由于磁盘中各个磁道的圆的周长不同，因此不同磁道上记录的位密度是不一样的，越靠近盘芯的磁道位密度就越高

• 由最内圈磁道的位密度来定义磁盘的位密度

• 存储容量

• 是指整个磁盘所能存储的二进制位信息的总量

• 磁盘的容量有非格式化容量和格式化容量之分。一般情况下磁盘容量是指格式化容量

• 非格式化容量 = 位密度 * 内圈磁道周长 * 每个记录面上的磁道数 * 记录面数

• 格式化容量 = 每个扇区的字节数 * 每道的扇区数 * 每个记录面的磁道数 * 记录面数

• 平均存取时间：指从发出读写命令开始，磁头从某一位置移动到指定位置并开始读写数据所需时间。它包括寻道时间和等待时间

• 寻道时间：是指磁头移动到目标磁道（或柱面）所需要的时间，由驱动器的性能决定

• 等待时间：指等待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间，一般选用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间，提高磁盘转速可缩短这个时间

• 数据传输率：是指磁头找到数据的地址后，单位时间内写入或读出的字节数。计算公式：数据传输率 = 每个扇区的字节数 * 每道扇区数 * 磁盘的转速

四、I/O设备

• 输入／输出（I/O）系统是计算机与外界进行数据交换的通道

• 主机和I/O设备间不是简单地用系统总线连接起来就可以，还需要进行控制，因此需要一个I/O系统负责协调和控制CUP、存储器和各种外部设备之间的数据通信

• 主机——I/O接口——I/O设备

（一）接口的功能与分类

1、功能

• 接口是指两个相对独立子系统之间的相连部分，也常被称为界面​​​​​​​

• I/O接口并非仅仅完成设备间物理上的连接，一般来说它还应具有下述主要功能

• 地址译码功能：由于一个计算机系统中连接有多个I/O设备，相应的接口也有多个，必须给它们分配不同的地址码进行区别和选择

• 在主机与I/O设备间交换数据、控制命令及状态信息等

• 支持主机采用程序查询、中断和DMA等访问方式

• 提供主机和I/O设备所需的缓冲、暂存、驱动能力，满足一定的负载要求和时序要求

• 进行数据的类型、格式等方面的转换

2、分类

• 数据传送的格式：并行接口、串行接口

• 并行接口采用并行传送方式，即一次把一个字节（或一个字）的所有位同时输入或输出，同时（并行）传送若干位。并行接口一般指主机与I/O设备之间、接口与I/O设备之间均以并行方式传送数据

• 串行接口采用串行传送方式，数据的所有位按顺序逐位输入或输出。一般情况下，串行接口与I/O设备之间采用串行传送方式，而串行接口与主机之间则采用并行方式（按照每个二进制位进行传输）

• 一般来说，并行接口适用于传输距离较近、速度相对较高的场合，接口电路相对简单；串行接口则适用于传输距离较远、速度相对较低的场合

• 主机访问I/O设备的控制方式：程序查询接口、中断接口、DMA接口、以及更复杂一些的通道控制器、I/O处理机等

• 时序控制方式：同步接口、异步接口

（二）主机与外设之间的连接

• 在不同的计算机系统中，主机与I/O设备之间的连接模式可能不同，常见的有总线型、星型、通道方式和I/O处理机方式等，其中总线方式是互连的基本方式，也是其他连接模式的基础

• 总线是一组能为多个部件分时共享的信息传送线，用来连接多个部件并为之提供信息交换通路。共享，是指连接到总线上的所有部件都可通过它传递信息；分时性是指某一时刻只允许一个部件将数据发送到总线上

• 总线不仅是一组信号线，还包括相关的协议（总线协议：信号线定义、数据格式、时序关系、信号电平和控制逻辑等）

（三）常见的内存与接口地址的编址方式

• 与主存中的存储单元统一编址

• 将I/O接口中有关的寄存器或存储部件看作存储器单元，与主存中的存储单元统一编址。内存地址和接口地址统一在一个公共的地址空间里，对I/O接口的访问就如同对主存单元的访问一样

