计算机组成:存储系统

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一、概述

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二、AM

全称 Associative Memory,这个东西比较神奇,不像 ROM 和 RAM访问的时候必须给出地址,AM 可以按照内容访问,所有又称为 CAM(Content Addressed Memory),检索数据的时候 ROM 和 RAM 得遍历,CAM 则可在一次时钟周期找到目标,由存储体、检索寄存器、屏蔽寄存器、匹配寄存器、数据寄存器、地址寄存器、比较电路、译码电路等组成,结构以及工作图如下:

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CAM 在读操作的时候可以选择按地址访问还是按内容访问,不过写的时候就只能按地址访问了。方便是方便,不过价格随着容量的增大几何倍增加,穷苦人家只能买的起小容量的作为快速检索使用。

三、cache

cache 在这里指的是高速缓存硬件,故名思议,具备着非常高的访问速度,一般在 CPU 和主存之间作为缓冲:

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具体的工作流程如下:

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地址映射

地址映射需要用到映射表,这个东西是按内容访问的,就要用到之前提过的 CAM 了。

全相联映射

主存每一块可映射到 cache 的任一块

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直接映射

主存每一块只能与一个 cache 块有对应关系

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组相联映射

组间直接映射,组内全相联映射

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cache、内存数据交换

cache 容量肯定远小于内存,因此只能保留最常用的数据,这里一般使用 RAND、FIFO、LRU、LFU 这四种策略的一种作为数据替换的策略,老生常谈,就不具体说了。要注意的是写操作,有两种更新策略:

  • 写直达法:CPU 在执行写操作时,将数据同时写入主存和cache
  • 写回法:CPU 在执行写操作时,仅将数据写入 cache,只有当cache 中的某个字块需要替换出cache 时,才把修改过的 cache 块写回主存
    • 简单写回:无论字块是否被更新过,都进行写回操作
    • 标志位写回:只在块被更新过时,才进行写回操作

性能指标

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举个栗子:

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四、辅助存储:磁盘

这里主要介绍最最常用的辅助存储设备——磁盘

结构

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  • 磁道:磁头在盘面移动是的同心圆轨迹
  • 柱面:不同盘面的同一磁道的集合
  • 扇区:一个磁道分为若干扇区,一个扇区存放一个数据块(存储单元)

性能指标

  • 记录密度
    • 磁道密度:磁道总数 / 盘片有效半径
    • 位密度:磁道总容量/磁道周长
  • 容量
    • 非格式化容量:磁盘上可利用的磁化单元总数,= 硬盘个数 × 记录面数 × 磁道数 × 磁道容量
    • 格式化容量:按照某种特定记录格式所能存储的信息通量,= 硬盘个数 × 记录面数 × 磁道数 × 每道扇区数 × 扇区容量
  • 传输速率
    • 转速:单位时间内硬盘盘片旋转的圈数,单位 rpm
    • 平均寻址时间 = 平均寻道时间 + 平均等待时间
    • 平均等待时间 = 1/ 转速 / 2
    • 数据传输速率:单位 Bps
    • 内部数据传输速率 = 磁道容量 * 转速
    • 外部数据传输速率:系统总线与硬盘数据缓冲区之间的数据传输率

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工作原理

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那么问题来了,写数据的时候,通的电脉冲怎么编码?主要有 RZ、NRZ、NRZ1、PM、FM、MFM 几种方法:

RZ:每写一位,电流回 0 一次

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NRZ:见翻就变

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NRZ1:见 1 就变

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PM

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FM

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MFM

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编码效率 = 位密度 / 磁化翻转次数

  • FM、PM:一个周期磁化翻转 2 次,编码效率 50%
  • MFM、NRZ、NRZ1:一个周期磁化翻转 1 次,编码效率 100%

同步方式:

  • 自同步能力:单个磁道读出信息提取同步脉冲的难易程度,可用位周期内平均磁化反转次数来衡量,NRZ、NRZ1:最大磁化翻转间隔 = ∞,所以没有自同步能力
  • 外同步:专门设置同步磁道,与被访磁道数据“与”后输出
  • 自同步:同步信息从读出信息中提取
    • 一个位周期内至少有一个感应信号
    • NRZ、NRZ1 无自同步能力,RZ、PM、FM、MFM 均有自同步能力

磁盘阵列

把多块独立的硬盘按照不同的方式组合起来,在 RAID 控制器的控制下构成一个完整的磁盘阵列,提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份能力

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