• 优点：用于内存的指令全都可用于接口，增强了对接口的操作功能，无须设置专门的I/O操作指令

• 缺点：地址空间被分为两部分供接口与内存使用，会导致内存地址不连续。另外，由于对内存操作的指令和对接口操作的指令不加区分，读程序时就需根据参数定义表仔细加以辨认，才能区分指令是对内存操作还是对接口操作

• I/O接口单独编址

• 缺点：通过设置单独的I/O地址空间，为接口中的有关寄存器或存储部件分配地址码，需要设置专门的I/O指令进行访问

• 优点：不占用主存的地址空间，访问主存的指令和访问接口的指令不同，在程序中很容易使用和辨认

（四）CPU与外设之间交换数据的方式

1、直接程序控制

• 主要特点：CPU直接通过I/O指令对I/O接口进行访问操作，主机与外设之间交换信息的每个步骤在程序中表示出来，整个的输入/输出过程是由CPU执行程序来完成的

• 具体实现方式：立即程序传送方式和程序查询方式

• 立即程序传送方式（为无条件传送或同步传送）：I/O接口总是准备好接收来自主机的数据，呈随时准备向主机输入数据，CPU无须查看接口的状态，就执行输入/输出指令进行数据传送

• 程序查询方式：CPU通过程序查询外设的状态，判断外设是否准备好接收数据或准备好了向CPU输入的数据

• 程序查询方式

• 计算机系统中的外设如果是用查询方式工作，则CPU应对这些外设逐一进行查询，发现哪个外设准备就绪就对此外设服务

• 优点：简单且容易实现

• 缺点：降低了CPU的利用率，CPU的大量时间消耗在查询外设的状态上；对外部的突发时间无法做出实时响应

2、中断方式

• 定义

• 在CPU执行程序的过程中，由于某一个外部的或CPU内部事件的发生，使CPU暂时中止正在执行的程序，转去处理这一事件，当事件处理完毕后又回到原先被中止的程序，接着中止前的状态继续向下执行

• 中断源：引起中断的事件，根据引起中断的地方分为内部中断源、外部中断源

• 中断方式下的数据传送

• 当I/O接口准备好接收数据或准备好向CPU传送数据时，就发出中断信号通知CPU。对中断信号进行确认后，CPU保存正在执行的程序的现场，转而执行提前设置好的I/O中断服务程序，完成一次数据传送的处理

• 优点：CPU就不需要主动查询外设的状态，在等待数据期间可以执行其他程序，从而提高了CPU的利用率，能处理随机事件和实时任务

• 采用中断方式管理I/O设备，CPU和外设可以并行地工作

• 缺点：一次中断处理过程需要经历保存现场、中断处理和恢复现场等阶段，需要执行若干条指令才能处理一次中断事件；这种方式无法满足高速地批量数据传送要求，所以引入DMA方式

• 直接存储器存取方式（DMA）

• 通过硬件控制实现主存与I/O设备间地直接数据传送，数据的传送过程由DMA控制器（DMAC）进行控制，不需要CPU的干预

• 在DMA方式下，由CPU启动传送过程，即向设备发出“传送一块数据”的命令，在传送过程结束时，DMAC通过中断方式通知CPU进行一些后续处理工作

• 优点：简化了CPU对数据传送的控制，提高了主机与外设并行工作的程度，实现了快速外设和主存之间成批的数据传送，使系统的效率明显提高

• 缺点：由于DMA控制器只能控制简单的数据传送操作，因此对外设的管理和某些控制操作仍由CPU承担。所以在外设数量较多、输入/输出频繁的大、中型机中，通常设置通道使CPU摆脱管理和控制外设的沉重负担

• 通道控制方式

• 通道是一种专用控制器，它通过执行通道程序进行I/O操作的管理，为主机与I/O设备提供一种数据传输通道

• 用通道指令编制的程序存放在存储器中，当需要进行I/O操作时，CPU只要按约定格式准备好命令和数据，然后启动通道即可，通道则执行相应的通道程序，完成所要求的操作

• 优点：用通道程序可完成较复杂的I/O管理和预处理，从而在很大程度上将CPU从繁重的I/O管理工作中解脱出来，提高了系统的效率

• 随着通道的进一步发展，其结构越来越复杂，功能逐渐变得通用，发展为现在广泛使用的输入/输出处理器（I/O Processor，IOP）